Kjemi og miljølære [2 ed.] 8200451321 [PDF]

Zitiervorschau

Nils Chr. Boye

Kjemi og miljølære 2. utgave

UNIVERSITETSFORLAGET

Universitetsforlaget AS 1995

ISBN 82-00-45132-1 1. 2.

utgave 1995 utgave 1999

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget Postboks 2959 Tøyen 0608 Oslo Boka kan kjøpes på Internett: www.campus.no

Tegninger: David Keeping Omslagsbilde: - stort bilde: J.B. Olsen/R. Sørensen - NN/Samfoto - lite bilde: Geir Tufteland Omslagsdesign: Tor Berglie Sats: HS Repro A/S Trykk: HS-Trykk A/S, Oslo 1999

Forord Denne boka dekker de emnene som ble anbefalt for faget Kjemi og miljø i Ingeniørutdanningsrådets ved­ tak til Rammeplan for treårig ingeniørutdanning av 31.01.95.

Del 1 Kjemi Første del av boka gir en enkel, lettfattelig innføring i det teoretiske grunnlaget i kjemi, med vekt på forstå­ else av faget. At kjemi er en del av vår hverdag, søker vi å vise ved å benytte eksempler og oppgaver fra dag­ ligliv, teknikk og industri. Det forutsettes så godt som ingen forkunnskaper i faget, og boka er velegnet for selvstudium. For­ klaringene er enkle og fyldige, og teorien blir belyst med mange fullstendig løste oppgaver. Pensum er omfattende. Kanskje bør studentene lese kapitlene 1 og 2 på egen hånd? For å legge til rette for dette er det i disse kapitlene tatt med flere eksempler, og enkelte passasjer er blitt grundigere for­ klart i denne nye utgaven. For øvrig er det bare fore­ tatt mindre endringer i kjemidelen. Fullstendig fasit og hjelp til løsning av oppgavene er gitt i heftet: Nils Chr. Boye. Fasit med kommen­ tarer. De fleste fasitsvarene finner du bakerst i læreboka.

Del 2 Miljølære Innenfor emnet som her omtales som miljø, skjer det store endringer. Det er en glede å kunne presentere en oppdatert utgave, som er kvalitetssikret av høyt kvali­ fiserte fagpersoner. Vårt hovedmål er å gi grunnleggende kunnskaper i miljøfaget, med vekt på forståelse, prinsipper og inn­ sikt, og mindre på faktakunnskap og data. Parenteser i teksten kan du ved første gjennomles­ ning gjerne overse, dersom de ikke inneholder tekst satt med kursiv.

Takk! Jeg retter en hjertelig takk til disse personene for ver­ difull assistanse, men gjør oppmerksom på at forfatte­ ren er ansvarlig for innholdet i boka.

Generell økologi Asbjørn Folvik, Statoil Renere produksjon Annik Fet, Høgskolen i Ålesund Luft og luftforurensning Frode Stordal, Geir Braathen, Steinar Larsen og Kjetil Tørseth, Norsk institutt for luftforskning Vann og vannforurensning Jan Økland, Universitetet i Oslo Bente M. Wathne, Dag Berge og Torgeir Bakke, Norsk institutt for vannforskning Vannrensing Svein Stene-Johansen, Norsk institutt for vann­ forskning Avfall og avfallsbehandling Tom Johansson, AS Norsk spesialavfallsselskap (NORSAS), Trygve Sverreson, Norsk Avfalls­ handtering AS (NOAH) Energi Johan E. Hustad, NTNU Hilde Lynnebakken, Oslo Energi - Enøk Arbeidsmiljø Norleif Øen, Arbeidstilsynet, Stavanger I tillegg vil jeg takke følgende kollegaer for korrek­ sjoner og kommentarer: Eli R. Andersen Ole Dørum Jørg Gotfredsen Elsa-Lill Hansen Michal Holgersen Ellen Husa Øyvind Johannesen Tor Kjelsen Jon Nitter Gundersen Harald Risti Jan Stubergh Stavanger, juni 1999

Gunnar Dobbe Svein Fjeldheim Ame Halvorsen Per Heggelund Hans Holseth Birgit Jenssen Holm Sigurd Joys Sigvard C. Lepsøe Per Reitan Kjell Skau Rolf Vassgård

Nils Chr. Boye

Innhold Del 1 Kjemi Hva er kjemi?............................................................. 1 Atomenes oppbygning og periodesystemet..

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Elementærpartikler.................................... Grunnstoffer (elementer).......................... Bohr-Rutherfords atommodell................ Grunnstoffer og isotoper.......................... Oppbygningen av noen enkleatomer....... Periodesystemet......................................... Sammenheng mellom et atoms elektronstruktur og dets plass i periodesystemet... 1.8 Oppsummering........................................... Spørsmål og oppgaver....................................... 2

Kjemisk binding..................................................

2.1 lonebinding.................................................. 2.2 Kovalent binding....................................... 2.3 Polar kovalent binding............................. 2.4 Elektronegativitet ...................................... 2.5 Metallbinding............................................. 2.6 Krefter mellom molekyler........................ 2.7 Oppsummering.......................................... Spørsmål og oppgaver....................................... 3

Reaksjonslikninger og beregninger..............

9 11 11 11 12 14 15 16

16 24 24

26 26 29 32 33 34 35 38 39 40 40 41 42 43 44 45

Atommasse. Atomvekt.............................. Formelmasse. Formelvekt........................ Kjemiske reaksjonslikninger.................... Molbegrepet............................................... Eksempler på bruk av molbegrepet......... Støkiometriske beregninger...................... Forbindelsers prosentvise sammensetning. Beregning av formler.......................... 47 3.8 Energiforandringer ved kjemiske reaksjoner............................................. 49 3.9 Oppsummering.......................................... 49 Spørsmål og oppgaver....................................... 50 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

4

Navnsetting........................................................... 52 4.1 Binære forbindelser................................... 52 4.2 Forbindelser mellom metall og syrerest... 52 4.3 Forbindelser der det inngår et element som kan ha forskjellige oksidasjonstall.... 54 4.4 Salter av flerprotiske syrer. Hydroksider . 54

4.5 Oppsummering.......................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

55 55

Løsninger...............................................................

5.1 Definisjon. Forskjelligetyper løsninger... 5.2 Molare løsninger....................................... 5.3 Fortynning.................................................. 5.4 Andre konsentrasjonsenheter .................. 5.5 Oppsummering.......................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

56 56 57 58 59 60 61

6

Gasser..................................................................... 6.1 Avogadros lov. Molvolum....................... 6.2 Beregninger av massetetthet for gasser.... 6.3 Oppsummering.......................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

62 62 63 64 64

7

Kjemisk likevekt.................................................. 7.1 Reversible reaksjoner................................ 7.2 Likevekt for reaksjonenH2 +12 2HI.. 7.3 Guldberg-Waages lov............................... 7.4 Mer om anvendelser av Guldberg-Waages lov......................... 70 7.5 Et system i likevekt.................................. 7.6 Le Chåteliers prinsipp.............................. 7.7 Katalysatorer.............................................. 7.8 Oppsummering.......................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

65 65 65 67

Syrer og baser...................................................... 8.1 Definisjoner................................................ 8.2 Syrer og baser i vann................................ 8.3 Syre- og basestyrke................................... 8.4 Salter og oksider i vann. Blir løsningen sur, basisk eller nøytral?... 8.5 Vannets egenprotolyse eller autoprotolyse....................................... 85 8.6 pH-begrepet................................................ 8.7 pH-beregninger.......................................... 8.8 Reaksjon mellom sterk syre og sterk base 8.9 Syre/base-indikatorer............................... 8.10 Titrering.................................................... 8.11 Svake syrer og baser. Beregninger........ 8.12 Fellesioneffekt.........................................

78 78 79 80

5

8

71 72 74 75 76

83

85 87 87 90 91 91 93

9

10

11

8.13 Bufferløsninger......................................... 8.14 Oppsummering........................................ Spørsmål og oppgaver........................................

94 97 97

Reaksjoner i vann................................................ 9.1 Generelt om løselighet............................. 9.2 Hvorfor er noen stoffer løselige, mens andre ikke er det?*.................... 100 9.3 Fellingsreaksjoner ..................................... 9.4 Løselighetsprodukt.................................... 9.5 Oppsummering........................................... Spørsmål og oppgaver.........................................

99 99

Oksidasjon og reduksjon................................. 10.1 Definisjoner.............................................. 10.2 Oksidasjonstall........................................ 10.3 Forbindelse mellom endringer i oksidasjonstall og begrepene oksidasjon og reduksjon................. 110 10.4 Balansering av redokslikninger............. 10.5 Oppsummering........................................ Spørsmål og oppgaver........................................ Elektrokjemi.......................................................

11.1 Galvaniske celler. Daniells element...... 11.2 Redokspotensialer................................... 11.3 Standard hydrogenelektrode. Spenningsrekka............................... 117 11.4 Potensialberegninger ut fra spenningsrekka................................ 121 11.5 Potensialberegninger når løsningene ikke er 1-molare............................... 123 11.6 Elektrolyse................................................ 11.7 Et eksempel på elektrolyse.................... 11.8 Sammenheng mellom utskilt stoffmengde ved elektrolyse og elektrisitetsmengde.......................... 128 11.9 Tørrelementer og akkumulatorer.......... 11.10 Brenselceller........................................... 11.11 Korrosjon................................................. 11.12 Oppsummering...................................... Spørsmål og oppgaver........................................ 12

Organisk kjemi..................................................

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Mettede hydrokarboner.......................... Isomeri....................................................... Navnsetting............................................... Ringforbindelser...................................... Umettede hydrokarboner........................ Aromatiske forbindelser.........................

102 103 106 106 108 108 109

13

146 148 150 151 152 153 153

Olje og plast........................................................ 13.1 Olje............................................................ 13.2 Plast........................................................... Spørsmål og oppgaver........................................

156 156 158 160

Del 2 Miljølære Innledning.................................................................... 161 1 Generell økologi................................................... 164

1.1 Indi vider...................................................... 1.2 Populasjoner og populasjonsøkologi....... Vekstkurver for en populasjon.................. Regulering av populasjonsstørrelsen........ 1.3 Samfunn...................................................... 1.4 Økosystemer............................................... Energistrømmer........................................... Kretsløp........................................................ 1.5 Innsjøen som økosystem.......................... Oligotrofe og eutrofe innsjøer................... 1.6 Biologisk mangfold................................... 1.7 Litteratur...................................................... Spørsmål og oppgaver........................................

110 112 112 114 114 116

164 165 166 167 168 169 170 171 173 174 175 176 177

2

Renere produksjon............................................. 179 2.1 Hva mener vi med «renere produksjon»?. 180 Kildereduksjon ............................................ 180 Resirkulering............................................... 181 2.2 Teknisk miljøanalyse................................. 181 Hvordan kan vi gjennomføre en teknisk miljøanalyse?...................................... 182 Hva kan oppnås ved teknisk miljøanalyse? 183 2.3 Miljørevisjon.............................................. 184 2.4 Internkontroll.............................................. 184 2.5 Livsløpsvurdering (LCA - Life Cycle Assessment).......... 185 Hvordan utfører vi en livsløpsanalyse?.... 185 Hvorfor livsløpsanalyser?.......................... 186 2.6 Litteratur..................................................... 187 Spørsmål og oppgaver........................................ 188

3

Luft

126 127

130 133 133 135 135 137 137 139 141 142 142 145

12.7 Halogenerte hydrokarboner.................... 12.8 Alkoholer.................................................. 12.9 Aldehyder og ketoner............................. 12.10 Karboksylsyrer...................................... 12.11 Aminer..................................................... 12.12 Aminosyrer og proteiner...................... Spørsmål og oppgaver........................................

og luftforurensning.......................

3.1 Drivhuseffekten..........................................

189 190

Hva mener vi med drivhuseffekten?........ 190 Utslipp av drivhusgasser........................... 192 Konsekvenser av økte utslipp av drivhusgasser...................................... 195 Hva vil temperaturøkningen føre til?....... 195 Tiltak for å motvirke drivhuseffekten..... 197 Kan vi stole på forskningsresultatene?.... 199 3.2 Skader på ozonlaget................................... 199 Ozon i stratosfæren..................................... 200 UV-stråling og skadevirkninger............... 202 Ozonhull....................................................... 202 Tiltak for å motvirke ozonnedbrytningen. 203 Status og framtidsutsikter.......................... 203 3.3 Sur nedbør.................................................. 204 Hvordan dannes sur nedbør?..................... 204 Hvor stammer utslippene fra?................... 206 Skader som skyldes sur nedbør................ 206 Tiltak for å redusere utslippene av SO2.... 209 Tiltak for å redusere utslippene av NOX... 209 Internasjonale avtaler................................. 210 Status og framtidsutsikter.......................... 211 3.4 Lokal forurensning.................................... 211 Luftforurensende stoffer i storbyene i Norge................................................. 211 Tiltak for å redusere lokal forurensning... 215 Status og framtidsutsikter.......................... 216 3.5 Litteratur..................................................... 217 Spørsmål og oppgaver....................................... 217 4

5

Gassrensing........................................................... 4.1 Fjerning av partikler og dråper................ 4.2 Fjerning av gasser inklusive luktstoffer... 4.3 Fjerning av svovel- og nitrogen­ forbindelser.................................. 221 4.4 Katalytisk rensing av avgasser fra bilmotorer.................................... 222 4.5 Litteratur..................................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

219 219 220

Vann og vannforurensning.............................. 5.1 Tilgjengelig vannmengde......................... 5.2 Vannforekomster....................................... 5.3 Ferskvann - en knapphetsressurs............ 5.4 Forurensningstyper.................................... Organiske stoffer......................................... Næringssalter - eutrofiering...................... Sur nedbør.................................................... Miljøgifter.................................................... 5.5 Kilder til utslipp........................................ Kommunal kloakk......................................

224 224 224 226 227 228 229 233 235 238 238

223 223

Landbruk...................................................... Industri......................................................... Fiskeoppdrett............................................... Oljeutslipp i havet...................................... Petroleumsvirksomheten i Nordsjøen..... 5.6 Internasjonale avtaler............................... 5.7 Litteratur..................................................... Spørsmål og oppgaver.......................................

239 241 242 243 244 247 247 248

6

Vannrensing.......................................................... 249 6.1 Drikkevann................................................. 249 Vann og helse.............................................. 249 Vannkildene må beskyttes. Drikkevann må behandles...................................... 249 Krav til drikkevann..................................... 250 Råvannskilder - forurensning og tiltak .... 251 6.2 Behandling av drikkevann....................... 252 6.3 Kommunal kloakk..................................... 254 6.4 Parametere som karakteriserer avløpsvann 254 6.5 Kommunale kloakkrenseanlegg.............. 255 Hva kan vi oppnå? Framtidige rensemetoder...................................... 257 Slam.............................................................. 258 Avløp fra spredt bebyggelse...................... 258 Krav til rensing............................................ 259 6.6 Litteratur..................................................... 259 Spørsmål og oppgaver....................................... 259

7

Avfall og avfallsbehandling............................. 261 7.1 Hva inneholder avfallet?.......................... 262 7.2 Innsamling og transport av avfall........... 263 7.3 Behandling av avfallet.............................. 263 Det moderne avfallsdeponi........................ 263 Avfallsforbrenning..................................... 266 Kompostering .............................................. 269 7.4 Materialgjenvinning og ombruk.............. 270 Materialgjenvinning starter med sortering av avfall.............................. 271 Materialgjenvinning................................... 271 Ombruk......................................................... 275 Hva skal til for å lykkes med resirkulering?...................................... 276 Status og framtidsutsikter.......................... 277 7.5 Spesialavfall............................................... 277 Mottak og innsamling avspesialavfall.... 278 Behandling av spesialavfall....................... 279 7.6 Avfallsreduksjon....................................... 280 7.7 Litteratur..................................................... 281 Spørsmål og oppgaver....................................... 281

8

Energi...................................................................... 283

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

8.6

8.7

8.8

8.9

Termodynamikkens to hovedsetninger.... 284 Energienheter og effekt............................. 284 Jordas energibalanse.................................. 286 Energiforbruk i Norge............................... 286 Energiressurser........................................... 286 Inndeling av energiressurser...................... 287 Ikke-fornybare ressurser............................ 288 Fossile brennstoffer.................................... 288 Miljøkonsekvenser knyttet til bruk av fossile brennstoffer............................. 291 Kjernekraftverk........................................... 292 Fusjonsreaktor............................................. 296 Fornybare ressurser................................... 296 Solenergi....................................................... 296 Bioenergi...................................................... 299 Vannkraft...................................................... 301 Vindkraft...................................................... 302 Bølgekraft..................................................... 303 Statlig støtte til miljøvennlig teknologi.... 305 Framtidens energibehov............................. 305 Framtidens energiforsyning....................... 306 Omforming av energi................................ 307 Varmekraftverk........................................... 307 Kraftvarmeverk........................................... 307 Varmepumpe............................................... 308 Energiøkonomisering - enøk.................. 310 Bygninger..................................................... 311 Industri......................................................... 313 Samferdsel.................................................... 313

9

Kraftproduksjon og overføring av strøm Landbruk.................................................... Bruk av avgifter......................................... 8.10 Energi i utviklingslandene...................... 8.11 Oppsummering......................................... 8.12 Litteratur................................................... Spørsmål og oppgaver........................................

315 315 316 316 319 320 320

Arbeidsmiljø......................................................... 9.1 Arbeidsmiljøloven...................................... Verne- og helsepersonell............................ Arbeidstilsynet............................................ Intemkontrollforskriften............................. 9.2 Arbeidsmiljøfaktorer................................. 9.3 Fysiske miljøfaktorer................................. Støy i innemiljøet........................................ Klima og belysning.................................... loniserende stråling.................................... Mekaniske forhold. Tekniske innretninger Ergonomiske forhold.................................. 9.4 Kjemiske miljøfaktorer............................ 9.5 Psykososialt arbeidsmiljø......................... 9.6 Litteratur...................................................... Spørsmål og oppgaver........................................

322 322 323 323 324 326 326 327 329 329 330 331 331 334 335 335

Noen viktige internettadresser.............................

336

Fasit til del 1 - Kjemi............................................... 337 Stikkordregister ........................................................ 344

— Kjemi

Hva er kjemi? I kjemien er vi i prinsippet opptatt av alle stoffene på jorden

-

deres oppbygning og egenskaper reaksjoner som foregår i jord, vann og luft reaksjoner som foregår i planter, dyr og mennesker reaksjoner i tekniske anvendelser

Hvilken betydning har kjemien? Mange av de godene vi har i dag, hadde vært utenke­ lige uten kunnskaper i kjemi. - Moderne medisiner fører til at vi lever lenger og på mange måter bedre enn i tidligere tider. - Kunstgjødsel og plantevernmidler har ført til at vi produserer nok mat i verden til tross for at folketal­ let har økt meget raskt. - Prevensjonsmidlene er nødvendige for å bringe befolkningsveksten under kontroll og derved sikre mat og levelige vilkår for alle. - Moderne konserveringsmidler hjelper oss til å ta bedre vare på maten. - Giftstoffer brukes til å utrydde skadedyr og insekter som forsyner seg av våre matforråd og sprer smitte. - Såpe og vaskemidler er svært viktige for vår hygi­ ene og trivsel. - Plaststoffer inngår mellom annet som fibrer i klær. Det blir mindre behov for bomull og ull fra sauer. Derved fristilles arealer for matproduksjon.

Kjemien er av fundamental betydning for å forstå den verden vi lever i. For eksempel er det viktig å ha

kunnskaper om plast. Dette materialet har utallige anvendelser, og flere kommer til. I dag er kjemikerne stort sett i stand til å lage plaststoffer med akkurat de materialegenskapene det er behov for. Anleggsingeniørene nytter plast i avløpsrør og i plater til byggfasader. Plastduk blir brukt under søp­ pelfyllinger, som armering ved utfylling i grunn med dårlig bæreevne, som isolasjonsmateriale i veier, osv. Konstruksjonene i prosessanlegg inneholder ofte store mengder plastmaterialer i form av plater og rør. Plastmaterialer finner også økende anvendelse som maskindeler. Ingeniøren bør kjenne det miljøet mate­ rialet blir utsatt for, og velge materialer som tåler påkjenningene. Forbrenningsprosessene er kjemiske reaksjoner. Bensin, andre brennstoffer og smøreolje er kjemiske produkter. Vann- og kloakkrensing, korrosjonsbekjemping, maling og lakk, sprengstoffer og isolasjonsmaterialer er andre områder som krever kunnskaper i kjemi. Flere av våre største industriforetak, som Norsk Hydro og Borregaard, er i hovedsak kjemiske bedrif­ ter. Vi har flere store elektrokjemiske bedrifter og en betydelig petrokjemisk industri.

Kjemi og forurensning

10

Kjemien har ikke bare gitt oss goder. Kjemisk industri og produkter fra den er sterkt medansvarlige for foru­ rensningen av vårt miljø. Emnet vil bli behandlet i

Kjemi

miljødelen av boka. Her vil vi bare påpeke at de ulem­ pene vi registrerer, i første rekke skyldes at våre kunn­ skaper ikke er blitt benyttet med nok forstand.

«Sist lærte vi forskjellen på glyserol og nitroglyserol.» (Glyserol er et ufarlig stoff som inngår i fett. Nitroglyserol er et sprengstoff.)

1 Atomenes oppbygning og periodesystemet

Allerede år 400 f.Kr. antok den greske filosofen Demokrit at alt stoff var sammensatt av små enheter. Disse minstedelene kalte han atomer. Det greske ordet «atomos» betyr udelelig. I dag er det allment akseptert at stoffene er bygd opp av atomer. Men atomene er ikke udelelige. De består av mindre byggesteiner som vi kaller elemen­ tærpartikler. Det er av fundamental betydning å kjenne til hvor­ dan atomene er bygd opp. Dette er et tema som vil bli behandlet i det følgende. I dag kjenner vi 109 forskjellige atomtyper eller grunnstoffer. Disse er blitt ordnet i et system etter økende atomvekt og på en slik måte at atomer med tilsvarende egenskaper kommer under hverandre i kolonner. Denne oppstillingen blir kalt periodesyste­ met. Vi skal i det følgende studere periodesystemet og se hvilken sammenheng det er mellom et atoms opp­ bygning og dets plass i systemet. Spesielt er vi opptatt av å finne en forklaring på hvorfor atomer som står i samme kolonne, har tilsvarende egenskaper. Men først vil vi ta for oss de viktigste elementærpartiklene og se litt på deres egenskaper. Omkring år 1900 og i årene som fulgte ble det gjort fundamentale oppdagelser som angikk atomets oppbygning. Flere av disse ekspe­ rimentene er blitt stående som milepæler i vitenskapenes utvikling. Vi forutsetter at dette stoffet blir omtalt i faget fysikk. Bare en del resultater av praktisk interesse for kjemien vil bli tatt opp her.

1.1 Elementærpartikler Det eksisterer svært mange elementærpartikler. Men for å gi en enkel innføring i atomets oppbygning er det nok å ta med elektronet, protonet og nøytronet. Elektronet ble oppdaget i 1897 av den engelske

fysikeren J.J. Thomson. Partikkelen har en ladning som er den minste som er blitt påvist, og denne lad­ ningen er negativ. Den blir kalt den elektriske minsteladningen eller elementærladningerd. Det er vanlig å betrakte den som en egen enhet og angi den som -1. Den virkelige verdien er 1,602 ■ 10-19 coulomb. (Coulomb er et uttrykk for ladning. 1 coulomb er lik 1 ampere i 1 sekund, dvs. 1 amperesekund.) Protonet ble oppdaget kort etter år 1900. Protonets ladning er lik elektronets, men med motsatt fortegn. Den blir angitt som +1. Protonet har en masse som er 1836 ganger massen til elektronet. Nøytronet ble oppdaget av den engelske viten­ skapsmannen J. Chadwick i 1932. Som navnet anty­ der, er partikkelen elektrisk nøytral. Nøytronet har en masse som er tilnærmet lik protonets masse. Av tabell 1.1 framgår det at protonet og nøytronet begge har en masse som er tilnærmet lik massen vi betegner 1 u. Masse i gram

1,67 • 10'24 Proton Nøytron 1,67 • 10-2j Elektron 9,11 • ID’28

i atommasseenheten u

Ladning

i coulomb

+1,602 • 10'19 1,00728 1,00867 0 0,0005486 -1,602 • 10'19

i elektronladningsenheter +1 0 -1

Tabell 1.1 Noen egenskaper knyttet til elementærpartiklene.

1.2 Grunnstoffer (elementer) Et grunnstoff eller et element består av atomer som kjemisk sett er helt like. 1 Nyere forskning har vist at kjemepartikler er bygd opp av kvarker med ladning som er 1/3 eller 2/3 av elementærladningen.

12

Kjemi, kapittel 1

Hvert grunnstoff har et navn og et kjemisk tegn. Det kjemiske tegnet består ofte av den første eller de to første bokstavene i stoffets latinske eller greske navn (se tabell 1.2 og tabell på innsiden av omslaget bak i boka). Det står samtidig for et atom av stoffet. Med symbolet O, for eksempel, mener vi grunnstoffet oksygen eller et atom oksygen. Navn og symboler er blitt bestemt ved internasjo­ nal overenskomst. De kjemiske tegnene og mange av navnene er felles for hele verden. Norsk navn

Latinsk eller gresk navn

Symbol

Kalium Natrium Jern Kvikksølv

Kalium Natrium Ferrum Hydrargyrum

K Na Fe Hg

Tabell 1.2 Kjemiske navn og symboler for noen grunn­ stoffer. Eksempel 1 Hva forstår vi med symbolet Co?

Hydrogenatomet inneholder bare ett elektron, men dette elektronet kan gå i forskjellige baner rundt kjer­ nen. I 1913 satte Bohr fram den påstanden at dette elektronet bare kan ha helt bestemte energier, sva­ rende til elektronbaner med helt bestemte avstander fra atomkjernen. Ved beregning klarte han å be­ stemme disse energiene og avstandene. Når et hydrogenatom er i sin mest naturlige til­ stand, i grunntilstanden, er elektronet i den banen der det har lavest energi. Men dersom et atom blir tilført energi, ved stråling, oppvarming eller elektrisk utlad­ ning, vil elektronet kunne ta opp energi og hoppe over i et høyere energinivå. Etter kort tid vil elektronet hoppe tilbake og sende ut den energien det mottok, som synlig lys eller annen elektromagnetisk stråling, se figur 1.1. Elektromagnetisk stråling blir vanligvis betraktet som bølger med bølgelengde Å Det er senere blitt vist (av Max Planck o.fl.) at strå­ lingen også kan betraktes som en strøm av partikler (fotoner) med energi E. Det er følgende sammenheng mellom fotonets energi E og dets bølgelengde Å: E = h ■ v = h ■ kr z

Løsning Co er en forkortet skrivemåte for - grunnstoffet kobolt - et koboltatom

c der h er Plancks konstant og v er frekvensen (= j der c er lysets hastighet). Elektromagnetisk stråling utgjør et spekter av stråling. Relativt kortbølget (og energirik) stråling blir omtalt som ultrafiolett strå­ ling. Mer langbølget stråling oppfatter øyet som synlig lys. Infrarød stråling har lengre bølgelengde enn synlig lys.

1.3 Bohr-Rutherfords atommodell Ernest Rutherford utførte i 1911 en serie eksperimen­ ter. Av disse trakk han den slutningen at atomets masse og dets positive ladning måtte være samlet i sentrum av atomet, i atomets kjerne. Kjernen måtte dessuten ha en svært liten utstrek­ ning. Dersom den ble forstørret opp til en diameter lik 1 cm, ville atomets diameter bli opp mot 1000 m. Dansken Niels Bohr forestilte seg at elektronene gikk i baner rundt kjernen, liksom planetene går i baner rundt sola. Ifølge denne modellen består et atom hovedsakelig av tomrom.

Niels Bohr

Ved elektronsprangene sender hydrogenatomene ut stråling av bestemte bølgelengder. Strålingen fra hydro­ gen var på den tiden gransket nøye og de forskjellige bølgelengder i strålingen bestemt. Niels Bohr bereg­ net hvilke energier elektronet kunne ha i hydrogenato­ met. Ut fra de energisprangene som var mulige, bereg­ net han videre hvilke bølgelengder strålingen fra hydrogen kunne inneholde. Resultatet stemte glim­ rende overens med observasjonene. Men Bohrs beregninger kunne ikke forklare for­ holdene i mer sammensatte atomer. Og hans forestil­ ling om at elektronene gikk i bestemte baner omkring kjernen, har vi måttet forlate. Vi kan bare angi hvor det er mest sannsynlig å finne et elektron. På figur 1.2 er atomkjernen plassert i skjæringspunktet mellom x-, y- og z-aksen i et romlig koordinatsystem. I et gitt øyeblikk er elektronet i et bestemt punkt i rommet, og dette markeres med en prikk på figuren. Ved å angi elektronets posisjon i forhold til kjernen ved mange forskjellige tidspunkter, får vi en sky av prikker rundt

13

Atomenes oppbygning og periodesystemet

Figur 1.1 a) Når energi blir tilført et atom, kan et elektron hoppe ut i et høyere energinivå. Men etter kort tid vil det, eventuelt via flere trinn, hoppe tilbake. Energi blir da frigitt som elektromagnetisk stråling. b) Når elektroner i hydrogenatomer hopper fra høyere energinivåer til energinivå nr. 2, blir det sendt ut stråling som kan observeres som en serie med linjer på en fotografisk film. Hver linje svarer til en bestemt bølgelengde i den synlige delen av spektret. Når elektroner hopper til energinivå nr. I, får vi et sett med linjer som svarer til stråling i den ultrafiolette delen av spektret. Andre energisprang gir linjer i den infrarøde delen av spektret.

kjernen. Ut fra disse kan en si hvor det er mest sann­ synlig å finne elektronet(-ene). I en elementær lærebok er det likevel vanlig å tegne figurer med elektroner i baner. Banene må vi da se på som et uttrykk for elektronenes energi. Jo større bane, desto større energi har elektronet. Bohrs påstand om at elektronene bare kan ha bestemte energier, er blitt stående. Totalt kan vi tenke oss 7 hovedskall eller hovedenerginivåer, figur 1.3. De blir nummerert innenfra: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, eller betegnet med bokstaver: K, L, M, N, O, P, Q. Det maksimale antall elektroner som kan inngå i et skall, er gitt ved formelen 2 • n2 der n er skallets num­ mer. Det gir følgende antall elektroner:

for skall nr. 1, dvs. n = 1: for skall nr. 2, dvs. n = 2: for skall nr. 3, dvs. n = 3: osv.

2 - 12 = 2 2 • 22 = 8 2 • 32 = 18

Figur 1.3 Et atom inneholder sju hovedenerginivåer eller hovedskall. De blir nummerert innenfra I, 2, 3... eller betegnet med bokstaver K, L, M... Figuren viser også det maksimale antall elektroner som kan fore­ komme i de innerste skallene.

x

Figur 1.2 Modell av et hydrogenatom. Kjernen er i skjæringspunktet mellom aksene. Tettheten i skyen angir hvor det er mest sannsynlig å finne elektronet.

14 Energien til et elektron øker med dets avstand fra kjer­ nen, eller med økende hovedenerginivånummer for elektronet.

1.4 Grunnstoffer og isotoper Vi har nevnt at atomets kjerne inneholder positiv lad­ ning. Denne ladningen må skyldes protoner. Atomer med samme antall protoner i kjernen utgjør et grunn­ stoff eller et element. Hvert grunnstoff har fått et atomnummer. Dette angir antall protoner i kjernen. Atomnumrene finner du i atomvekttabellen på inn­ siden av omslaget bakerst i boka, og i periodesyste­ met, til venstre over de kjemiske tegnene, på innsiden av omslaget foran i boka. Et atom er nøytralt. Det inneholder like mange elektroner som protoner. Atomnummeret blir derfor også et uttrykk for antall elektroner. Eksempel 2

En samling atomer inneholder 8 protoner i kjernen. Hva er disse atomenes atomnummer, og hvilket grunn­ stoff tilhører de? Jern er et grunnstoff. Hva kan vi ut fra atomvektta­ bellen bakerst i boka slutte om jernatomets kjerne? Hvor mange elektroner inngår i et oksygenatom og i et jematom? Løsning Alle atomer som inneholder 8 protoner i kjernen, har atomnummer 8. De hører til samme grunnstoff. Av atomvekttabellen bakerst i boka ser vi at dette er grunnstoffet oksygen med kjemisk tegn O. Fordi jern er et grunnstoff, inneholder alle atomene samme antall protoner i kjernen. Tabellen viser oss at jern, Fe, har atomnummer 26. Atomnummeret angir antall positive ladninger i kjernen. Jernatomene har 26 protoner i kjernen. Fordi kjernen i et oksygenatom inneholder 8 proto­ ner, må den være omgitt av 8 elektroner, da et atom er en nøytral enhet. Tilsvarende er jernatomets kjerne (med 26 proto­ ner) omgitt av 26 elektroner.

Når to atomer støter mot hverandre, er det elektronene som kommer i kontakt med hverandre. De kan på en eller annen måte bli infiltret i hverandre, og dette kan

Kjemi, kapittel 1

føre til at atomene blir «hengende sammen». På denne måten kan det bli dannet en kjemisk forbindelse. Det er altså elektronene som bestemmer et stoffs kjemiske egenskaper. Atomer med samme atomnum­ mer har samme antall elektroner. De tilhører samme grunnstoff og har helt like kjemiske egenskaper (se definisjon av grunnstoff på side 11). I atomkjernen finner vi også nøytroner. Et atoms massetall er definert som summen av antall protoner og antall nøytroner. Det henger sammen med at et atoms masse hovedsakelig er knyttet til disse kjemepartiklene. Eksempel 3

Finn atomnummeret til svovel. Hvilket massetall har et svovelatom dersom kjernen inneholder 16 nøytro­ ner? Løsning I periodesystemet ser vi at svovel har atomnummer 16, det vil si at atomet inneholder 16 protoner. Massetallet er summen av antall protoner og antall nøy­ troner. Atomet har massetall 32.

Atomkjernene i et grunnstoff inneholder som regel et ulikt antall nøytroner, se figur 1.4. Atomer med samme antall protoner, men ulikt antall nøytroner, blir kalt isotoper. Uran er et grunnstoff med atomnummer 92. Den vanligste isotopen har massetall 238. Disse opplysnin­ gene får vi fram ved å skrive 2^U eller bare U-238. Foran det kjemiske tegnet skriver vi nede på linjen atomnummeret og over linjen massetallet. Atom­ nummeret kan utelates, da dette er bestemt når det kje­ miske tegnet er gitt. Denne isotopen har 146 nøytroner (238 - 92) i kjernen. Eksempel 4

Ved kjemespalting i uranreaktorer dannes en meget farlig isotop av grunnstoffet strontium med massetall 90. Hvordan kan vi, på en kortfattet form, skrive denne isotopen? Løsning Strontium har ifølge atomvekttabellen på innsiden av omslaget bakerst i boka kjemisk tegn Sr og atomnum­ mer 38. Vi kan derfor skrive: liSr. Ofte skriver vi bare Sr-90.

15

Atomenes oppbygning og periodesystemet

Syklotronen ved Fysisk institutt, Universi­ tetet i Oslo. I en syklotron blir ladede partikler aksele­ rert til store hastigheter. Dersom energien (hastigheten) er tilstrekkelig stor, vil partik­ ler som sendes mot atomkjerner, kunne sprenge disse. Studiet av spaltningsproduktene som dannes, gir oss informasjon om atomkjernens oppbygning.

1.5 Oppbygningen av noen enkle atomer Vi vil nå ta for oss noen enkle atomer og vise hvordan de i hovedtrekkene kan tenkes å være oppbygd av ele­ mentærpartikler. La oss starte med det enkleste atomet, atomnummer 1 eller hydrogenatomet. Alle hydrogenkjernene inneholder ett proton, og de

Figur 1.4 Isotoper av hydrogen.

Litium atomnr. 3

er omgitt av ett elektron, se figur 1.4. Men enkelte kjerner inneholder i tillegg ett nøytron, og noen gan­ ske få inneholder to nøytroner. Grunnstoffet hydrogen har altså tre isotoper: lett hydrogen, }H, tungt hydro­ gen eller deuterium, ]H, og tritium, ]H. Tungt hydro­ gen inngår i tungtvann. I det følgende vil vi se bort fra antall nøytroner i kjernen, da de ikke har noen betydning for atomets kjemiske egenskaper. Helium, atomnummer 2, har to elektroner i hovedenerginivå 1 når atomet er i grunntilstanden. Litium, atomnummer 3, har tre elektroner rundt kjernen. Vi plasserer to av disse elektronene i hovedenerginivå 1, og dermed er dette nivået fullt (side 13). Det tredje elektronet må inn i det neste nivået som har ledig plass og lavest energi, det vil si i hovedenerginivå 2, se figur 1.5. Neon, atomnummer 10, har 8 elektroner i hovedenerginivå 2, det vil si fullt nivå.

Neon atomnr. 10

Figur 1.5 Elektronfordelingen for grunnstoffene med atomnummer 3, 10 og 11.

Natrium atomnr. 11

16 Det neste grunnstoffet er natrium, atomnummer 11. Det ekstra elektronet som vi må tilføye når vi øker atomnummeret med én, tilvekstelektronet, må i dette tilfellet inn i det tredje hovedenerginivået, se figur 1.5. Eksempel 5 Nitrogen, N, har atomnummer 7. Tegn en figur som viser elektronoppbygningen.

Løsning 2 elektroner inngår i hovedenerginivå 1. 5 elektroner inngår i hovedenerginivå 2.

Kjemi, kapittel 1

kalles lantanoidene. Den andre begynner med acti­ nium, Ac, og kalles actinoidene. Disse gruppene blir kalt de sjeldne jordmetallene. Den sterkt opptrukne trappelinjen i systemet skiller metallene fra ikke-metallene. Metallene finner vi til venstre og under trappelinjen. Flere av grunnstoffene som ligger langs trappelinjen, er halvmetaller eller metalloider. Dette er stoffer som har egenskaper som ligger mellom dem vi finner hos de to hovedgruppene. Metallene leder som kjent elektrisk strøm, mens ikkemetallene vanligvis er ikke-ledende. Flere av halvmetallene er halvledere, f.eks. silisium, germanium og antimon. Disse elementene er ikke strømledende ved romtemperatur, men er det ved høyere tempera­ tur. Denne egenskapen blir anvendt i elektroniske kretser.

Finn grunnstoffene svovel, S, og kadmium, Cd, i peri­ odesystemet. Er dette metaller eller ikke-metaller? Til­ hører de sidegruppene eller hovedgruppene? Hvilken periode hører de til?

1.6 Periodesystemet Russeren Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev grupperte i 1869 de grunnstoffene som da var kjent, etter økende atomvekt. Han gjorde dette på en slik måte at atomer med tilsvarende egenskaper kom under hverandre. I dag blir systemet ofte presentert på en form som vist på innsiden av omslaget foran i boka. En vertikal kolonne i systemet blir kalt en gruppe. Systemet inneholder 8 hovedgrupper eller kjemiske familier2. Hl til H8. Atomene som står under hverandre i en hoved­ gruppe, har ofte stor likhet i fysiske og kjemiske egen­ skaper; de har felles familietrekk. Systemet inneholder også 8 sidegrupper Sl til S8. De utgjør 10 vertikale kolonner sentralt og noe til venstre på figuren. De horisontale linjene i systemet blir kalt perioder. Periode 1 inneholder bare grunnstoffene hydrogen og helium. Periode 2 begynner med litium og ender med neon. Nederst i systemet er det to rader eller «grupper» av elementer. Den ene begynner med lantan, La, og 2 Hovedgruppene blir ofte betegnet IA til 8A (eller IA til VIIIA) og sidegruppene IB til 8B (IB til VIIIB). I nyere litteratur er det også vanlig å nummerere gruppene fortløpende (uten å ta hensyn til hoved- og sidegrupper) fra 1 til 18.

Løsning Svovel, S, er et ikke-metall i hovedgruppe 6 (H6) og står i periode 3. Kadmium, Cd, er et metall i sidegruppe 2 (S2) i periode 5.

Atomer som står i samme vertikale kolonne i periode­ systemet, har ofte stor likhet i kjemiske egenskaper. Vi har også omtalt at det er en sammenheng mellom et atoms elektronstruktur og dets kjemiske egenskaper (side 14). Derfor må vi også vente at det er en sam­ menheng mellom et atoms plass i periodesystemet og dets elektronstruktur. Vi vil prøve å finne ut mer om dette i det følgende. Vi har tidligere omtalt de såkalte hovedenerginivåene. De kan tenkes å være oppbygd av underenerginivåer (se tabell 1.3 på s. 18).

17

Atomenes oppbygning og periodesystemet

a Elektroner som spinner parallelt

b Elektroner som spinner antiparallelt

Figur 1.7 Samtidig som elektronene er i bevegelse om atomets kjerne, spinner de om sin egen akse. Elektroner kan spinne parallelt, det vil si i samme retning, som vist på figur 1.7 a. Dette markeres som TT. Eller de kan spinne antiparallelt, som vist på figur 1.7 b. Dette markeres som TT.

Orbitaler Hovedenerginivå 1 inneholder bare ett underenerginivå eller én orbital. Denne blir omtalt som en sorbital. I alle de følgende skallene eller hovedenerginivåene (heretter kalt hovednivåer) er det også en s-orbital. For å markere hvilket hovednivå s-orbitalen til­ hører, skriver vi ns, der n er hovednivånummeret. Enhver orbital har plass til to elektroner, og disse må ha motsatt spinn. Et elektrons spinn kan vi tenke oss henger sammen med at det roterer om sin egen akse, liksom jorda roterer om sin akse i banen rundt sola, se figur 1.7. To elektroner som roterer motsatt vei, har motsatt spinn, mens to som roterer samme vei, spinner paral­ lelt. En orbital angir en bestemt energi som to elektro­ ner kan ha i et atom. Dessuten beskriver den et område rundt kjernen hvor vi kan forvente å finne disse elektronene. Erwin Schrbdinger kom i 1926 fram til en differensiallikning, Schrodingers bølgelikning, som beskriver et elektron i et atom. Det er flere løsninger som tilfredsstiller denne likningen. Hver av dem er forbundet med et sett av størrelser som blir kalt kvantetall. De forskjellige sett av kvantetall bestemmer hvilke energier et elektron i et atom kan inneholde. Til hver orbital svarer det altså et sett av kvantetall. Orbitalene, som vil bli omtalt i det følgende, er et uttrykk for (er direkte relatert til) disse kvantetallene. Orbitalmodellen er også blitt tillempet for flerelektronatomer.

Vi har så langt sett at ls-orbitalen har plass til 2 elek­ troner, og at denne orbitalens energi representerer den laveste energien som elektroner kan innta i bane rundt en atomkjerne. Hovednivå 2 inneholder to typer undernivåer eller orbitaler. I tillegg til én s-orbital (kalt 2s) er det tre porbitaler (kalt 2p). De to elektronene som kan inngå i 2s-orbitalen. har nest lavest energi. I de tre 2/?-orbitalene - som har samme energi - inntar elektronene noe

høyere energi enn i 2s-orbitalen. Fordi hver p-orbital har plass til 2 elektroner, gir de tre /^-orbitalene plass til 6 elektroner med samme energi. (De ligger like høyt på figur 1.8.) Til sammen gir hovednivå 2 - med én Is- og tre 2/?-orbi taler - plass til 8 elektroner i overensstemmelse med figur 1.3. Hovednivå 3 inneholder tre typer orbitaler. 1 tillegg til én s-orbital og tre p-orbitaler inneholder det fem d-orbitaler3, merket henholdsvis 3s, 3p og 3d. Dette gir 9 orbitaler (1 + 3 + 5). Da hver orbital kan inne­ holde 2 elektroner, gir de til sammen plass til 18 elek­ troner. Det stemmer med at hovednivå 3 skal kunne inneholde opptil 18 elektroner. Alle de følgende hovednivåene inneholder fem d-orbitaler.

Hvor mange typer orbitaler vil du forvente for hoved­ nivå 4? Dersom det er en ny type orbitaler, hvor mange slike orbitaler vil du i så fall forvente å finne?

Løsning Ut fra det foregående ligger det nær å anta at hoved­ nivå 4 har 4 typer orbitaler. Den siste typen undernivåer blir ktåtf-orbitaler. Totalt kan det i hovednivå 4 være 32 elektroner (2 • 42). Utenom/-orbitalene inneholder nivået én s-, tre p- og fem

Eksempel 11 Hvor mange mol vann er det i 1 liter vann ved 20 °C?

Løsning Tettheten til vann blir satt lik 1,00 g/ml.

Likningen viser at: 1 molekyl 6,022 • 1023 molek. 1 mol

C3H8 vil reagere med 5 molek. O2 C3H8 vil reagere med 5 • 6,022 • 1023 molek. O2 C3H8 vil reagere med 5 mol O2

Dette må være riktig da det er 6,022 • 1023 molekyler i ett mol (og 5 • 6,022 • 1023 molekyler i 5 mol). Reaksjonslikningen viser at for hvert molekyl C3H8 som reagerer, blir det dannet 3 molekyler CO2 og 4 molekyler H2O. Ut fra et tilsvarende resonnement som over gir dette at for hvert mol C3H8 som reagerer, blir det dannet 3 mol CO2 og 4 mol H2O. Dette viser at likningen kan leses slik:

1 mol C3H8 vil reagere med 5 mol O2 og gi 3 mol CO2 og 4 mol H2O.

Men da vil 44,0 g C3H8 (1 mol) reagere med 5 • 32,0 g O2 (5 mol). I så fall er molekylforholdet 1 til 5, og alt vil reagere. Ved reaksjonen blir det dannet 3 • 44,0 g CO2 (3 mol) og 4 • 18,0 g H2O (4 mol). Det er viktig å merke seg at like antall mol innehol­ der det samme antall - molekyler, atomer eller ioner. Mol er et uttrykk for antall. (5 mol inneholder for eksempel 5 ganger så mange molekyler (enheter) som 1 mol.)

46

Kjemi, kapittel 3

La oss summere opp noen viktige poeng. Vi kan lese følgende likning på forskjellige måter: c3h8

propan 1 molek. c3h8 1 mol c3h8 1 ■ 44,0 g c3h8

+5

O23

+ oksygen gir + 5 molek. O2 gir 3 O2 gir 3 + 5 mol + 5 ■ 32g O2 gir 3

CO2 + 4 karbondioksid og molek. CO2 + 4 molek. mol CO2 + 4 mol • 44,0 g CO2 + 4 • 18,0 g

Mg-bånd

h2o

vann H2O h2o

Digel

H2O

Eksempel 12

Hvor mange kilo oksygen går med til å forbrenne 1,00 kg propan? Løsning Reaksjonslikningen viser at:

1 mol 44,0 g 1 g 1000 g

C3 H 8 C3 H 8 C3H8 C3H8

reagerer med 5 mol O2 reagerer med 5 • 32,0 gO2* reagerer med (5 • 32,0/44,0) g O2 reagerer med (5 • 32,0/44,0) • 1000 g O2 = 3,64 kg O2

* (5 mol O2 er lik 5 mol O2 • 32,0 g/mol = 5 • 32,0 g O2) Eksempel 13

Hvor mange kilo vann blir dannet når 1,00 kg propan reagerer?

Løsning Reaksjonslikningen viser at:

mol H2O 1 mol C3H8 gir 4 gH2O 44,0 g C3H8 gir 4-18,0 gH2O 1 g c3h8 gir (4-18,0/44,0) gH2O 1000 g c3h8 gir (4 . 18,0/44,0) • 1000 = 1,64 kg H2O

Blikk av aluminium som tetter åpningen i digelen

Figur 3.1 Termittprosessen. Al-pulver reagerer kraftig med Fe2O3. Det blir dannet flytende jern og AI2O3slagg. På grunn av varmeutvikling smelter blikket i bunnen av digelen, og flytende jern renner ut av digelåpningen. Varmeutviklingen fra reaksjonen mellom Mg og O2 starter reaksjonen. Eksempel 14

Balanser likningen. Vi ønsker å framstille 0,50 kg jern. Hvor mye Al og Fe2O3 må vi blande sammen? Løsning Den balanserte likningen blir: 2 Al + Fe2O3

2 Fe + A12O3

Oppgaven løses ved molberegningsmetoden. Hva jeg mener med dette, vil framgå av det følgende: Fa1 = EFe2o3 = EFe =

27,0 => 27,0 g Al/mol 159,7 => 159,7 g Fe2O3/mol 55,85 => 55,85 g Fe/mol

500 g Fe er lik 500 g Fe/55,85 g/mol = 8,95 mol Fe Vi vil nå studere hva som skjer når Al reagerer med Fe2O3, se figur 3.1. Blandingen kan bli antent med en brennende magnesiumtråd. Reaksjonen kalles termitt­ prosessen. Det blir dannet flytende jern. Reaksjonen har blitt nyttet til sveising (for eksempel av jernbaneskinner). Reaksjonen utvikler mye varme og er et syn verd. (Som forsøk må reaksjonen bli utført med største for­ siktighet, helst utendørs.) Reaksjonslikning: Al + Fe2O3 —> Fe + A12O3

Likningen viser at: for å få 2 mol Fe går det med 2 mol Al for å få 8,95 mol Fe går det med 8,95 mol Al Vi må ha:

8,95 mol Al • 27,0 g/mol = 0,242 kg Al For å få 2 mol Fe medgår For å få 8,95 mol Fe medgår

1 mol Fe2O3 8,95 mol Fe2O3

47

Reaksjonslikninger og beregninger

Vi må ha: 8,95 mol Fe2O3 • 159,7 g/mol = 0,715 kg Fe2O3 For å få dannet 0,50 kg Fe må vi blande 0,24 kg Al med 0,72 kg Fe2OT,.

100 kg sinkoksid blir tilsatt 50 kg karbon. Er det satt til for mye eller for lite karbon?

Løsning

Fc

Molberegningsmetoden - resymé Vi har et visst antall gram av et stoff. Vi begyn­ ner med å gjøre antall gram om til mol. Deretter kan vi ut fra reaksjonslikningen bestemme antall mol av et hvilket som helst annet stoff som inn­ går i reaksjonen. Til slutt gjør vi antall mol av det søkte stoffet om til gram. Noen foretrekker en mer mekanisk løsningsmåte for oppgaver av denne typen. Først må vi i alle fall ha en balansert reaksjonslikning. Under hver formel i likningen setter vi deretter formelvekten multi­ plisert med koeffisienten foran formelen. For ett av stoffene er massen oppgitt. Denne massen i gram skri­ ver vi over formelen for stoffet. Stoffmengden i gram av hvert av de andre stoffene som inngår i reaksjonslikningen, x, y, z, blir satt over formelen for det tilsvarende stoffet: x y 2 Al + Fe2O? 2-27,0 159,7

500 g z 2 Fe + A12O3 2-55,85 102,0

Vi erstatter så formlene med brøkstreker, og tegnene mellom form­ lene med likhetstegn. Vi får da følgende sett av likninger til å be­ regne de ukjente stoffmengdene: x _ y 500g _ z 2 ■ 27,0 " 159,7 " 2 ■ 55.85 “ 102,0

Av dette får vi: x = 500g 2 • 27,0 2 - 55,85

x = 242 Dette er i overensstemmelse med resultatet vi fant ved å bruke mol­ beregningsmetoden.

I de foregående eksemplene forelå stoffene som ble blandet sammen, i slike masseforhold at alt reagerte. Vi vil nå se på et eksempel der dette kravet ikke er oppfylt.

81,4 g ZnO/mol

FZnO = 81,4

= 12,0 => 12,0 gC/mol

Vi har

100-103 gZnO

Vi har

100 ' 103gZnO = ]23 - 103 mol ZnO 81,4 g/mol

som ifølge reaksjonslikningen

vil reagere med dvs. reagere med

1,23 • 103 molC 1,23 • 103 molC • 12,0 g/mol = 14,7 kg C

Alt sinkoksid vil reagere. Det er (50 - 14,7) kg karbon i overskudd.

3.7 Forbindelsers prosentvise sammensetning. Beregning av formler Det er enkelt å finne ut hvor stor prosentvis andel de forskjellige grunnstoffene utgjør i en forbindelse. Eksempel 16

Hvor mange prosent karbon er det i druesukker, c6h12o6?

Løsning 6-Ac = 6- 12,0= 12-AH = 12- 1,0= 6 • Ao = 6- 16,0= fc6H12o6 =

72,0 12,0 96,0 mo

l molekyl druesukker inneholder ifølge formelen 6 atomer C, 12 atomer H og 6 atomer O. Da mol er et uttrykk for antall, viser dette at 1 mol druesukker inneholder 6 mol C, 12 mol H og 6 mol O. Altså inneholder 180 g druesukker (1 mol):

Eksempel 15

Sink kan bli framstilt fra sinkoksid ved følgende reak­ sjon med karbon: ZnO + C -» Zn + CO

72,0 g karbon ( 6 mol C) 12,0 g hydrogen (12 mol H) 96.0 g oksygen ( 6 mol O)

48

Kjemi, kapittel 3

Prosentinnholdet av karbon: 72,0 g-100 180 g

I praksis kan det for eksempel være av verdi å kunne beregne hvor mye metall en malm inneholder. Eksempel 17

Hvilken av de to jernmalmene Fe3O4 (magnetitt) og FeCO3 (jernspat) inneholder mest jern?

analyse). Deretter kan vi bestemme mengden av disse stoffene (kvantitativ analyse). På dette grunnlaget kan vi beregne den enklest ten­ kelige kjemiske formelen for forbindelsen. Eksempel 18 En undersøkelse viser at 22,0 g av et stoff inneholder 11,65 g aluminium og 10,35 g oksygen. Hva er forbindelsens enkleste formel?

Løsning Forbindelsen inneholder: 11,65 g Al

27,0

mol

10,35 gO 16,0

Til venstre magnetitt, til høyre jernspat. Hvilken av disse malmene inneholder mest jern? (Foto: Thore Engebretsen) Løsning

3 -ÅFe = 3-55,85 = 167,6 4 -Ao =4 • 16,0 = 64,0 FFe3o4 =231,6

= 0,431 mol Al (Fki = 27,0)

= 0,647 mol O

(Fo= 16,0)

mol

Forbindelsen har formelen AlnOm. n/m er et uttrykk for antall Al-atomer i forbindelsen dividert på antall O-atomer. Brøken angir samtidig forholdet mellom antall mol Al og antall mol O - da mol er et uttrykk for antall.

n 0,431 1 m ~ 0,647 “1,501

n og m må være hele tall. Men 1,5 er lik 3/2. Dette viser at 231,6 g Fe2O3 (1 mol) inneholder 167,6 g Fe (3 mol). Prosentinnhold av Fe i Fe3O4:

n _J_ _ 2 m 3. 3 2 Forbindelsens enkleste formel er A12O3.

167,6-100/231,6 = 714 AFe Ac 3 ■ Ao ^FeCO3

= = = “

55,9 12,0 48,0 1 15,9

Prosentinnhold av Fe i FeCO3:

55,9- 100/115,9 = 48,2 Magnetitt inneholder langt mer jern (72,4 %) enn jernspat (48,2 %).

Ved en kjemisk analyse kan vi bestemme hvilke grunnstoffer som inngår i en forbindelse (kvalitativ

Eksempel 19 Finn den enkleste kjemiske formelen for et stoff som inneholder: 24,75 % K, 34,77 % Mn og 40,48 % O.

Løsning Formelen for stoffet blir KnMnwO/. Vi skal bestemme n, m og /. 100 g stoff inneholder 24,75 g K, 34,77 g Mn og 40,48 g O. Det gir:

24,75 g K/39,10 g/mol = 0,6330 mol K 34,77 g Mn/54,94 g/mol = 0,6329 mol Mn 40,48 g O/l 6,00 g/mol = 2,530 mol O

49

Reaksjonslikninger og beregninger

Vi ser at: n : m = 0,6330/0,6329 = 1/1 m:l = 0,6329/2,530 = 1/4

n :m: l= 1 : 1 :4

Formelen blir KMnO4 (kaliumpermanganat).

NO. Reaksjonen er endoterm, det vil si at den krever energi. Forbrenning (se også side 139)

Forbrenning av karbon, som er hovedbestanddelen i koks, er også en eksoterm prosess. Ved fullstendig forbrenning blir det dannet karbondioksid:

C + O2 For å kunne bestemme molekylformelen (ikke bare den enkleste kjemiske formelen) må også formelvek­ ten for stoffet bli bestemt. Eksempel 20 Et stoff inneholder 5,927 % hydrogen og 94,07 % oksygen. Formelvekten er funnet å være 34,02. Finn formelen for stoffet.

Løsning Formelen blir HnOm der n : m= 5,927/1,008 : 94,07/16,00 = 5,88 : 5,87 = 1:1

CO2, varme avgitt: 394 kJ1

Dette viser at det blir dannet 394 kJ per mol karbon som brenner, det vil si per 12 gram karbon. Ved en ufullstendig forbrenning blir det dannet karbonmonoksid eller kullos: C + 1/2 O2 —> CO, varme avgitt: 110 kJ

Olje og naturgass består av hydrokarboner. Når et hydrokarbon, for eksempel propan, forbrenner full­ stendig, blir det dannet karbondioksid og vann, samti­ dig blir det utviklet energi: C3H8 + 5 O2 —> 3 CO2 + 4 H2O, varme avgitt: 2050 kJ

Den enkleste formelen blir HO. FH0 = 17,01.

Da formelvekten er 2 • 17,01, må stoffet ha formelen H2O2 (hydrogenperoksid).

3.8 Energiforandringer ved kjemiske reaksjoner Ved en reaksjon blir atomer omgruppert, og samtidig blir det utviklet eller tatt opp energi. Når et magnesiumbånd blir oppvarmet tilstrekkelig, så begynner magnesiumatomer å reagere med oksygenmolekyler, O2, i lufta, og samtidig blir det utviklet energi:

2 Mg + O2 —> 2 MgO + energi Reaksjonen er energiutviklende eller eksoterm. Enkelte reaksjoner binder energi. Ved forbrenning ved høy temperatur vil noe N2 og O2 som er i lufta, reagere og gi nitrogenoksid, NO:

N2 + O2 —» 2 NO, varme opptatt: 180 kJ Likningen viser at ett mol N2 vil reagere med ett mol O2 under forbruk av 180 kJ og danne to mol (60 gram)

Eksoterme reaksjoner er av meget stor betydning for å skaffe energi til oppvarming, transport og produksjon av elektrisk energi. Olje, kull og naturgass sammen­ fatter vi i begrepet fossile energiråstoffer. Disse stof­ fene representerer lagret solenergi. Industrisamfun­ nene baserer sin eksistens på en rikelig tilførsel av disse stoffene, se mer om dette på s. 283.

3.9 Oppsummering Vi begynte dette kapitlet med noen definisjoner. Atommasse er massen av et atom i gram eller i atommasseenheten u (1,66 • 10-24 gram). Formelmassen er lik massen av en formelenhet. Vi finner den ved å summere atommassene til atomene som inngår i formelen. Atomvekten er et atoms relative atommasse. Den blir bestemt i forhold til C-12-isotopens masse, som er blitt gitt atomvekten 12,0000. Atomvekten til et grunnstoff er den gjennomsnitt­ lige atomvekten til grunnstoffets naturlige isotopblanding. 1 Varme avgitt fra et system blir i termodynamikken betraktet som en negativ størrelse, tsH ~ -394 kJ.

50 Formelvekten er lik summen av atomvektene til atomene som inngår i formelen. I en kjemisk reaksjonslikning inngår formlene for reaktantene på venstre side av pilen og formlene for produktene på høyre side. Likningen er balansert når det er like mange atomer av hvert slag på høyre og venstre side av pilen. Et mol er samtidig en stoffmengde - lik formel­ vekten med benevningen gram, og et antall - lik 6,02 • 1023 formelenheter (molekyler, atomer, ioner). Når formelvekten er kjent, vet vi hva et mol er (eks. Fh.,So4= 98,1 =>98,1 g H2SO4/mol). Det er enkelt å regne om gram til mol og omvendt. Det er viktig å holde fast på at mol er et uttrykk for et antall. Dersom for eksempel en reaksjonslikning viser at 3 molekyler av stoff A vil reagere med 1 molekyl av stoff B og gi 5 molekyler av stoff C, betyr det at 3n mol A vil reagere med n mol B og gi 5n mol C (5/z mol inneholder 5 ganger så mange molekyler som n mol). Ved støkiometriske beregninger er van­ ligvis stoffmengden av et stoff bestemt. Vi starter med å gjøre stoffmengden i gram om til mol. Ut fra lik­ ningen framgår det hvor mange mol som medgår eller blir dannet av det stoffet som vi spør etter. Til slutt regner vi dette antall mol om til gram. Når formelen for et stoff er gitt, kan vi beregne stoffets prosentvise sammensetning. Dersom den prosentvise sammensetningen er gitt, kan vi bestemme stoffets enkleste formel. En eksoterm reaksjon utvikler energi, mens en endoterm reaksjon binder energi. I en fullstendig for­ brenning blir det dannet CO2 og H2O. Ved en ufull­ stendig forbrenning blir det også dannet CO. For­ brenning av fossile brennstoffer fører til betydelig luftforurensning.

Kjemi, kapittel 3

Spørsmål og oppgaver 3.1

Hva er forskjellen på atommasse og atomvekt?

3.2

Nitrogen består av 99,64 % N-14 og 0,36 % N-15. Atom­ massen for N-14 er 14,003 u og for N-15 15,000 u. Finn atomvekten for nitrogen.

3.3

Hva er forskjellen på formelmasse og formelvekt?

3.4

Finn formelvekten for CaCl2 CH4, CH3OH, (NH4)9SO4og Mg(H2PO4)2.

3.5

Dersom vi varmer opp en mekanisk blanding av et fint jernstøv, Fe, med svovelpulver, S, vil en sterkt varmeutviklende reaksjon finne sted. Det blir dannet et fast stoff, jemsulfid, FeS. Hva er reaktanter og produkter i dette tilfellet? Skriv reaksjonslikningen.

3.6

Olje og kull inneholder varierende mengder svovel, S. Når disse stoffene blir brent, vil svovelet reagere med oksy­ genet i lufta og danne svoveldioksid, SO2 Denne gassen reagerer over tid med ytterligere oksygen til svoveltrioksid-gass, SO3. Begge de nevnte gassene reagerer med fuktighet, H2O, og gir syrer. Svoveldioksid gir med vann svovelsyrling, H2SO3, og svoveltrioksid gir svovelsyre, H2SO4. Disse syrene er sterkt medansvarlige for at regnet er blitt surere de siste tiårene. Skriv reaksjonslikningene for de fire nevnte reaksjo­ nene.

3.7

Metanol, CH3OH, kan bli tilsatt bensin. Ved fullstendig forbrenning i en bilmotor reagerer metanol med oksygen, O2, til karbondioksid, CO2, og vann, H2O. Skriv en balansert likning for forbrenningen.

3.8

Definer begrepet mol. Er det en masseenhet eller et ut­ trykk for et antall?

3.9

Hvor mange gram er det i 1 mol Fe, 1 mol N2, og 1 mol Fe2O3? Hvor mange enheter, og hva slags enheter, inne­ holder disse stoffmengdene?

3.10 Vis at aluminiumfluorid, A1F3, er bygd opp av ioner. Hvor mange AlF3-enheter og hvor mange F~-ioner er det i 1 mol av stoffet? 3.11 Hvor mange gram er: a) 1 mol natriumklorid (NaCl - vanlig koksalt)? b) 1 mol metanol (CH3OH - tresprit)? c) 1 mol acetylsalisylsyre (CH3COOC6H4COOH - aspirin)? 3.12 Hvor mange mol av den gitte enheten er det i: a) 50,0 g H2SO4 (svovelsyre)? b) 12,3 g Na2CO3 (natriumkarbonat eller soda)? c) 24,85 g C12H22O|] (rørsukker)?

51

Reaksjonslikninger og beregninger

3.13 Hvor mange molekyler vann er det i en vanndråpe? Vi anslår volumet av en dråpe til 0.05 ml. Tettheten for vann setter vi lik 1,00 g/ml. Vi skal senere se at rent vann inneholder 1 • 10~7 mol H+-ioner (eller H3O+-ioner) per liter. Hvor mange H+ioner inneholder vanndråpen? 3.14 Kobberioner er en sterk gift for alger. Tidligere brukte en blåstein, CuSO4 • 5H2O, til å impregnere (beise) fiskegarn for å hindre begroing. Enheten inneholder ett Cu++-ion, ett SO4~~-ion og fem H2O-molekyler. Hvor mange mol Cu++-ioner og hvor mange mol H2Omolekyler inneholder 25,0 g av stoffet?

3.15 Ved oppvarming av kalkstein, CaCO3, dannes brent kalk, CaO, og gassen karbondioksid. CO2:

beregningen er det forutsatt at alt svoveldioksidet rea­ gerer til svovelsyre. Reaksjonslikninger: S + O2 -» SO2 SO2 +|O2 -»SO3 SO3 +H2O ->H2SO4 3.19 Kobbermetall, Cu, reagerer med salpetersyre. HNO3, ifølge likningen:

3 Cu + 8 HNO3

3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

Vi har 100 g kobber og tilsetter 150 g HNO3. Hvilket stoff er i overskudd, og hvor stort er overskuddet i gram?

3.20 Forutsett at bensin inneholder 0,15 g Pb per liter og at det er blitt tilsatt som blytetraetyl, Pb(C2H5)4. Hvor mye av dette stoffet kunne maksimalt bli tilsatt per liter bensin?

CaCO3 -> CaO + CO2 a) Hvor mange mol er det i 1,00 kg CaCO3? b) Hvor mange mol brent kalk blir dannet? c) Hvor mange kilo brent kalk blir dannet? 3.16 Som nevnt i oppgave 3.7 reagerer metanol med oksygen. Reaksjonslikningen blir:

CH3OH +1 O2 -> 2 H2O + CO2 Hvor mye vann og karbondioksid blir dannet når 1.00 kg metanol forbrenner ifølge reaksjonslikningen over?

3.17 Ammoniakk, NH3 er et meget viktig stoff i industrien. Det blir anvendt direkte som gjødsel, men er viktigst som mel­ lomprodukt for framstilling av andre gjødningstoffer o.a. Stoffet blir vanligvis framstilt direkte fra nitrogen, N2, som blir tatt ut av luft, og hydrogen, H2, produsert fra olje eller naturgass: N2 + 3 H2 -> 2 NH3

Hvor mye hydrogen går med for å framstille ett tonn ammoniakk? 3.18 En industribedrift søker om utslippstillatelse for 100 kg svoveldioksid, SO2, per time. a) Utslippet skyldes at de brenner olje med 2,0 masseprosent svovel. Hvor mye olje kan de maksimalt brenne per døgn? b) Hvor mye svovelsyre, H2SO4, blir dannet? For å lette

3.21 Nitrogen er et viktig stoff for planteveksten. Følgende stoffer blir anvendt som handelsgjødsel: Ca(NO3)2 - kalksalpeter NH3 -ammoniakk NH2-CO-NH2 - urea eller urinstoff NH4NO3 - ammoniumnitrat Hvilken masseprosent nitrogen inneholder de fire stof­ fene? Grader dem etter avtakende innhold av nitrogen per masseenhet.

3.22 Hvilket av de to kobbermineralene kobberkis, CuFeS2 og kobberglans, Cu2S, inneholder mest kobber?

3.23 Analyse av vitamin C (askorbinsyre) viser at det innehol­ der 40,91 % C, 54,55 % O og 4,55 % H. Hva er stoffets enklest tenkelige formel? En formelvektsbestemmelse viser at stoffet har formel­ vekten 176,0. Bestem stoffets formel. 3.24 Ved analyse av to forbindelser har vi funnet at de innehol­ der henholdsvis (i masseprosent): a) 40,0 % C, 6,7 % H og 53,5 % O b) 19,3 % Na, 26,9 % S og 53,8 % O

Det første stoffet har formelvekt 180, det andre formelvekt 238. Finn formlene for forbindelsene.

4 Navnsetting

I det foregående har vi i tilknytning til kjemiske form­ ler ofte skrevet navnene på de kjemiske forbindelsene. Vi skal nå se hvordan vi navnsetter uorganiske stoffer. Med uorganiske stoffer mener vi stoffer som ikke inneholder karbon. Noen få karbonforbindelser blir likevel tatt med her, som gassene CO og CO2, samt H2CO3 og saltene av denne syra. Enkelte stoffer har hevdnavn (trivialnavn), som vann, H2O, og ammoniakk, NH3. Men alle stoffene har systematiske navn som er satt opp etter bestemte, relativt enkle regler. Det kjemiske navnet skal gi uttrykk for hvilke ato­ mer som inngår i forbindelsen, og antall atomer.

4.1 Binære forbindelser Et stoff som består av bare to grunnstoffer, blir kalt en binær forbindelse. Hovedregelen for navnsetting av slike stoffer er: Først angir vi det minst elektronegative elementets navn på norsk. Dette elementet er ofte hydrogen eller et metall. Deretter følger stammen i det andre grunn­ stoffet, eller hele grunnstoffnavnet, med endelsen -id. Eller sagt på en annen måte: Først angir vi navnet på elementet til venstre i formelen (det er minst elektronegativt), deretter navnet til det andre elementet (eller stammen av dette) med endelsen -id. Eksempel 1 Skriv navn på følgende forbindelser: HF, KC1, BaBr2, CaSe, MgO, NaH, K2S, BN og BrCl

Løsning HF Det første, og minst elektronegative elementet, er hydrogen (XH = 2,1). Det andre er fluor (XF = 4,0).

Navn: Hydrogen-fluor-id Kalium-klorid Barium-bromid Kalsium-selenid Magnesium-oksid (tidligere -oksyd) Natrium-hydrid Kalium-sulfid1 Bor-nitrid Brom-klorid (XBr = 2,8, XC1 = 3,0)

HF KC1 BaBr2 CaSe MgO NaH K2S BN BrCl

4.2 Forbindelser mellom metall og syrerest Et metallion (f.eks. Na+) eller ammoniumion, NH4+, kan erstatte hydrogen i en syre. Forbindelsen som fram­ kommer, kaller vi et salt. For å kunne lage formlene for saltene må du kjenne formlene for syrene (se kapit­ tel 8). Syreresten bestemmer saltets navn, se tabell 4.1. Flere av forbindelsene over kan bli betraktet som salter av binære syrer. Syre

Formel

Navn

HF HCI HBr Hl H2S H2Se

hydrogen-fluor/d hydrogen-klor/d hydrogen-brom/d hydrogen-jod/d (di) hydrogen-sulf/d (di) hydrogen-selen/d

Syrerest

Salt

FCF Br F S“ Se-

fluor/d klor/d brom/d jod/d sulf/d selen/d

Tabell 4.1 Formler og navn for noen vanlige binære syrer. Syreresten bestemmer saltets navn. Når saltet kan tenkes å være dannet av en binær syre, ender navnet på -id. Bindestrekene blir her påført for at du lettere skal se hvordan navnet er oppbygd. 1 For svovel er det stammen i navnet sulfur som er brukt.

53

Navnsetting

Vi vil nå ta for oss de såkalte oksosyrene, det vil si de syrene der oksygen er bundet til et ikke-metall for­ skjellig fra hydrogen.

Syre Formel

Navn

H2SO4 H2CO3 h3po4 HCIO3 HNO3

svovel -syre karbon-syre fosfor-syre klor-syre salpeter-syre

Syrerest

Salt

SO4“ CO3-po43CIO3NO3-

sulfat karbonat fosfat klorat nitrat

HNO3 har et trivialnavn. Syra er et viktig mellom­ produkt ved framstillingen av gjødningstoffet kalksalpeter og har fått sitt navn av dette. Den burde hett nitrogensyre. Saltenes navn blir bestemt av syreresten. Navnet til det sentrale elementet eller stammen av det med endelsen -at bestemmer saltnavnet, se tabell 4.2. Oksosyrer som har ett oksygenatom mindre enn den vanlige syra, får endelsen -syrling. Saltene får endelsen -itt, se tabell 4.3. Syre

Tabell 4.2 Formler og navn på de vanligste oksosy­ rene. Saltnavnene som kommer av disse syrene, ender på -at. Disse viktige syrene bærer navnet til det sentrale ele­ mentet med endelsen -syre.

Formel

Navn

H2SO3 H3PO3 hcio2 hno2

svovel -syrling fosior-syrling Mot-syriing sa\pei.er-syrling

Syrerest

Salt

SO3" PO33CIO2NO2-

sulf/tt fosf/tt* klor/tt nitr/tt

* Foreligger sannsynligvis bare som HPO3~_ og H2PO3_.

Tabell 4.3 Formler og navn på noen oksosyrer som har ett oksygen mindre enn den tilsvarende vanligste oksosyra. Saltene av disse syrene har navn som ender på -itt. Eksempel 2

Sett navn på stoffene: LiNO3, Na2CO3, A12(SO4)3, K2SO3 og Ca(NO2)2

Noen vanlige syrer.

(Foto: Thore Engebretsen.)

Løsning LiNO3 Na2CO3 A12(SO4)3 k2so3 Ca(NO2)2

litium-nitrat natrium-karbonat aluminium-sulfat kalium-sulfitt kalsium-nitritt

Eksempel 3 Skriv formelen for følgende stoffer: a) bariumnitrat, b) kalsiumfosfat, c) kaliumkarbonat,

d) sinksulfat

Kjemikalieflasken er merket med faresymboler og inn­ hold av uvedkommende stoffer. (Foto: Thore Engebretsen.)

Løsning a) Barium gir ionet Ba++ (hovedgruppe 2) Nitrationet: NO3“ For hvert Ba++-ion må vi ha to NO3~-ioner for at forbindelsen skal bli nøytral. Bariumnitrat: Ba(NO3)2 b) Kalsium gir ionet Ca++ (hovedgruppe 2) Fosfationet: PO43-

54

Kjemi, kapittel 4

3 Ca++-ioner har ladningen +6. Vi må koble dette til 2 PO43~-ioner, da dette gir ladningen -6 og ladningsbalanse. Kalsiumfosfat: Ca3(PO4)2 c) Kaliumionet: K+ Karbonationet: CO3 . Kaliumkarbonat: K2CO3

d) Sinkionet: Zn++ Sulfationet: SO4“. Sinksulfat: ZnSO4

Forbindelser mellom ikke-metaller For forbindelser mellom ikke-metaller er det vanlig å angi hvor mange atomer av hvert slag som inngår. Disse tallene er gitt som indekser bak atomsymbolene i formlene for stoffene. I N2O5 er indeksene 2 og 5. De viser at molekylet inneholder 2 N-atomer og 5 O-ato­ mer. Antall atomer blir uttrykt i greske tall. De første tallene på gresk er:

1 - mono 3 - tri 2-di

4.3 Forbindelser der det inngår et element som kan ha forskjellige oksidasjonstall Metallene i hovedgruppene 1,2 og 3 danner ioner som har ladning eller oksidasjonstall henholdsvis +1, +2 og +3 (for eksempel Na+, Mg++, Al3+). Mange andre grunnstoffer kan opptre med forskjel­ lig valens eller oksidasjonstall. Begrepet oksidasjons­ tall vil bli definert senere (side 109). Foreløpig kan du ta disse tallene ut av periode­ systemet, se innsiden av omslaget foran i boka. Du finner dem over det kjemiske tegnet. For eksempel kan bly ha valensene +2 og +4 (Pb++ og Pb4+), jern valensene +2 og +3 (Fe++ og Fe3+), osv. Vi må derfor ha en måte å angi hvilket oksidasjonstrinn elementet har i forbindelsen. Du kan for eksem­ pel ikke bare bestille jemklorid i et kjemikaliefirma. Det må framgå om du ønsker FeCl2 eller FeCl3!

Forbindelser mellom et metall og et ikke-metall eller en syrerest For å angi oksidasjonstallet skriver vi et romertall etter metallet. Men denne skrivemåten blir bare benyt­ tet dersom ionet kan ha flere valenser. Eksempler FeCl? Jern(IIjklorid FeCl3 Jern(IlI)klorid Cu2O Kobber(I)oksid2 CuO Kobber(II)oksid

(inneholder Fe++) (inneholder Fe3+) (inneholder Cu+) (inneholder Cu++)

2 Metallionets valens finner du ved å ta det for gitt at oksygen i for­ bindelser har oksidasjonstallet -2.

5 - penta 7 - hepta

4 - tetra 6 - heksa 8 - okta

9 - nona 10 - deka

Mono blir ikke brukt dersom det første elementet i formelen inngår med ett atom. Eksempler N2O h+ + hso4-» H+ + SO4~

hso4-

Salter som inneholder HSO_f, blir kalt hydrogensulfater. Fosforsyre er en treverdig eller treprotisk syre. Den kan spalte av ett, to eller tre protoner:

H3PO4 -» H+ + H2PO4h2po4- -» H+ + HPO4hpo4— -> H+ + PO43Saltene som inneholder H2PO4 , blir kalt dihydrogenfosfater.

55

Navnsetting

Saltene som inneholder HPO4 , blir kalt hydrogenfosfater.

Sett navn på stoffene gitt ved formlene: KHSO4, A1(H2PO4)3 og Li2HPO4 Løsning KHSO4 kalium-hydrogensulfat (K+ og HSO4“) A1(H2PO4)3 aluminium-dihydrogenfosfat (Al3+ og H2PO4-) Li2HPO4 litium-hydrogenfosfat (Li+ og HPO4__) Kanskje lurer du på hvorfor det ikke heter litium(I)hydrogenfosfat. Litium har alltid valensen +1. Derfor må det alltid være to litiumioner knyttet til ett HPO4_“-ion. Angivelse av oksidasjonstall blir bare påført når det kan være tvil.

En viktig stoffgruppe er hydroksidene. De er karakte­ risert ved at de inneholder ett eller flere OH -ioner.

Skriv navnet til stoffene gitt ved formlene: KOH, Ba(OH)2, Fe(OH)3 og NaOH Løsning KOH kalium-Mv/røTsvO Ba(OH)2 barmm-hydroksid Fe(OH)3 ]em(\l[)-hydroksid NaOH nathum-hydroksid

Binære forbindelser inneholder to grunnstoffer. De navnsettes ved først å nevne navnet på det minst elek­ tronegative elementet i formelen, og deretter navnet på det andre elementet, eller stammen av dette, med endelsen -id (eks. BaBr2, barium-brom-id). Salter er forbindelser mellom et metallion (eller NH4+) og en syrerest. De vanligste oksosyrene får navn etter det sentrale elementet med endelsen -syre (eks. HC103, klor-syre). For et salt angir vi metallet (eller ammonium) etter­ fulgt av navnet på syreresten. Syrerestens navn er bestemt av navnet til det sentrale elementet, eller stammen av navnet, med endelsen -at (eks. NaClO3, natrium-klorat). Noen elementer danner flere oksosyrer. Den syra

som har ett oksygen mindre enn den vanligste syra, får endelsen -syrling, og saltene får endelsen -itt (eks. NaC102, natriumklor-itt). Mange metaller kan opptre med forskjellige oksi­ dasjonstall i forbindelser. Oksidasjonstallet skal da markeres i navnet for stoffet (eks. MnCl2, mangan(II)klorid). To ikke-metaller kan ofte danne flere forbindelser med hverandre. Vi skiller dem da fra hverandre ved å oppgi hvor mange atomer (med greske tall) som inn­ går i forbindelsen (eks. N2O3, di-nitrogen-tri-oksid). Flerprotiske syrer kan danne forbindelser der ett eller flere protoner inngår i syreresten (eks. NaHCO3, natrium-hydrogenkarbonat). Hydroksider er stoffer som inneholder OH-ioner (eks. KOH, kalium-hydroksid).

Spørsmål og oppgaver 4.1

Sett kjemisk navn på disse forbindelsene: CaF2, BaCb, SrS, Nal. KH, K2O og A12O3

4.2

Hvilke ioner inngår i forbindelsene: MgCO3, Sr(NO3)2, K3PO4, Na2SO3, BaSO4 NaC103 og Ca(NO2)2? Skriv formlene for ionene og sett navn på dem. Sett også navn på forbindelsene.

4.3

Gitt følgende stoffer med deres trivialnavn: NaCl - koksalt, K2CO3 - pottaske, Na2CO3 - soda, CaCl2 - veisalt, NaNO3 - chilesalpeter. Skriv stoffenes systematiske navn.

4.4

Skriv kjemisk navn på stoffene gitt ved formlene: a) CuCl2 Fe2(SO4)3, MnO2. MnBr2, CaBr2, SO3, P2O5, N2O4, CO, KOH og (NH4)2SO4 b) NaHCO3, Ca(H2PO4)2, Mn(HSO4)2 og A1(HSO4)3

4.5

Skriv formlene for følgende stoffer: kaliumklorid, kalsiumklorid. kadmiumsulfid, magnesiumkarbonat, aluminiumfluorid, diklorheptoksid. jem(III)sulfat, jerndl jhydrogensulfat.

4.6

Kombiner følgende ioner til flest mulig kjemiske forbin­ delser: K+, Fe++, Al3+, SO4--, H2PO4Sett navn på forbindelsene.

5 Løsninger

Både på kjemilaboratoriet og i industrien blir det ofte nyttet løsninger. Vann er det absolutt vanligste løse­ middelet. Også i naturen finner vi løsninger. For eksempel er ferskvann og sjøvann løsninger.

I det følgende vil vi først definere begrepet løsning og omtale hvordan vi kan angi en løsnings styrke. Løsninger av kjent styrke er spesielt egnet som rea­ genser ved kjemisk analyse. Det vil vi illustrere med et par eksempler. Vi skal også vise hvordan løsninger av bestemt styrke kan lages.

5.1 Definisjon. Forskjellige typer løsninger Når vi tar litt sukker i vann, ser vi at det hvite stoffet blir oppløst. Vi får en vannklar blanding som innehol­ der sukkermolekyler fordelt mellom vannmolekylene. Rører vi i blandingen, blir fordelingen ensartet. Per volumenhet er det like mye sukker overalt i væsken. Blandingen er da homogen.

En homogen blanding av to eller flere stoffer blir kalt en løsning. Løsninger kan oppstå ved sammenblanding av for­ skjellige faser, se tabell 5.1.

I det følgende vil vi hovedsakelig omtale vannløsninger, det vil si løsninger der vann er løsemiddelet. Stoffene som blir løst, kaller vi de løste stoffene.

Til vanlig nytter vi ofte masseprosent, som angir hvor mange gram av et stoff som er løst i 100 g løsning.

Kom­ Kom­ ponent 1 ponent 2 Løsningen Eksempel væske

væske

væske

gass væske fast stoff væske

væske væske

gass gass væske fast stoff

gass fast stoff fast stoff fast stoff

gass fast stoff fast stoff fast stoff

C2H5OH + H2O (alkoholholdige drikker) CO2 + H2O (i brus) NaCI + H2O (saltløsning) N2 + O2 (luft) H2 løst i Pt-metall Hg + Ag (i amalgam) Cu + Sn (i bronse)

Tabell 5.1 Eksempler på løsninger av to komponenter. Eksempel 1 150 g NaCI blir løst i vann og fortynnet til 1,00 liter løsning. En måling viser at væsken har tetthet 1,10 g/ml. Hvor mange masse­ prosent NaCI inneholder løsningen?

Løsning e i 1,10^- • 1000 ml I løsning inneholder 150 g NaCI, det vil si

1100 g løsning inneholder 1 g løsning inneholder 100 g løsning inneholder

150 150/1100 (150/1100) • 100

gNaCI gNaCI g NaCI

Masseprosent NaCI i løsningen: 13,6

I kjemilaboratoriet er det vanlig å nytte vannløsninger. Dersom stoffet er løselig, kan vi lage en løsning av kjent styrke. Når vi måler ut et nøyaktig volum av denne løsningen, så inneholder den en bestemt stoff­ mengde. Det er oftest enklere å måle ut et volum løs­ ning enn å veie ut en bestemt stoffmengde. For å kunne foreta nøyaktige volummålinger nytter vi pipetter, byretter eller målekolber, se figur 5.1.

57

Løsninger

Løsning 1 1(1000 ml) inneholder 0,1000 . 1

. ml

20,5 ml

mol H2SO4

, ., 0,1000 inneholder 1000

inneholder

1000

mol H2SO4

• 20,5 mol H2SO4 z

= 0,00205 mol H2SO4 = 0,00205 mol H.SO4 • 98,1 z 4 mol = 0,201 g H2SQ4

*Fh2so4= 98,1 => 98,1 g H2SQ4/mol Figur 5.1 Pipette, byrette og målekolbe er utstyr som blir nyttet til å måle ut et bestemt volum væske.

5.2 Molare løsninger Kjemikerne foretrekker å angi en løsnings styrke eller konsentrasjon som molaritet. Molaritet er et uttrykk for antall mol av et stoff som er løst i 1 l løsning. Konsentrasjonen oppgis som 0,1 M, 1 M, 12,4 M osv., der M står for antall mol per liter. Eksempel 2 Hvordan kan vi lage 1,00 liter 1,00 molar (1,00 M) Na2CO3-løsning?

Titrering I eksempel 4 skal vi se hvordan vi kan bestemme mengden av et metall i en prøve. I analysen vil vi bruke en løsning med kjent styrke og vise hvordan vi foretar beregningen. Eksempel 4

Jemmengden i en prøve blir bestemt ved å løse prøven i en syre og overføre jernet til jem(II)sulfat, FeSO4. Vi har jemforbindelsen i en kolbe og tilsetter litt svovelsyre, H2SO4. Fra en byrette tilfører vi 0,100 M KMnO4 til kolben, se figur 5.2.

Løsning 1,00 molar vil si 1,00 mol Na2CO3 per liter løsning.

Vi må veie ut:

1,00 .m-ol_^-a-2-0-3 • 1,00 1 = 1,00 mol Na,CO3 1 ^Na2co3 = 106,0 => 106,0 g Na2CO3/mol

Vi må veie ut 106,0 g tørr Na2CO3. FeSO4-løsning tilsatt syre

Denne stoffmengden (1 mol) tømmer vi i en 1 liter målekolbe og tilsetter vann. Vi rister blandingen til alt stoffet er løst. Så fyller vi på vann nøyaktig til merket for 1 1 på målekolben. Til slutt rister vi godt for å få en homogen blanding. Eksempel 3 Hvor mange gram H2SO4 inneholder 20,5 ml av en 0,100 M H2SO4-løsnmg?

Magnetisk rørepinne Magnetrører

Figur 5.2 Titrering. I kolben har vi en ukjent mengde FeSO4. Vi tilsetter under omrøring fiolettfarget KMnO4løsning inntil alt FeSO4 i kolben har reagert. Ytterligere tilsats av KMnO4 vil føre til at løsningen blir farget fiolett.

58

Kjemi, kapittel 5

Følgende reaksjon1 finner sted:

10 FeSO4 + 2 KMnO4 + 8 H2SO4 -> 5 Fe2(SO4)3 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 8 H2O KMnO4 gir i vann en intens fiolett farge. De andre stoffene gir lite farge til løsningen.

Ved reaksjonen reagerer altså FeSO4 med tilsatt KMnO4 til nesten fargeløse forbindelser. Men når det ikke er mer FeSO4 igjen, skifter løsningen plutselig farge til fiolett2. Det skyldes at tilsatt KMnO4 ikke har noe stoff å reagere med og gir sin farge til løsningen i kolben. Ved et forsøk skjer dette etter tilsetning av 32,1 ml 0,100 M KMnO4-løsning. Hvor mye jern var det i prø­ ven? Løsning I prøven var det nok jern til å reagere med 32,1 ml 0,100 M KMnO4-løsning, som inneholder:

^7555^ mol KMnO4 = 0,00321 mol KMnO4 Reaksjonslikningen viser at: 1 mol KMnO4 reagerer med 5 mol FeSO4 0,00321 mol KMnO4 reagerer med0,00321 • 5 mol FeSO4 1 mol FeSO4 inneholder 1 mol Fe (jern) 0,01605 mol FeSO4 inneholder 0,01605 mol Fe

Vi kan lage en standardløs­ ning ved å bruke en plasteller glassampulle. Av det foregående forstår du kanskje hvorfor det er praktisk å nytte molare løsninger i arbeidet med kje­ miske reaksjoner. Du kan lage mange forskjellige løsninger av opp­ gitt styrke ut fra konsentrerte løsninger på ampuller. Slike ampuller kan du få kjøpt i et kjemikaliefirma eller kanskje på apoteket. En ampulle inneholder en bestemt kjemikaliemengde. På etiketten står det hvor mye rent vann du må tilsette for å få en løsning av opp­ gitt styrke, vanligvis 1 M eller 0,1 M. Sørg for å spyle all væsken i ampullen ned i målekolben. Husk å riste kolben godt til slutt slik at blandingen blir homogen.

FFe - 55,85 => 55,85 g Fe/mol

I kolben var det:

0,01605 mol Fe • 55,85 g/mol = 0,896 g Fe

Ved titrering går vi vanligvis fram på følgende måte: I byretten har vi en løsning med kjent styrke. Når vi vet hvor mange milliliter løsning som har medgått i reaksjonen, er det enkelt å beregne hvor mange mol tilsatt stoff dette tilsvarer. Ut fra reaksjonslikningen finner vi hvor mange mol det er av det stoffet som vi skal bestemme mengden av. Til slutt regner vi dette antallet mol om til gram.

5.3 Fortynning Et gitt antall mol av et stoff er løst i vann i en behol­ der. Dersom rent vann blir tilsatt, endres løsningens konsentrasjon. Men antall mol av det løste stoffet blir ikke endret. Antall mol av det løste stoffet før det blir tilsatt vann, er lik antall mol av det løste stoffet etter at det ble tilsatt vann. Eksempel 5 Gitt 3,0 liter 4,0 M NaOH-løsning. Vi ønsker å lage en løsning som er 1,2 M. Hvor mye vann må vi tilsette?

Løsning Vi må tilsette x 1 vann. Antall mol NaOH i løsningen før vann ble tilsatt: 1 Hva som skjer i reaksjonen, vil bli forklart på s. 111. 2 Tilsetning av litt fosforsyre gjør omslaget skarpere.

4,0 mol NaOH/1 • 3,0 1

59

Løsninger

5.4 Andre konsentrasjonsenheter

@ Før vann blir tilsatt

(3) Etter at vann er blitt tilsatt

Figur 5.3 Fortynning. Antall mol NaOH i utgangsløsningen (4,0 • 3,0 mol) er lik antall mol NaOH i sluttløsningen (1,2 • (3 + x) mol).

Antall mol NaOH i løsningen etter at vann ble tilsatt: 1,2 mol NaOH/1 • (3 + x) 1 Antall mol NaOH som er oppløst, blir ikke endret ved tilsetning av vann. 4,0 • 3 mol NaOH = 1,2 • (3 + x) mol NaOH x = 7,0

Vi må tilsette 7,0 1 vann. Eksempel 6 Konsentrert saltsyre (kone. HC1) som vi har kjøpt i et kjemikaliefirma, er 12,4 M. Hvor mange milliliter må vi ta av denne syra for å lage 5,00 liter 0,100 M HC1løsning?

Løsning Sluttløsningen inneholder:

0,100 mol HCl/1 • 5,00 1 = 0,500 mol HC1

Vi må ta ut x 1 kone. HC1 som inneholder: 12,4 mol HCl/1 • x 1 = (12,4 • x) mol HC1

Antall mol HC1 i sluttløsningen = antall mol HC1 i x 1 konsentrert løsning. 0,500 mol HC1 = (12,4 • x) mol HC1 x = 0,0403 (1)

Vi må ta ut 40,3 ml kone. HC1.

Mange forskere er sterkt opptatt av de såkalte mikroforurensningene. Dette er små mengder av giftige metaller eller organiske stoffer som blir spredd i natu­ ren. Blant metallene har særlig kvikksølv, bly og kad­ mium vært i søkelyset. Fordi det her dreier seg om svært små mengder, er det naturlig å bruke andre enheter for konsentrasjon enn de som er angitt tidligere. Det er vanlig å angi mengden av slik forurensning som: ppm (parts per million), dvs. deler per million, eller ppb (parts per billion), som på norsk blir deler per mil­ liard. Betegnelsene defineres forskjellig, avhengig av om de blir nyttet i forbindelse med gasser eller væsker og faste stoffer. For gasser gir størrelsene uttrykk for antall mole­ kyler av det aktuelle stoffet i en million, henholdsvis i en milliard, gassmolekyler. Eksempel 7

2,0 m3*luft er forurenset med 5,0 cm3 av en svært gif­ tig gass. Hvor mange ppm giftig gass inneholder lufta? Løsning Ifølge Avogadros lov inneholder like volumer av for­ skjellige gasser like mange molekyler ved samme trykk og temperatur (side 62). Ved gitt trykk og temperatur inneholder en vilkår­ lig gass n molekyler per cm3. Forholdet mellom antall molekyler giftgass og antall molekyler luft:

5,0 cm3 ■ n molekyler/cm3 _ 2,5 molekyler = 2,5 ppm 2,0 ■ 106 cm3 • n molekyler/cm3 ~ 106 molekyler Av dette framgår det at: ppm er et uttrykk for antall cm3 av en gass per m3 luft.

1 ppm -

1 volumprosent = 10 000 ppm.

For væsker og faste stoffer angir størrelsene antall gram av det aktuelle stoffet i en million, henholdsvis en milliard, gram av prøven.

60

Kjemi, kapittel 5

Eksempel 8 I Minamata og Niigata i Japan ble for noen tiår siden mer enn 1000 mennesker forgiftet av kvikksølv. Mange døde, andre ble alvorlig skadet. Årsaken til skadene var det høye innholdet av metylkvikksølv (CH3Hg+) i fisk. En analyse viste 39 mg Hg per kg fiskekjøtt. Hvor mange ppm Hg inneholdt denne fisken?

Løsning 39 mg Hg i 1 kg fiskekjøtt. Da 1 kg = 103 g = 106 mg, vil det si 39 mg Hg i 1 mil­ lion mg kjøtt. Altså 39 deler i 1 million deler.

Fisken inneholdt 39 ppm Hg. Dioksinforgiftede dyr etter Seveso-ulykken. (Foto: NTB.)

Vi ser av ovenstående at når væsker og faste stoffer inngår, er mg/kg og ppm ekvivalente størrelser.

Dette tilsvarer 1 g dioksin i 1 milliard g kjøtt.

Marsvinet ble drept av en dose på 1 ppb.

5.5 Oppsummering

KvikksøIvforgiftet japansk pike. Eksempel 9 Dioksin er et svært giftig stoff. Ved en Seveso i Italia i 1976 ble 2-3 kg av spredd ut over et større område. Ved et forsøk ble et marsvin drept av sin. Hvor stor dose er dette i ppb? La oss av marsvinet til 100 g.

Løsning massen av dioksin massen av kjøtt

107g 100g

(Foto: NTB.)

eksplosjon i dette stoffet I0 7 g diok­ anslå vekten

10 7 - 107 g lg 102 - 107 g -109g

En løsning er en homogen blanding av to eller flere stoffer. De vanligste løsningene er vannløsninger. Da er vann løsemidlet, og det stoffet som blir løst, kalles det løste stoffet. Masseprosenten angir antall gram av et stoff som er løst i 100 g løsning. I kjemien er det vanligere å angi konsentrasjonen som molaritet, det vil si antall mol av et stoff som er løst i 1 1 løsning. 1,0 M betyr 1,0 mol løst per liter. Det er enkelt å måle ut en bestemt stoffmengde når løsningens styrke er gitt. Skal vi lage mer fortynnede løsninger, baserer vi beregningen på at antall mol av det løste stoffet er det samme før og etter tilsetningen av vann. For mikroforurensninger nytter vi størrelsene ppm, parts per million, og ppb, parts per billion (det vil si per milliard).

Løsninger

Spørsmål og oppgaver

61 5.10 Vi skal lage 2,0 1 av en 0,100 M KOH-løsning. Til rådig­ het har vi en 5,00 M KOH-løsning. Hvordan bør vi gå fram?

Hvor mye NaCl må vi veie ut dersom vi ønsker å lage 0,500 1 1,00 M løsning? Forklar hvordan du vil lage løsningen.

5.11 Finn molariteten i den løsningen vi får når vi blander 250 ml 0,200 M HC1 med 350 ml 0,100 M HC1.

5.2 Saltsyre blir laget ved å løse hydrogenkloridgass, HC1, i vann. Hva blir molariteten av løsningen når 18,23 g HC1 blir løst i vann til 1,000 1 løsning?

5.12 Vi har 2,00 1 1,5 M HCl-løsning og skal lage 20 1 1,0 M HC1. Det er ikke nok å fortynne løsningen med vann. Vi tilsetter også konsentrert saltsyre, dvs. 12,4 M HC1. Hvor mye må vi tilsette av denne syra?

5.3

Finn løsningens molaritet når: a) 4,00 g Na2CO3 blir løst i vann til 0,500 1. b) 2,73 g SrSO4 blir løst i vann til 0,431 1. c) løsningen inneholder 16,0 masseprosent NaOH og den har tetthet 1,184 g/ml. d)* løsningen inneholder 96,0 masseprosent H2SO4 og den har tetthet 1,84 g/ml.

5.13 Etiketten på en flaske konsentrert svovelsyre viser at syreløsningen har tetthet 1,84 g/ml og at den inneholder 96,4 masse-% H2SO4. dvs. 96,4 g H2SO4 per 100 g løsning, a) Finn syras molaritet. b) Hvor mange milliliter av denne syra må vi ta ut dersom vi ønsker å lage 0,50 1 0,1 M H2SO4?

5.4

a) Hvor mange milliliter 0,500 M H2SO4-løsning må vi måle ut for å få 0,235 mol H2SO4? b) Hvor mange milliliter 6,00 M KOH må vi måle ut for å få 0,45 mol KOH?

5.5

30,00 g FeSO4 • 7H2O blir løst i så mye vann at løsningen blir 0,42 M. Hva er løsningens volum?

5.6

20,0 g Ca(NO3)2 og 0,15 mol A1(NO3)3 blir løst i vann og fortynnet til 300 ml løsning. Hva er molariteten med hensyn på Ca++, Al3+ og NO3~?

5.7

Saltsyre, HC1 + H2O, reagerer med natriumhydroksid, NaOH, ifølge likningen:

5.1

HC1 + NaOH -» NaCl + H2O Hvilken konsentrasjon har syra når 5,00 1 reagerer med 1,20 kg NaOH?

5.8 Et vaskemiddel inneholder ammoniakk, NH3. Vi kan be­ stemme mengden ved å titrere dette stoffet med saltsyre. Følgende reaksjon finner sted: NH3 + HC1 -> NH4C1

En 25,0 ml prøve av vaskemidlet reagerer med 27,2 ml 0,100 M HC1. Hvor mange gram ammoniakk inneholdt vaskemidlet per liter?

5.9 Vannet som dreneres fra en gruve, er surt på grunn av svo­ velsyre. For å bestemme syreinnholdet ble en prøve på 50,0 ml titrert mot 0,215 M Na2CO3. Følgende reaksjon finner sted: H2SO4 + Na2CO3 -> Na2SO4 + H2O + CO2 Til reaksjonen gikk det med 18,3 ml Na2CO3-løsning. Hva var konsentrasjonen av H2SO4 i vannet fra gruven? Vi for­ utsetter at vannet ikke inneholder andre syrer.

5.14 Den dosen som dreper 50 % av forsøksdyrene i en test, blir betegnet LD50. (LD står for «lethal dose».) Den uttrykkes vanligvis som milligram av giftstoffet per kilogram kroppsvekt. For koffein, CgH10N4O2, er LD50 for rotter 200 mg/kg ved inntak gjennom munnen. Hvor mange milliliter av en 0,15 M koffeinløsning må en 400 grams rotte tilføres for å få en LD50-dose? 5.15 Forutsett at 5 ppb dioksin er dødelig dose for mennesker. Hvor mange mennesker kan teoretisk bli drept av 1,00 kg dioksin? Gjennomsnittsvekten forutsettes å være 70 kg.

5.16 CO2-innholdet i lufta har økt fra 280 ppm i førindustriell tid til 360 ppm i 1995. Hvor stor er økningen i prosent? Hva innebærer det - uttrykt i antall molekyler - at lufta inneholder 360 ppm CO2?

6 Gasser

Ett mol av forskjellige gasser har ved samme tempera­ tur og trykk tilnærmet samme volum. I det følgende vil vi bestemme dette volumet for en ideell gass ved normalbetingelser, det vil si 1 atmosfæres trykk og 0 °C, ved å nytte tilstandslikningen. Dette gir oss grunnlaget for å beregne tilnærmet tettheten av gasser. Vi skal se at det er en enkel sam­ menheng mellom gassers tetthet og deres formelvekt. Hvordan gasslovene kan brukes i beregninger, vil bli omtalt i forbindelse med et forsøk.

P 1 mol • 0,08206 ^4^7 • 273,15 K mol • K . ------------------ -----------------------------= 22,414 1 1 atm Eksempel 1 I en kolbe, se figur 6.1, har vi 0,2025 g av en blanding av CaCO3 og A12O3. Den lille plastsylinderen innehol­

der 5 ml 2 M HC1. Væskenivået i byretten er innstilt på nullmerket når trykket inni beholderen er lik luft­ trykket - i dette tilfellet 1,008 bar.

6.1 Avogadros lov. Molvolum Avogadros lov: Like volumer av forskjellige gasser inneholder like mange molekyler ved samme trykk og temperatur.

Glassrør

Klemme

Vann

I fysikken ble en ideell gass definert. Det er en gass som følger tilstandslikningen:

HCI

CaCO3 og AI2O3

Byrette —

pV=nRT ------ Gummislange

der p er trykket i Pa (= N/m2), V er volumet i m3, n er antall mol gass, gasskonstanten R = 8,314 J/(mol • K), og T er temperaturen i kelvin. I praksis er det enklere å regne trykket i atmosfærer (1 atm = 1,013 • 105 N/m2), volumet i liter, stoffmeng­ den i mol og temperaturen i kelvin. Vi må i så fall nytte konstanten R = 0,08206 1 • atm/(mol • K) når vi setter inn i uttrykket pV = nRT. I normaltilstanden (NTP)1, som er 1 atmosfære og 0 °C (273,15 K), vil 1 mol ideell gass ha et volum som er gitt ved:

1 Engelsk: STP - Standard Temperature and Pressure

Figur 6.1

Når vi velter syrebeholderen, skjer følgende reaksjon:

CaCO3 + 2 HC1

CaCl2 + H2O + CO2

A12O3 reagerer ikke. Ved forsøket finner vi at det blir dannet 34,5 ml gass. Hvor stor prosent CaCO3 inneholder blan­ dingen? Temperaturen er 22,0 °C.

63

Gasser

Løsning Som en første tilnærming nytter vi gasslikningen p • V - nRT direkte.

I praksis har vi ikke ideelle gasser, og vi regner da at

ett mol gass ved NTP har volumet 22,4 liter. T = (273,15 + 22,0) K = 295,2 K p = 1,008 bar/1,013 bar/atm = 0,9951 atm R = 0,08206 1 • atm/(mol • K)

Innsatt i n = p ■ V/RT: n = (0,9951 atm • 0,0345 l)/(0,082061 • atm/(mol • K) ■ 295,2 K) = 0,00142 mol CO2 Reaksjonslikningen viser at for å få 0,00142 mol CO2 går det med 0,00142 mol CaCO3, det vil si 0,00142 mol CaCO3 • 100.08 g/mol = 0,142 g CaCO3.

Dette er en tilnærmingsverdi. Følgende målinger ved NTP gir deg en idé om hvor god tilnærmingen er: 1 1 1 1

mol mol mol mol

hydrogen oksygen helium klor

har volumet 22,430 har volumet 22,360 har volumet 22,426 har volumet 22,063

1 1 1 1

Prøven inneholder:

(0,142 • 100/0,2025) % CaCO3 = 70,1 % CaCO3 Ved beregningen har vi ikke tatt hensyn til vanndamptrykket. Finn vanndamptrykket ved 22,0 °C i en tabell og sett inn i uttrykket (? ~ Pvann) ' V ~ nRT

Det overlates til leseren å foreta beregningen. (Svar: 0,00138 mol CO2) Tilstandslikningen skrives også på formen p. V=N-kT

der N er antall molekyler, og k er en konstant (Boltzmanns kon­ stant).

N = n • Na der n er antall mol gass, og VA er Avogadros tall (dvs. antall mole­ kyler per mol). Innsatt gir dette: p • V = n • VA • k ■ T

Da Na og k er konstanter, er produktet (VA ■ k) en konstant:

Figur 6.2 I fire beholdere som alle har volum V liter, er det henholdsvis hydrogen, oksygen, helium og klor. Ifølge Avogadros lov inneholder beholderne like mange molekyler, forutsatt at gassene har samme trykk og temperatur.

6.2 Beregning av massetetthet for gasser Med utgangspunkt i molvolumet kan vi beregne en til­ nærmet verdi for tettheten av en gass ved NTP. Vi starter med å finne formelvekten. Formelvekten med benevning gram er ett mol, og denne stoffmeng­ den har volumet 22,4 liter ved NTP. Tettheten er gitt som masse per volumenhet og framkommer her i g/1.

Na ■ k = 6,022 • 1023 1/mol • 1,3806 • 10“23 J/K = 8,314 J/(mol • K)

VA ■ k er altså lik R, som innsatt gir

Eksempel 2 Finn tilnærmede verdier for tettheten av følgende gas­ ser ved NTP:

p ■ V = nRT

En nøyaktig beregning (side 62) viser at ett mol av en ideell gass har volumet 22,414 liter ved 1 atm trykk og 0 °C. Denne størrelsen blir kalt molvolumet.

a) b) c) d)

hydrogen, oksygen, karbondioksid, propan.

H2 O2 CO2 C3H8

64

Kjemi, kapittel 6

Finn også tettheten av disse gassene i en tabell i et oppslagsverk. Hvordan stemmer verdiene overens?

Spørsmål og oppgaver

Løsning a) Fh2 = 2,01 =>2,01 g H2/mol

6.1

Nytt molvolumet til å beregne tilnærmet tettheten av gas­ sene He, C3H8, SO2 og Cl2 ved 0 °C og 1 atm trykk.

6.2

Finn tettheten av gassene N2, O2, CO, CO2 og O3 (ozon). Ordne stoffene i en tabell etter økende formelvekt. I tabel­ len skal det også være en kolonne for stoffenes tetthet. Framstill grafisk sammenhengen mellom formelvekt og tetthet. Hva viser det?

6.3

Tettheten av oksygengass ved NTP er 1,429 g/1. Bruk denne opplysningen og stoffenes formelvekter til å beregne tettheten av gassene CH4, CH2C12, CC14, C2H6.

6.4

Tørr luft inneholder 23,1 masseprosent O2 og 75,9 masse­ prosent N2. Finn (tilnærmet) tettheten av luft ved NTP. (Tips: Velg 100 g luft. Finn hvor mange mol O2 og N2 denne gassmengden inneholder, og beregn hvilke volumer dette representerer ved å nytte molvolumet.)

6.5

Følgende gasser blir dannet i en søppelfylling ved nedbry­ ting av det organiske avfallet:

1 mol H2 er 2,01 g H2 som har volum 22,4 1.

Tettheten av H2: 2,01 g/22,4 1 = 0,0897 g/1. b) F02 = 32,0 => 32,0 g O2/mol

1 mol O2 er 32,0 g O2 som har volum 22,4 1. Tettheten av O2 : 32,0 g/22,4 1 = 1,43 g/1

c) Fco = 44,0 => 44,0 g O2/mol 1 mol CO2 er 44,0 g CO2 som har volum 22,4 1. Tettheten av CO2: 44,0 g/22,4 1 = 1,96 g/1 d) FC3h8 = 44,0 => 44,0 g CO2/mol

Da C3H8 har samme formelvekt som CO2, må de to gassene ha samme tetthet.

CH4, H2S, CO, CO2 og NH3 Hvilke av disse gassene er tyngre enn luft? (Luft har tett­ heten 1,30 g/1 ved NTP.)

Tettheten av C3H8: 1,96 g/1 6.6

Av ovenstående framgår det at forholdet mellom tett­ hetene er lik forholdet mellom formelvektene:

Tettheten av O2 _ 32,0 g O2/22,4 1 _ 32,0 g O2 Tettheten av H2 = 2,01 g H2/22,4 1 = 2,01 g H2

a) Bruk dataene i oppgave 6.4 til å finne forholdet mellom antall mol N2 og antall mol O2 i tørr luft. Til en forbrenningsreaksjon medgår 1,00 m3 O2 (ved NTP). Hvilket volum luft tilsvarer dette? b) Når karbon forbrenner fullstendig, skjer det ved en reaksjon som er gitt ved likningen C + O2 -> CO2

=

fh2

=16

Hvor mye luft, ved NTP, medgår for å forbrenne 1,00 kg karbon? c) Hva er molforholdet CO2/N2 i avgassen?

Oksygen har altså en tetthet som er 16 ganger så stor som hydrogenets tetthet! 6.7

6.3 Oppsummering Avogadros lov sier at i like volumer av forskjellige gasser er det like mange molekyler. Molvolumet er det volumet som inneholder ett mol gass eller 6,02 ■ 1023 molekyler ved NTP (1 atm og 0 °C). Da formelvekten med benevning gram er ett mol, og ett mol har volu­ met 22,4 1 (ved NTP), kan vi beregne tettheten av gas­ ser. Tettheten av gasser ved gitt trykk og temperatur øker proporsjonalt med formelvekten.

Nitroglyserol (tidligere kalt nitroglyserin), C3H5(NO3)3, er et sprengstoff. Det er en viktig bestanddel i dynamitt. Ved en detonasjon skjer følgende reaksjon:

4 C3H5(NO3)3(1) -» 12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g) Vi forutsetter at 100 g nitroglyserol detonerer. a) Hvor mange gram N2 blir dannet? b) Hvor stort volum gass blir dannet, omregnet til 1 atm og 100 °C? c) Hvor stort blir trykket dersom denne gassen ble dannet i et volum på 1,00 1 ved 125 °C? Vi vil anta at vi kan nytte gassloven, p ■ V= nRT

(En detonasjon er en reaksjon som skjer med svært stor hastighet og som gir et stort volum gass.)

7 Kjemisk likevekt

I det foregående har vi forutsatt at de stoffene som blir blandet sammen, reagerer fullstendig med hverandre. De støkiometriske beregningene (s. 45) bygger på dette fundamentet. Dette forholdet kan bli belyst ved å se på reaksjo­ nen: 2 H2 + O2 —> 2 H2O Likningen kan vi lese slik: 2 mol hydrogen, H2, vil reagere med 1 mol oksygen, O2, og danne 2 mol vann, H?O. Da har vi forutsatt fullstendig reaksjon mellom hydrogen og oksygen. Alt reagerer og blir til vann. Men når en reaksjon blir utført i et lukket kar, vil ofte de molekylene som blir dannet, etter hvert be­ gynne å reagere med hverandre innbyrdes og gjendanne de stoffene som vi startet med. Reaksjonen går altså også mot venstre. Etter en tid vil reaksjonene gå like fort begge veier. Vi sier da at en likevekt er blitt innstilt. Totalt sett vil det deretter ikke skje noen for­ andringer i stoffenes konsentrasjoner. Vi skal se at mengden av de forskjellige stoffene som er til stede i likevektsblandingen, blir bestemt ved et matematisk uttrykk. Uttrykket inneholder en kon­ stant og stoffenes konsentrasjoner. Konstanten kan bestemmes eksperimentelt. Ved å endre trykk eller temperatur kan vi endre likevekten slik at det for eksempel blir dannet mer produkter i likevektsblandingen.

7.1 Reversible reaksjoner I et lukket glasskar blander vi et visst antall mol fiolett joddamp. I2(g), med like mange mol fargeløs hydro­ gengass, H2(g). Fargeintensiteten avtar med tiden fordi jod reagerer

med hydrogen og danner fargeløs hydrogenjodidgass, HI(g): H2(g) + I2(g) -> HI(g) + Hlfg)

Men det blir tydeligvis noe joddamp igjen, for den fio­ lette fargen forsvinner ikke helt. Det skyldes at HImolekylene som blir dannet, begynner å reagere med hverandre og gjendanne I2 og H2. HI(g) + HI(g) -> H2(g) + I2(g)

Denne reaksjonen er den motsatte av reaksjonen over. Reaksjonen kan altså gå begge veier. Vi sier at den er reversibel og markerer dette med en dobbeltpil, H2(g) + I2(g) #HI(g) + HI(g)

(1)

Etter en tid vil antall molekyler HI som blir dannet, være likt antall molekyler HI som blir spaltet.

Vi sier da at en likevekt er blitt innstilt. Alle de tre stoffene H2,12 og HI er til stede samtidig. Etter at like­ vekt er blitt innstilt, vil ikke konsentrasjonene av de tre stoffene endres. I det følgende vil vi ofte ha behov for å uttrykke hvor mange mol det er av et stoff per liter. For stoffet A angir vi dette som [A], Hakeparentesen står for antall mol per liter. [A] leses: konsentrasjonen av A.

7.2 Likevekt for reaksjonen H2 + L # 2 HI La oss igjen tenke oss at vi fører inn hydrogengass, H2(g), i et kar med joddamp, I2(g).

66

Kjemi, kapittel 7

Dersom hydrogen- og jodmolekylene kolliderer kraftig nok, vil bindingene mellom atomene bli brutt. Er dessuten den gjensidige orienteringen gunstig, vil vi kunne få dannet bindinger mellom H- og I-atomer.

(molekyler) HI det er per volumenhet. Målinger viser at: vv = k2 • [HI] • [HI]

der k2 er en konstant.

Ved starten er det bare hydrogengass og joddamp i beholderen. Konsentrasjonene er da [H2]0 og [I2]o. Da har vh sin største verdi:

vh0 ~

Figur 7.1 Når H2 kolliderer kraftig nok med l2(g), vil bindingene i molekylene bli brutt. Dersom molekyle­ nes gjensidige orientering er gunstig, blir det dannet Hl.

' [Mo ' Mo

(se figur 7.3). Hastigheten vh avtar med tiden. Det skyldes at konsentrasjonene av H2 og I2 avtar etter hvert som det blir dannet stadig mer HI.

For å få et mål på hvor raskt denne reaksjonen går mot høyre, vil vi innføre en størrelse som vi kaller reaksjonshastigheten v. Siden reaksjonen går mot høyre, skriver vi vh. Antall molekyler HI, eller antall mol HI, som blir dannet per sekund, gir et mål for hastigheten (mol er et uttrykk for antall). Dersom vi øker antall mol (antall molekyler) H2 per volumenhet eller antall mol I2 per volumenhet, vil antall kollisjoner øke og dermed hastigheten. Målinger viser at hastigheten er direkte proporsjo­ nal med konsentrasjonen av H2 og I2: vh = k\ • [H2] ■ [I2]

der k, er en konstant

Etter hvert som det blir dannet stadig flere HI-molekyler i beholderen, vil disse kunne kollidere med hverandre og under gunstige betingelser gjendanne H2 og I2, se figur 7.2. Dette tilsvarer at reaksjon (1) går mot venstre.

Figur 7.2 Dersom to Hl-molekyler kolliderer kraftig nok, vil bindingene i molekylene bli brutt. Hvis den gjensidige orienteringen av molekylene er gunstig, blir det gjendannet H2og l2. For denne reaksjonen innfører vi reaksjonshastigheten vv. Antall mol HI som blir spaltet per sekund, gir et uttrykk for hvor fort reaksjonen går mot venstre. Denne hastigheten vil avhenge av hvor mange mol

Figur 7.3 vh er reaksjonshastigheten mot høyre i reak­ sjonen H2 + l2 2 Hl. Ved denne reaksjonen minker antall H2- og l2-molekyler. Derfor avtar vh med tiden. vv er reaksjonshastigheten mot venstre, dvs. den motsatte veien. Etter hvert blir det dannet mer Hl, der­ for øker vv med tiden. Ved likevekt er vh = vv.

Hastigheten mot venstre, vv, er til å begynne med lik null, vV(j = 0, da det ved start ikke er HI i beholderen. Men etter hvert som det blir dannet mer HI, øker vv og som nevnt avtar vh. Etter en tid får hastighetene samme verdi. Da er systemet i likevekt. Ved likevekt vil antall mol HI som blir dannet per sekund, være lik antallet mol HI som blir spaltet. Ved likevekt har vh og vv samme verdi, vh = vv: ki • [H2] • [I2] = k2 ■ [HI] • [HI]

kx k2

[HI] • [HI] [H2] • [I2]

k\/k2 er en konstant. Den blir satt lik en ny konstant K. K_

MI2 [H2] • [I2]

67

Kjemisk likevekt

Konstanten K blir kalt likevektskonstanten.

Vi a) b) c)

1 mol H2 og 1 mol I2 når 2 mol HI blir spaltet 0.010 mol H2 og 0,010 mol I2 når 0,020 mol HI blir spaltet

kan begynne med å føre inn i et tomt kar ren HI en blanding av H2 og I2 en blanding av alle tre stoffene

Ved likevekt er [H2] = [I2] = 0,010 mol/1 Ved start var det 0,100 mol HI. 0,020 mol er blitt spaltet. Det er igjen ved likevekt:

Etter en tid innstilles likevekten. Da er de tre stoffene til stede i slike konsentrasjoner at forholdet

(0,100-0,020) mol HI

Ved likevekt er [HI] = 0,080 mol/1

[HI]2 [H,]|I,J

er det samme i alle tre tilfeller og lik likevektskonstanten K. Vi har da forutsatt at reaksjonene skjer ved samme temperatur i de tre tilfellene. K er temperaturavhengig. Dersom vi øker tempera­ turen, får molekylene større kinetisk energi. Det fører til flere og kraftigere sammenstøt mellom dem. Av dette slutter vi at reaksjonshastighetene må være tem­ peraturavhengige, og vi skulle derfor vente at også Kverdiene er det. I tabellverk kan du finne verdier for K for et stort antall reaksjoner ved oppgitte temperaturer. Eksempel 1 Vi vil igjen studere den reversible reaksjonen:

Eksempel 2

Beregn på grunnlag av resultatene over likevektskonstanten K ved temperaturen 1\. Løsning Ved likevekt er:

[H2] = [I2] = 0,010 mol/1 [HI] = 0,080 mol/1 Vi setter inn verdiene i 0,0802 ,„ „ [HI]2 t = 64 [H2][I2] ogfar ------0,0102

K = 64 ved temperaturen T}. H2(g) + I2(g)

2 HI(g)

I et tomt kar på 1,0 liter blir det ført inn 0,100 mol Hl. Ved likevekt, ved temperaturen T{, er det 0,010 mol H2 i karet. Hva er konsentrasjonene av de to andre stoffene som inngår i likevekten? Løsning Ved start inneholder karet bare HI.

7.3 Guldberg-Waages lov I eksemplet foran var reaktantene og produktet gasser. Tilsvarende uttrykk kan bli satt opp for reaksjoner der det i tillegg til gassmolekyler (A og P) inngår ioner i vann (B(aq)1 og Q(aq)) og faste stoffer (C og R). a A(g) + b Z?(aq) + c C(s)

p P(g) + q Ø(aq) + r Æ(s)

For å lette oversikten lager vi følgende oppsett: Ved likevekt

Ved start 0,100 mol HI

x mol HI spaltes og

0 mol H2

0,010 mol H2 blir dannet

0 mol I2

Volum 1 liter

? mol HI 0,010 mol H2 ? mol I2

Alt H2 og I2 i reaksjonsblandingen ved likevekt er blitt dannet ved at HI er blitt spaltet. Reaksjonslikningen viser at ved reaksjon mot ven­ stre vil vi få dannet:

Guldberg og Waage

De to nordmennene Cato M. Guldberg og Peter Waage fant for et system i likevekt følgende sammenheng 1 aq - aqua betyr at ionet er løst i vann, a, h, c. p. q og r er koeffisi­ enter.

68

Kjemi, kapittel 7

mellom stoffenes konsentrasjoner, Guldberg-Waages lov:

[P]p-[g]q [A]a • [B]b

Løsning

der K er en konstant når temperaturen er gitt. Produktet av konsentrasjonene av stoffene på høyre side i likningen setter vi i telleren. Det tilsvarende pro­ duktet for stoffene på venstre side i likningen blir satt i nevneren. Hvert konsentrasjonsuttrykk blir opphøyd i en eksponent som er lik koeffisienten foran stoffets formel i reaksjonslikningen. For at vi skal kunne skrive uttrykket for likevektskonstanten, må likevektslikningen være oppgitt. I prinsippet kunne vi like gjerne byttet teller og nevner i uttrykket over. Men vi må bli enige om én måte å skrive brøken på. Det oppsettet vi har brukt, er fastlagt ved en internasjonal overenskomst. Legg merke til at konsentrasjonene av de faste stof­ fene er blitt erstattet med verdien 1. Uttrykket for likevekten kan bli utledet på et teore­ tisk grunnlag, men det krever kunnskaper i termody­ namikk. I stedet for konsentrasjonen av stoff A, [A], opptrer da en størrelse som blir kalt aktiviteten av stoffet, aA. De to størrelsene er proporsjonale: aA=f- [/i] Ved lave konsentrasjoner er/= 1. og aktiviteten av stoffet A, aA, kan bli byttet ut med konsentrasjonen av stoffet, [A]. For et rent krystallinsk stoff eller en ren væske blir aktiviteten satt lik 1.

Guldberg-Waages lov blir også kalt massevirkningsloven. Det er konsentrasjonene til de stoffene i reaksjonen som har konsentrasjoner som kan varieres, som be­ stemmer likevektskonstanten K. Uttrykket burde der­ for vært kalt loven om konsentrasjonsvirkningene. Eksempel 3. Eksempler på beregninger

Gitt likevektslikningen:

2 SO2 (g) + O2 (g)

samme temperatur. Analyser viser at ved likevekt inneholder blandingen like mange mol SO2 og SO3. Hva er konsentrasjonen av O2 i blandingen?

2 SO3 (g)

a) Skriv uttrykket for likevektskonstanten. b) I et forsøk slipper vi SO3 inn i en tom beholder med volum 1,0 liter. Ved likevekt er det 0,10 mol O2 i karet. Hvor mye SO3 ble ført inn i beholderen? Likevekten ble innstilt ved en temperatur der like­ vektskonstanten K = 100. c) Vi gjør et nytt forsøk med samme beholder og ved

K-

' A

IW2

[SO2]2 ■ [O,J

b) For å lette oversikten lager vi følgende oppsett: Ved start

Ved likevekt

0 mol SO2

0,10 mol O2 blir dannet ?

0 mol O2 x mol SO3

Volum 1,0 liter

mol SO2

0,10 mol O2 ? mol SO3

Vi vil først finne konsentrasjonen av SO2 ved like­ vekt. Alt SO2 og O2 som dannes, stammer fra SO3 som er blitt spaltet. Likningen viser at det blir dannet dobbelt så mange mol SO2 som mol O2 (reaksjonen mot venstre). Ved likevekt er [O2] = 0,10 mol/1 Altså er [SO2] = 0,20 mol/1

For å få dannet 0,10 mol O2 (og 0,20 mol SO2) må 0,20 mol SO3 ha blitt spaltet. Antall mol SO3 ved likevekt er lik antall mol SO3 ved start (x mol) minus antall mol SO3 som er spaltet: [SO3] = (x - 0,20) mol/1 Innsatt i uttrykket for likevektskonstanten gir dette:

K_

[SO3]~ [SO2]2 • [O2]

JX-OW 0,202-0,10

(x-0,20)2 = 0,202 - 0,10- 100 x-0,20 =0,63 x =0,83 Det ble ført inn 0,83 mol SO3 i karet. c) Ifølge oppgaven er [SO2] = [SO3] ved likevekt. La oss sette [SO2] = [SO3] = a mol/1 og [O2] = x mol/1 ved likevekt. Innsatt i uttrykket for likevektskonstanten:

69

Kjemisk likevekt

,,

100 =

siden antall mol ved likevekt er lik antall mol ved start minus antall mol som har reagert.

[SO3]2 [SOJ2 ■ |O2]

[NH3] = 0,15 mol/1

a •x

Innsatt i uttrykket for K gir dette:

x = ioo

20__________ _______________ ~(n- 0,075) • (3(n - 0,075))3

Konsentrasjonen av O2 ved likevekt er 0,010 mol/1. Eksempel 4 Det er tidligere nevnt at ammoniakk, NH3, er et tek­ nisk meget viktig stoff som blir framstilt ved at N2

reagerer med H2. Ved reaksjonen innstilles likevekten:

N2 (g) + 3 H2 (g)

Det ble ført inn 0,155 mol N2 og 0,466 mol H2 (0,155 • 3 mol H2). Vi kjenner nå likevektskonsentrasjonene:

2 NH3 (g)

a) Skriv uttrykket for likevektskonstanten. b) I et kar med volum 1,0 liter blir N2 og H2 blandet sammen i støkiometrisk forhold, det vil si i et for­ hold slik at alt vil reagere, i dette tilfellet n mol N2 og 3n mol H2. Ved temperaturen 300 °C er det 0,15 mol NH3 i likevektsblandingen. Hvor mye N2 og H2 ble ført inn i karet? Hvor stor masseprosent NH3 er det ved likevekt når K = 20 ved 300 °C? Løsning a; K [NH3]2 a) K [N2] ■ [H2]3

Ved start

O,152/2O = (n-0,075)4 • 33 (n - 0,075)4 = 4,1667 • 10 5 n - 0,075 = 0,080 rc = 0,155

[NH3] =0,15 mol/1 (oppgitt) [N2] =(0,155- 0,075) mol/1 = 0,080 mol/1 [H2] = 3 • 0,080 mol/1 Den totale massen ved likevekt:

0,15 m01.NH3 • 17,0 -^ + 0,080 rn21±b • 28’° A 1 mol 1 mol + 0,240 mo1 H2 • 2,01 = 5,27 g/1 g mol Av dette er 0,15 • 17,0 g NH3 = 2,55 g NH3.

Masseprosent NH3 = (2,55/5,27) • 100 = 48

n mol N2

0,15 mol NH3 blir dannet

3n mol H2

Volum 1,0 liter

0 mol NH3

Ved likevekt

? mol N2

? mol H2

0,15 mol NH3

Kontroll Har vi regnet riktig? Virker svaret fornuftig? Vi tester likevektskonsentrasjonene vi har funnet, ved å sette dem inn i uttrykket for K: [NH3]2 [N2] ■ [H2]3

Det gir:

Reaksjonslikningen viser at for å få dannet 2 mol NH3 medgår 1 mol N2 og 3 mol H2 0,15 mol NH3 medgår 0,15/2 mol N2 og (0,15/2) ■ 3 mol H2

Altså har 0,075 mol N2 og 0,075 • 3 mol H2 reagert.

_____ ____________ 2003 0,080 ■ (3 ■ 0.080)3 ' Dette ser bra ut! Ved innsetting skulle vi ha fått K - 20. Svaret avviker noe fordi vi har satt inn tilnærmingsverdier.

Ved likevekt er:

[N2] = (n - 0,075) mol/1 [H2] = (3n - 3 • 0,075) mol/1 = 3(n - 0,075) mol/1

Likevektskonstanten for gasslikevekter kan uttrykkes ved konsentrasjoner, Kc, og ved trykk, Kv.

70

Kjemi, kapittel 7

I det foregående er likevektskonstanten, K, uttrykt ved konsentrasjoner. Den blir da ofte betegnet Kc. Partialtrykket2*av en gass A, pK, er også et uttrykk for konsentrasjonen av gassen A. Det framgår av til­ standslikningen (s. 62):

pÅ ■ V = nRT som gir: /?A = n/V • RT = [A j ■ RT Når partialtrykkene inngår i uttrykket for likevekts­ konstanten, betegnes den Kp. Dersom vi i eksempel 3 kjenner partialtrykkene av SO2, O2 og SO3 i likevektsblandingen, får vi: Ap — -> so> P P SO2 • Po2

For reaksjonen

a A(g) + b B(g) # c C(g) + d D(g)

er ^P =

Eksempel 5

K er mye mindre enn 1 (/f Gitt likevekten:

1).

N2(g) + O2(g) # 2 NO(g)

Kc = 1,32 • 10^ ved 1500 °C Hva kan vi slutte om likevektsblandingen ved 1500 °C ut fra Å^-verdien? Løsning [NO]2 = 1,32 • lO-4 [N21 • [O2]

Dette viser at telleren er en liten størrelse i forhold til nevneren. Konsentrasjonen av NO er liten i forhold til konsentrasjonene av N2 og O2 (eller riktigere: [NO]2 er liten i forhold til [N2] • [O2]). Vi sier at likevekten er forskjøvet mot venstre.

' Pd Pk ■ Pb Pc

Sammenhengen mellom Kc og Kp framgår av det føl­ gende: _ ([Cl • RT)C • (ID] • RT)d _ [C]c • [Df7 • (RT)c+d p " ([A] • RT)a • ([BJ • RT)1’ ' [A]fl • [B]6 ■ (RT)a+b Kp = Kc ■ (PT)c + d~a~b

7.4 Mer om anvendelser av Guldberg-Waages lov

Den norske professor Kristian Birkeland utførte rundt år 1900 forsøk der han produserte NO ved å lede luft (N2 -i- O2) gjennom en elektrisk lysbue. Han samarbei­ det med ingeniøren Sam Eyde som var sterkt opptatt av å utnytte våre store vannkraftressurser for produk­ sjon av rimelig elektrisk energi. Deres felles innsats dannet grunnlaget for at pro­ duksjonen av det viktige gjødningsstoffet kalksalpeter, Ca(NO3)2, ble startet ved Norsk Hydro på Herøya ved Porsgrunn. Prosessen er for lengst blitt erstattet av andre fremstillingsmåter som krever mindre energi.

I likevektsblandingen har vi både rester av de stoffene vi førte inn i reaksjonskaret (reaktantene), og de stof­ fene vi ønsker å framstille (produktene). Det er av interesse å vite hvordan forholdet er mel­ lom disse stoffmengdene. Er det for eksempel mye av de stoffene vi ønsker å framstille, i likevektsblan­ dingen? Verdien av K gir oss svar på dette spørsmålet. Vi skiller mellom disse tre tilfellene:

Kc 1 K^> 1 K er av størrelsesorden 1 (0,1 < K < 10). 2 Vi bruker betegnelsen partialtrykk når vi har flere gasser i blan­ ding. Partialtrykket er det trykket en gass ville ha hatt om den var alene i beholderen.

Kristian Birkeland i laboratoriet

(Foto: Norsk Hydro.)

71

Kjemisk likevekt

K er mye større enn 1 (K » 1). Gitt likevekten:

| mol vann, | mol alkohol og | mol syre. Produktene vil opptre med noe høyere konsentra­ sjoner enn reaktantene.

2 H2(g) + 02(g) # 2 H2O(g)

Kc = 2 • 1081 ved 25 °C Hva kan Kc-verdien fortelle oss om likevektsblan­ dingen?

Løsning Kc

[H2O]2 [H2]2 • [O2]

-

Estere er en gruppe stoffer som blir omtalt i den orga­ niske kjemien. En ester blir som regel framstilt av en alkohol og en organisk syre, som vist ved reaksjons­ likningen i eksempel 7. Mange av esterne lukter som forskjellige frukter. De blir framstilt teknisk for an­ vendelse i mat og drikke, for eksempel i brus.

81

Telleren er enormt stor i forhold til nevneren. Det be­ tyr at dersom H2 og O2 blir blandet i molforhold 2 : 1 (støkiometrisk forhold), så reagerer alt til vann. Konsentrasjonene av [H2] og [O2] er så små ved like­ vekt at vi helt kan se bort fra dem ved 25 °C. Vi sier at likevekten er fullstendig forskjøvet over til høyre.

Vi skal nå se hvordan vi kan avgjøre om et system er i likevekt eller ikke. Det blir enklere dersom vi knytter dette til et eksempel. La oss igjen vende tilbake til likevekten:

H2(g) + I2(g) # 2 HI(g) Likevektstilstanden er karakterisert ved at:

Det er mulig å oppbevare en blanding av H2 og O2 ved romtemperatur. Reaksjonen er nemlig treg å få i gang. Men blir den først startet, for eksempel av en gnist eller en liten flamme, går reaksjonen fullstendig mot høyre med meget stor hastighet. De fleste blandingsforhold av hydrogen og oksy­ gen gir eksplosive blandinger. Er de to gassene blan­ det i molforholdet 2 : 1, blir blandingen kalt knallgass.

K er av størrelsesorden 1 (0,1 < K < 10).

Gitt likevekten: C2H5O H(aq) + HOOC-CH3(aq) C2H5OOC-CH3(aq) + H2O + vann alkohol + organisk syre K Systemet er ikke i likevekt. Telleren er for stor i forhold til nevneren. Det er for mye HI i blandingen i forhold til meng­ dene av H2 og I2. Reaksjonen vil gå mot venstre. Det vil si at HI blir spaltet, og mer H2 og I2 dannet. Her­ ved minker [HI], og [H2] og [I2] øker. Q avtar inntil den blir lik K, og likevekten er innstilt. Q < K Systemet er ikke i likevekt. Telleren er for liten i forhold til nevneren. Det er for lite HI i blandingen og for mye H2 og I2. De to sistnevnte gassene vil reagere og danne

72

Kjemi, kapittel 7

mer HL [HI] vil øke, og [H2] og [H] vil avta. Q øker inntil den blir lik K, og likevekten er innstilt.

Vi kan altså avgjøre om et system er i likevekt eller ikke ved å sette inn konsentrasjonene i uttrykket for Q og sammenlikne med K. K forutsettes kjent ved den aktuelle temperaturen.

[CO] • [H2O] = (0,020 + x)(0,020 + x) = [CO2]-[H2] (0,20 - x)(0,20 - x)

Det vil si:

(0,020 +x)2 = 0,043 (0,20 -x)2

(0,020 + x) = ^0,043 (0,20 — x)

Eksempel 8

Gitt likevekten:

x = 0,018

CO2(g) + H2(g) # CO(g) + H2O(g)

I et kar er det i et gitt øyeblikk 0,020 mol CO, 0,020 mol H2O, 0,20 mol CO2 og 0,20 mol H2 ved 600 °C. Ved denne temperaturen er Kc = 0,043. a) Er systemet i likevekt? Reaksjonskarets volum har ingen betydning i denne sammenheng. (Sett volumet lik v liter og vis at v faller bort ved beregningen.) b) Vil reaksjonen eventuelt gå mot høyre eller venstre? c) Finn likevektskonsentrasjonene forutsatt at karet har volum 1,0 liter.

Ved likevekt er [CO2] = [H2] = 0,182 mol/1 og [CO] = [H2O] = 0,038 mol/1

Kontroll

[CO] • [H2O] [CO2]-[H2]

0,038 • 0,038 _ = 0,182-0,182 —-----

7.6 Le Chåteliers prinsipp Vi vender igjen tilbake til den teknisk viktige proses­ sen:

Løsning

[CO] • [H2O] = 0,020 • 0,020 [CO2] • [H2] 0,20 • 0,20 Q

Ved likevekt er:

Kc

Systemet er ikke i likevekt.

b) Da Q < Kc (0,01 < 0,043), er brøken for liten. Det er derfor for lite CO og H2O i blandingen. Det må bli dannet mer av disse gassene. Det vil si at reaksjonen må gå mot høyre. c) x mol CO må bli dannet for å oppnå likevekt. Det skjer ved at x mol CO2 reagerer med x mol H2 og danner x mol CO og x mol H2O. Antall mol CO2 og H2 avtar [til (0,20 - x) mol], mens antall mol CO og H2O øker [til (0,020 + x) mol].

Ved start

Ved likevekt

0,20 mol CO2 0,20 mol H2

(0,20 — x) mol CO2 (0,20 — x) mol H2

x mol CO2

N2(g) + 3 H2(g) # 2 NH3(g) Store økonomiske interesser er knyttet til å kjøre reak­ sjonen under slike betingelser at utbyttet blir størst mulig. Likevekten er derfor blitt grundig studert. Mengden av ammoniakk ved likevekt vil avhenge

0,020 mol CO reagerer med (0,020 + x) mol CO 0,020 mol H2O x mol H2 (0,020 + x) mol H2O

Porsgrunn Fabrikker, Herøya. En av de to store moderne petrokjemiske ammoniakkfabrikkene. (Foto: Norsk Hydro.)

73

Kjemisk likevekt

av konsentrasjonene av stoffene som deltar, av trykk og av temperatur. Disse betingelsene kan bli variert innenfor vide grenser. Le Chåteliers prinsipp sier noe om hvordan et sys­ tem i likevekt reagerer når de nevnte betingelsene blir endret. Prinsippet kan formuleres slik: Når et system i likevekt blir utsatt for en forandring, vil det skje en reaksjon i den retningen som virker mot forandringen.

Likevektssystemet oppfører seg som de fleste men­ nesker - det motsetter seg forandringer. Systemet er reaksjonært.

2 Likevekten blir forskjøvet når trykket blir endret Vi vil fortsatt studere likevekten: N2(g) + 3 H2(g) # 2 NH3(g)

Merk deg først at når 1 molekyl N2 reagerer med 3 molekyler H2, blir det dannet 2 molekyler NH3. Ved reaksjon mot høyre avtar antall molekyler til det halve. Vi starter med de tre gassene i likevekt i en behol­ der, se figur 7.4 a. Deretter øker vi trykket i systemet ved å minske volumet. Dette fører til at det blir flere molekyler per volumenhet. Systemet er ikke lenger i likevekt.

1 Likevekten blir forskjøvet når konsentrasjonene blir endret Tenk deg at likevekten N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) er innstilt i et lukket kar. Plutselig øker vi konsentra­ sjonen av et stoff, for eksempel ved å tilføre NH3. Le Chåteliers prinsipp sier at reaksjonen vil gå i en slik retning at forandringen motvirkes. I dette tilfellet består forandringen i en økning av antall NH3-molekyler per volumenhet sammenliknet med forholdet ved likevekt. Antall NH3-molekyler må derfor avta. Det skjer ved at reaksjonen går mot venstre. Etter at en del av tilført NH3 har reagert, vil en ny likevekt innstille seg. Dette resultatet kan vi også komme fram til ved å studere Q. som umiddelbart etter tilførselen er større enn K. Øker vi konsentrasjonen av H2 (eller N2), vil reak­ sjonen gå mot høyre, da det vil innebære at mengden av H2 (eller N2) avtar. Dersom vi kunstig minsker konsentrasjonen av NH3 i systemet, må det bli dannet mer NH3 for å mot­ virke forandringen. Reaksjonen går mot høyre. - Dersom vi øker mengden av ett av stoffene i like­ vekten, vil reaksjonen gå i en retning som fører til at dette stoffet blir forbrukt. - Dersom vi minsker mengden av ett av stoffene, går reaksjonen i en retning som fører til at det blir dannet mer av dette stoffet.

Figur 7.4 Vi øker trykket ved å minske volumet. Men dette fører til at antall molekyler per volumenhet øker. Likevekten blir forskjøvet i en retning som virker mot forandringen, dvs. i den retningen som fører til at molekylantallet minker. Ifølge Le Chåteliers prinsipp vil det nå skje en reak­ sjon som fører til at forandringen blir motvirket. Reaksjonen vil gå mot høyre, for det fører til at antall molekyler avtar. Når trykket øker, øker altså andelen ammoniakk i likevektsblandingen, se tabell 7.1. I industrien blir ammoniakk produsert ved et trykk på flere hundre atmosfærer. Generelt gjelder det at en trykkøkning fører til at reaksjonen går i den retningen som fører til at det blir dannet færre gassmolekyler. Ved en trykkminskning går reaksjonen i den ret­ ningen som gir flere gassmolekyler. For å avgjøre i hvilken retning likevekten forsky­ ves ved trykkendring, må vi altså studere reaksjonslik­ ningen. For likevekter av typen H2 + I2 2 HI vil en endring av trykket ikke ha noen innvirkning. Det blir

74

Kjemi, kapittel 7

dannet like mange gassmolekyler som det forsvinner ved reaksjonen.

3 Temperaturens innvirkning på likevekten Likningen

n CO + (2n + 1) H2

N2 + 3 H2 2 KC1 + 3 O2

Reaksjonen går langsomt selv ved sterk oppvarming. Men dersom vi tilsetter mangan(lV)oksid, MnO2, øker reaksjonshastigheten kraftig. MnO2 virker som en katalysator. En katalysator er et stoff som får en reaksjon til å gå hurtigere uten at stoffet selv blir forbrukt. I reaksjonskaret er det like mye MnO2 etter reaksjonen som det var ved start.

Kjemisk likevekt

Figur 7.5 MnO2 katalyserer spalting av KCIO3.

En teknisk, økonomisk anvendelse av en reaksjon er ofte avhengig av at det blir funnet en egnet katalysator for reaksjonen. De kjemiske reaksjonene som finner sted i mennes­ ker og dyr, blir katalysert av enzymer. Dette er kom­ pliserte organiske molekyler. Ved hjelp av dem blir for eksempel sammensatte stoffer brutt ned til enkle molekyler i tarmen. Stoffene blir så transportert med blodet til kroppens celler, der de blir bygd sammen til kompliserte molekyler igjen eller anvendt for energi­ produksjon. Katalysatorer har utallige anvendelser i industrien. I Haber-Bosch-syntesen, N2 + 3 H2 # 2 NH3, blir N2 og H2 ledet over en katalysator som er en blanding av jern og aluminiumoksid. Både reaksjonen mot høyre og mot venstre vil gå fortere med katalysator. Likevekten blir ikke endret, den bare innstiller seg raskere. Katalysatorene platina og rhodium blir brukt for å redusere utslippene fra personbiler (se s. 222). Klor og brom som blir dannet ved nedbrytning av KFK-er (f.eks. CC12F2) og haloner, virker som kataly­ satorer ved nedbrytning av ozon i stratosfæren (se s. 201).

7.8 Oppsummering Vi har sett at når vi skriver en kjemisk reaksjonslik­ ning, så kan reaksjonen gå begge veier. Vi sier at reaksjonen er reversibel. Etter en tid inntrer likevekt. Da går reaksjonen like fort mot høyre som den går mot venstre. Det blir dannet like mange mol produkt per tidsenhet som det blir spaltet. Totalt sett blir det deretter ingen endring i konsentrasjonene til stoffene som inngår i reaksjonen. Vi kan sette opp et uttrykk for en sammenheng mellom konsentrasjonene til de stoffene som deltar,

75

og en konstant K, likevektskonstanten. Bare konsen­ trasjoner som er variable under de rådende forhold, inngår i uttrykket, og uttrykket gjelder bare ved like­ vekt. For å kunne skrive uttrykket for K må reaksjons­ likningen være gitt. K blir bestemt ved eksperimenter, og størrelsen er temperaturavhengig. Likevektsuttrykket setter oss i stand til å behandle likevekter kvantitativt. Vi kan for eksempel bestemme likevektskonsentrasjonene når startkonsentrasjonene og K er kjent. Når konsentrasjoner inngår i uttrykket for like­ vektskonstanten. skriver vi ofte Kc i stedet for K. Er det gasser som bestemmer likevekten, blir likevekts­ konstanten ofte uttrykt ved partialtrykk, og dette mar­ kerer vi ved å skrive Kp i stedet for K. K-verdien setter oss også i stand til umiddelbart å si noe om likevekten. Dersom K har en stor verdi, er likevekten forskjøvet mot høyre, det vil si at like­ vektsblandingen inneholder relativt mye reaksjonsprodukter. Har K en liten verdi, er likevekten forskjø­ vet mot venstre. Dersom K er av størrelsesorden 1, vil likevektsblandingen vanligvis inneholde betydelige mengder både produkter og reaktanter. I størrelsen Q kan vi sette inn konsentrasjonene til stoffene i reaksjonsblandingen ved et vilkårlig tids­ punkt. Dersom Q K, er systemet ikke i likevekt. Ved å sammenlikne Q med K kan vi finne ut i hvilken ret­ ning reaksjonen må gå for at likevekt skal bli innstilt. Et system kan bli brakt ut av likevekt ved at en endrer konsentrasjonen av et av de deltakende stof­ fene, trykket eller temperaturen. Le Chåteliers prin­ sipp forteller oss i hvilken retning reaksjonen vil gå før ny likevekt blir innstilt. I tekniske prosesser er det viktig å få dannet mest mulig av et bestemt produkt. Likevektsbetraktningene setter oss i stand til å finne ut hvilke betingelser som favoriserer dannelsen av produktet. I denne sammen­ heng må vi også trekke inn reaksjonshastigheten. Katalysatorer og enzymer får reaksjoner til å gå hurtigere, uten at disse stoffene forbrukes.

76

Kjemi, kapittel 7

Spørsmål og oppgaver 7.1

7.6

PCl3(g) + Cl2(g) PCl5(g) I en tom beholder på 3,00 liter blir det ført inn 1,00 mol PC15 og 2,00 mol PCI3. Finn likevektskonsentrasjonene ved 25 °C når Kc er lik 0,18 ved denne temperaturen.

Skriv uttrykket for likevektskonstanten, Kc, for likevekten gitt ved likningen:

a) CH4 + Cl2 b) CO + 2 H2 c) CO + |O2 d) 2 NO2 e) 4 HC1 + O2

# CH3C1 + HC1 CH3OH #CO2 # N2O4 # 2 H2O + 2 Cl2

7.7

er Kc lik 62 ved 525 °C.

7.3

a) I et tomt kar på 1,00 liter blir det ført inn 1,00 mol HI. Finn likevektskonsentrasjonene. b) Det blir tilført mer HI. Når ny likevekt innstiller seg, er konsentrasjonen av I2 blitt fordoblet. Hva er konsentra­ sjonen av de tre stoffene nå?

Skriv uttrykket for likevektskonstanten, Kc, for den hetero­ gene likevekten gitt ved likningen:

a) CaCO3(s) p2 CaO(s) + CO2(g) b) Ni(s) + 4 CO(g) # Ni(CO)4(g) c) 2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g) d) SnO2(s) + 2 H2(g) # Sn(s) + 2 H2O(g)

For likevekten

H2(g) + I2(g) 2 HI(g)

Det forutsettes at alle stoffene som deltar i likevektene, foreligger som gasser.

7.2

En likevekt er gitt ved likningen:

7.8

Ved forbrenning ved høy temperatur, for eksempel av ben­ sin i en bilmotor, reagerer litt N2 og O2 i luft til nitrogen­ oksid, NO. Likevekten mellom disse stoffene er gitt ved:

I en heterogen likevekt forekommer stoffene i forskjellig fase, for eksempel noen som faste stoffer og andre i gassform.

N2(g) + O2(g)) 2 NO(g)

For likevekten gitt ved likningen

0,079 mol N2 og 0,021 mol O2.

N2(g) + O2(g) # 2 NO(g)

Hvor mye NO inneholder likevektsblandingen ved 2000 °C når Kc er lik 0,10 ved denne temperaturen?

I en tom beholder som rommer 2,00 liter blir det sluppet inn en mengde luft som inneholder

er Kc = 0,10 ved 2000 °C. Finn Kc for den motsatte reaksjonen:

2 NO(g) # N2(g) + O2(g)

7.4

Gitt følgende likevekter med tilhørende likevektskonstanter: a) C(s) + H2O(g) & CCKg) + H2(g) = 8.0 • IQ"3 ved 800 °C

b)

H2(g) + Cl2(g) p2 2 HCl(g) Kc = 2,5 • 104 ved 1200 °C

c)

C(s) + 2 H2(g) CH4(g) Å7C = 4,1 • 103 ved 1000 °C

Forklar i hvert enkelt tilfelle om vi får dannet lite eller mye reaksjonsprodukt(er). Det forutsettes at vi starter med å blande sammen i støkiometrisk forhold de stoffene som står på venstre side av dobbeltpilen, og at likevekten får innstille seg ved den angitte temperaturen.

7.5

Skriv uttrykket for likevektskonstanten, Kc, for følgende likevekt:

2 H2(g) + O2(g) CaCO3 + H2O Når mørtelen herder, blir det dannet vann. I nye murbygg er lufta ofte rå og fuktig. Mange metalloksider reagerer som baser i vann. O"~ i oksidet tar opp H+ fra vann og danner OH-:

_ [NH3] ■ [h3o+] [NH4+]

NH3 og NH4+ er et korresponderende syre-base-par. For slike par kan vi danne produktet: b

a

[NH4+] • [OH-] [NH3] • [H3O+] [NH3] |NH4+]

Kb K.d= [H3O+] • [OH-] Produktet [H3O+][OH-] blir kalt vannets ioneprodukt Kw (se s. 85). (Kw = 1.0 • 10'14 ved 25 °C.) For et korresponderende syre-base-par gjelder generelt:

•O— + H2O -» :O:H- + :Q-H-

^a-^b = ^w Svake baser Ammoniakk er en svak base. Likevekten

NH3 + H2O

NH4+ + OH-

er forskjøvet mot venstre. Vi definerer basekonstanten Kb tilsvarende syrekonstanten:

[NH4+] • [OH] [NH3]

b

Målinger viser at i dette tilfellet er Kb = 1,8 • 10 5 (se tabell 8.2). Da Kb har en liten verdi, må ammoniakkløsningen inneholde relativt få NH4+- og OHMoner og mange NH3-molekyler. Den svake basen B gir med vann likevekten: B~ + H2O

HB + OH-

Dette viser at jo sterkere syra er (jo større Æa), desto svakere er den korresponderende basen. Kontroller at dette produktet blir lik 1,0 • 10-14 ved å ta ut verdiene Ka og Kb for noen syre-base-par i tabell 8.2. Eksempel 3

For borsyre, H3BO3, er K.d - 5,8 • 1O~10. Er dette en svak syre? H2BO3_ er denne syras korresponderende base. Skriv likningen for basens reaksjon med vann. Skriv uttrykket for Kb og beregn verdien for Kb. Løsning Da K.d har en svært liten verdi, er borsyre en meget svak syre. Basens reaksjon med vann:

H2BO3- + H2O

Basekonstant: _ [HB] • [OH-]

Noen basekonstanter finner du i tabell 8.2. Dersom en base er svak, blir [HB] og [OH-] små i forhold til [B“], og verdien av Kb blir et lite tall. Vi har sett at for reaksjonen: NH3 + H2O ^2 NH4+ + OHkorr. syre

base

erÆb =

[NH4+] • [OH-] [NH3]

og for reaksjonen:

NH4+ + H2O

NH3 + H3O+

syre

korr. base

b

H3BO3 + OH-

= [H3BQ3] ■ [QH-] [H2BO3-] _ 1,0- IQ-14 = 1.7 ■ IQ-5 Å'a " 5,8 ■ 10-'°

8.4 Salter og oksider i vann. Blir løsningen sur, basisk eller nøytral? På side 52 definerte vi et salt som en forbindelse mel­ lom et metallion (eller ammoniumion) og en syrerest. Når salter, syrer eller baser blir løst i vann, dannes det ioner. Løsninger som inneholder ioner, kalles elek­ trolytter. lonene som dannes når et salt blir løst i vann,

84

Kjemi, kapittel 8

kan foreligge som nøytrale ioner overfor vann eller reagere som syre eller base. Følgende ioner reagerer ikke med vann (de er nøy­ trale overfor vann):

1 lonene Li+, Na+, K+, Ca++ og Ba++. Dette er ioner som blir dannet av sterke baser, se tabell 8.3. 2 lonene CF, Br, F, NO3" og Cl()4. Dette er ioner som blir dannet av sterke syrer, se tabell 8.1. Tenk deg at for eksempel Cl-ionet hadde reagert med vann. Da måtte vi ha fått dannet den korresponderende syra HC1 ved reaksjo­ nen:

Cl- + H2O HC1 + OH Men denne reaksjonen er fullstendig forskjøvet over mot venstre, siden HC1 er en sterk syre som lett avgir H+-ioner til den sterke basen OH'. Altså blir det ingen reaksjon mot høyre, det vil si ingen reaksjon mellom CD og vann.

HSO4 -ionet er en svak syre4 (K.d = 1,2 • 10~2).

Følgelig reagerer ionet med vann: hso4-

+ h2o «=» so4- + H3O+

Det blir dannet H3O+-ioner. Løsningen blir sur. NaHSO4 løst i vann gir en sur løsning. b) Saltet løser seg i Al3+gerer ikke med vann. til seg vannmolekyler metallioner. Al3+-ionet

og CF-ioner. CF-ionet rea­ Al3+-ionene binder i vann - tilsvarende mange andre binder seks vannmolekyler:

Al3+(aq) = A1(H2O)63+ Dette komplekse ionet kan spalte av H+: A1(H2O)63+ + H2O -» A1(H2O)5OH++ + H3O+ Da det blir dannet H3O+-ioner, blir løsningen sur.

Når et salt løses i vann, har vi tre muligheter: 1 Ingen av ionene reagerer med vann. 2 Ett av ionene reagerer med vann. 3 Begge ionene reagerer med vann.

1 Ingen av ionene som blir dannet, reagerer med vann. Løsningen endrer ikke surhetsgrad. Eksempel 4

Vi løser vanlig koksalt, NaCI, i vann. Blir løsningen sur eller basisk?

Løsning NaCI gir i vann Na+- og CF-ioner. Ingen av ionene reagerer med vann (se punktene 1 og 2 over). Surheten i vann blir ikke endret ved tilsats av NaCI.

2 Ett av ionene reagerer med vann.

A Dette ionet er en svak syre.

A1C13 løst i vann gir en sur løsning.

Dersom det ene ionet som reagerer med vann, er en svak syre, blir løsningen sur. Det blir omtalt som et surt ion.

B Ionet som reagerer med vann, er en svak base. Eksempel 6

Soda, Na2CO3, blir mye benyttet som base i hushold­ ningen og i industrien. Hvorfor gir dette saltet en basisk løsning?

Løsning Na2CO3 gir i vann ionene Na+ og CO3“~. Na+ reagerer ikke med vann. CO3~ er en svak base (Kb = 2,1 • 10-4). Ionet reagerer med vann og gir et OH"-ion: CO3— + H2O # HCO3- + OH-

Da OH_-ioner blir dannet, blir løsningen basisk. Eksempel 5

Blir løsningen sur eller basisk når vi løser a) KHSO4 i vann? b) AICI3 i vann? Løsning a) Saltet løser seg i K+-ioner og i HSO4"-ioner. K+-ionet reagerer ikke med vann (se punkt 1 over).

Dersom det ene ionet som reagerer med vann, er en svak base, blir løsningen basisk. Det blir omtalt som et basisk ion.

4 Vi kan også tenke oss følgende reaksjon: HSO4- + H2O H2SO4 + OH', men da H2SO4 er en sterk syre, er reaksjonen sterkt forskjøvet mot venstre.

85

Syrer og baser

3 Begge ionene reagerer med vann. lonenes relative styrke som syre, henholdsvis base, vil i dette tilfellet avgjøre løsningens surhet. Salter som er bygd opp av ioner som ikke reagerer med vann (NaCl), gir en nøytral løsning. Salt av et ion som ikke reagerer med vann, og en svak syre (KHSO4) gir i vann en sur løsning. Salt av et ion som ikke reagerer med vann, og en svak base (Na2CO3) gir i vann en basisk løsning.

Sure og basiske oksider Mange metalloksider reagerer med vann og gir baser (se s. 83). Det gjelder i første rekke metalloksidene der metallet stammer fra hovedgruppene 1 og 2. Eksempel:

Na2O + H2O

= [H3O+] ■ [OH']

Dersom vi setter inn verdiene for [H3O+] og [OH'] som gjelder i rent vann, gir det: Kw = [H3O+] • [OH'] = 1,0 • 10'14 ved 25 °C

blir kalt vannets ioneprodukt eller vannets protolysekonstant. Uttrykket [H3O+] • [OH'] = 1,0 • 10'14 gjelder i rent vann. Men denne sammenhengen gjelder også for vannløsninger, forutsatt at konsentrasjonene av de løste stoffene ikke er for høy. Vi har sett at i rent vann er [H3O+][OH~] = 1,0 • 10~14 ved 25 °C.

Dersom vi tilsetter syre til vann, blir det dannet flere H3O+-ioner, og [H3O+] øker. Men da må [OH'] avta for at vannets ioneprodukt hele tiden skal være lik 1,0 • 10'14

2 NaOH og BaO + H2O -» Ba(OH)2

Mange ikke-metalloksider reagerer med vann og gir syrer. Enkelte vanlige ikke-metalloksider, som NO og CO, reagerer ikke med vann.

Løsningen er sur når:

[H3O+] > 1 • 10'7 og [OH'] < 1 • 10'7 eller når [H3O+] > [OH ],

Dersom vi tilsetter base til vann, blir det dannet flere OH'-ioner. [OH~] øker, og da må [H3O+] avta.

8.5 Vannets egenprotolyse eller autoprotolyse Vi vil igjen benytte ledningsevneapparatet (s. 27). Når elektrodene blir stukket ned i rent vann, lyser ikke lampa. Av det kan vi slutte at vann inneholder lite eller ingen ioner. Vi erstatter så den vanlige lyspæra med en glimlampe. For at denne skal lyse, er det nok at noen få milliampere går gjennom kretsen. Når elek­ trodene nå blir stukket ned i vann, lyser lampa. De to forsøkene viser at vann inneholder relativt få ioner. Andre og nøyaktige målinger viser at:

[H3O+] = [OH'] = 1,0 • 10'7 mol/1 i rent vann ved 25 °C. Disse ionene kan bare ha blitt dannet ved vannets egenspalting eller vannets autoprotolyse'.

H2O + H2O

H3O+ + OH'

For likevekten gjelder Guldberg-Waages lov:

Æ= [H3O+] • [OH~]

Denne K- verd i en blir kalt Kw. (Indeksen w kommer av water.)

Løsningen er basisk når:

[H3O+] < 1 • 10'7 og [OH'] > 1 • 10'7 eller når [H3O+] < [OH“].

8.6 pH-begrepet I det foregående avsnittet fant vi at en vannløsning er

sur når [H3O+] > 1 • 10'7 nøytral når [H3O+] =1-10 basisk når [H3O+] < 1 • 10'7 [H3O+] er vanligvis en liten størrelse. Det er tungvint å skrive og uttale disse små tallene. Derfor innførte dansken Søren Sørensen begrepet pH: pH = -lg [H3O+] lg står for logaritmen med grunntall 10.

Av dette ser vi at pH < 7,0 - løsningen er sur pH = 7,0 - løsningen er nøytral pH > 7,0 - løsningen er basisk

86

Kjemi, kapittel 8

pH-verdiene varierer vanligvis mellom 0 og 14. Vi kan sette dem opp i en skala, figur 8.3. Det er sjelden at løsninger har pH-verdier som er negative eller høy­ ere enn 14.

Et moderne pH-meter med temperaturføler. (Kilde: Diplomingeniør Houm AS) pH

0

1

2

3

4

sur løsning

5

6

7

8

910111213 14

basisk løsning

nøytral løsning

Figur 8.3 pH-skala. Den eksakte definisjonen av pH er

pH = -lg aH3o+ der 4 H2O Dersom vi damper vekk vannet i karet, vil saltionene gå sammen og danne saltkrystaller.

8.9 Syre/base-indikatorer I naturen finnes det enkelte stoffer som gir forskjellig farge i sure og basiske løsninger. De blir brukt til å vise, eller indikere, hva slags løsning vi har. De kalles derfor indikatorer. Fra forskjellige lavarter blir det utvunnet lakmus. Denne indikatoren gir rød farge i syre og blå farge i base. Den er rødblå (fiolett) i nøytral løsning.

Indikator

Omslagsområde

Farge i sur løsning

Farge i basisk løsning

Krystallf iolett Tymolblått Metyloransje Metylrødt Lakmus Bromtymolblått Fenolftalein Al izaringult

0 - 1,8 1,2 - 2,8 3,1 - 4,4 4,4 - 6,2 5,0 - 8,0 6,0 - 7,6 8,3 -10,0 10,1-12,0

gul rød oransje rød rød gul fargeløs gul

blå gul gul gul blå blå rød fiolett

2 H2O

Antall liter 0,010 M KOH som vi må tilsette: x 1

Vi må tilsette 0,010 —- x liter liter - 0,010 • x mol OH" Antall mol OH- som vi må tilsette, skal være lik antall mol som går med for å nøytralisere syra. Dette gir likningen:

0,010 • x mol OH = 0,020 mol OH* x = 2,0 Det går med 2,0 liter 0,010 M KOH.

En nøytralisasjon blir ofte uttrykt ved hjelp av en molekyllikning, for eksempel: 2 KOH + H2SO4 -> K2SO4 + 2 H2O base + syre —»salt + vann

Tabell 8.4 Typiske syre/base-indikatorer. Innenfor et gitt pH-område antar en indikator en mellomfarge. Dette omslagsområdet er forskjellig for for­ skjellige indikatorer. Det framgår av tabell 8.4. Av tabellen ser vi for eksempel at bromtymolblått gir gul farge i sur løsning med pH < 6,0, og blå farge i basisk løsning med pH > 7,6. I omslagsområdet 6,0 < pH < 7,6 antar indikatoren mellomfargen gulblå (grønn).

91

Syrer og baser

8.10 Titrering Det kan ofte være aktuelt å bestemme mengden av en syre eller base. Slike målinger kan bli utført relativt nøyaktig ved en syre-base-titrering. Et slikt forsøk vil bli beskrevet her i tilknytning til figur 8.7. Vi vil finne ut hvor mye vi har av en base, og star­ ter med å løse den i vann i en erlenmeyerkolbe. Det kan for eksempel være to små stykker kaliumhydroksid (såkalt pellets) som blir løst i vann. Løsningen blir tilsatt en indikator, for eksempel bromtymolblått, som gir blå farge med base. I en byrette har vi en syre med kjent styrke. I dette forsøket vil vi bruke 0,100 M HCI. Under omrøring blir syre tilsatt baseløsningen inn­ til fargen er i ferd med å slå om til grønt (eller blå­ gult). De siste dråpene må vi tilsette forsiktig. Når far­ gen er grønn, er løsningen nøytral. La oss anta at det har gått med 24,2 ml 0,100 M HCI. Reaksjonslikningen: H3O+ + OH"

2 H2O

viser at hvert H3O+-ion som er blitt tilsatt, har reagert med ett OH"-ion i kolben. Derfor er antall mol H3O+ tilsatt fra byretten lik antall mol OH' opprinnelig i kolben. Tilsatt fra byretten:

0,100 mol H3O+/1 • 0,0242 1 = 0,00242 mol H3O+

Dette viser at det har vært 0,00242 mol OH' i kolben. Da hver KOH-enhet gir ett OH~-ion, kan vi slutte at kolben må ha inneholdt: 0,00242 mol KOH Det var opprinnelig i kolben:

0,00242 mol KOH • 56,1 g/mol = 0,136 g KOH

8.11 Svake syrer og baser. Beregninger I det følgende vil vi vise et par eksempler på bereg­ ninger der det inngår svake syrer og baser. Først skal vi se hvordan vi ut fra pH-målinger kan beregne syrekonstanten, Ka. Deretter vil vi regne oss fram til pH-verdien i en løsning av en svak syre med kjent styrke, når Ka er kjent. Eksempel 15

pH-verdien i en 0,0100 M eddiksyreløsning er målt til 3,38 (CH3COOH, forkortes HAc, se s. 80). Finn syre­ konstanten Ka. Løsning

HAc + H2O # H3O+ + Ac[H3O+] • [Ac-] [HAc] pH = -lg [H3O+] = 3,38 ifølge måling. Da er:

[H3O+] = W'3’38 mo 1/1 = 4,17 • 10-4 mol/1 0,010 mol HAc

* 0 mol H3O 0 mol Ac_

Figur 8.7 Syre-base-titrering. Baseløsningen som er blåfarget av indikatoren, blir tilsatt syre inntil løsningen er nøytral, dvs. inntil den får en grønn (blågul) farge.

Løsningen blir laget

Figur 8.8

1,0 liter løsning

4,17- nr4 mol H3Oj ? mol HAc ? mol Ac"

Ved likevekt

92

Kjemi, kapittel 8

Likningen

HAc + H20 -n mol

H30+ + Ac-

+n mol

+n mol

viser at det blir dannet like mange mol Ac som H3O+. Altså er

Annengradslikningen har to løsninger, men da antall mol HCOOH som reagerer, x, må være en positiv størrelse, kan vi bare nytte den angitte verdien.

pH = -lg4,2- 10-3=^4

[Ac-] = [H3O+] = 4,17 • 1O-4 mol/1

Antall mol HAc som blir spaltet, er lik antall mol H3O+ som blir dannet. Ved likevekt er derfor:

[HAc] = (0,01000 - 0,000417) mol/1 = 0,00958 mol/1 (= antall mol ved start minus antall mol som er spaltet) Innsatt i Ka gir det: 4,17- IQ-4-4,17 • 10^ a" 0,00958

Ka= 1,8 • IQ-5 Eksempel 16 Maursyre, HCOOH, blir mye nyttet i jordbruket. Finn pH-verdien i 0,10 M maursyre når syrekon­ stanten Ka = 1,8 • 10^.

H3O+-ionene blir dannet ved at syra reagerer med vann. Men det blir også dannet noe H3O+-ioner ved vannets egenprotolyse: H,0 + H2O H3O+ + OH

H3O+-ionene som blir dannet når maursyra blir tilsatt vannet, vil forskyve denne likevekten mot venstre. Ved likevekt vil det vanligvis være et svært lite antall H3O+ioner som stammer fra vannet (< 1 ■ 10“7 mol/1), sett i forhold til an­ tallet av slike ioner som stammer fra syra. Vanligvis kan vi i beregninger se bort fra vannets egenproto­ lyse. Men dersom en syre eller en base er tilstrekkelig svak eller konsentrasjonen tilstrekkelig liten, må vi ta hensyn til ionebidraget fra vannets egenprotolyse.

Silosaft Store mengder maursyre har blitt og blir benyttet for konservering av gras i jordbruket (se s. 240).

Løsning Maursyre er en svak syre.

HCOOH + H2O # H3O+ + HCOO-

= [H3O+] • [HCOQ-] [HCOOH] 0,10 mol HCOOH

1,0 liter løsning

Løsningen blir laget

(0,10-x) mol HCOOH x mol H3O+ x mol HCOO-

Ved likevekt

Figur 8.9

x mol HCOOH per liter løsning vil reagere med vann. Det blir dannet x mol H3O+ og x mol HCOO-. Ved likevekt er det tilbake (0,10 - x) mol HCOOH per liter løsning.

^ojo^1’8-10" x2 + 1,8 • lO"4-*- 1,8 • 10-5 = 0 x = 4,2 • IQ"3

Forhøster påmontert maursyrebeholder. (Foto: Serigstad A/S, Bryne.)

93

Syrer og baser

8.12 Fellesioneffekt a) I eksempel 16 ble 0,10 mol HCOOH tilsatt vann til 1,0 liter løsning. Følgende likevekt ble innstilt:

HCOOH + H2O

H3O+ + HCOO"

(1)

Vi fant at løsningen hadde pH = 2,4. b) Tenk deg at vi har en tilsvarende løsning - som inneholder 0,10 mol HCOOH - og tilsetter 0,10 mol HCOONa slik at løsningens volum blir 1,0 liter. Før tilsetning av HCOONa var likevekt (1) inn­ stilt. HCOONa er et vannløselig salt som i løsningen spaltes fullstendig i HCOO~-ioner og Na+-ioner. Tilsatt HCOONa øker altså løsningens HCOOkonsentrasjon. Ifølge Le Chåteliers prinsipp (s. 72) fører dette til at likevekt (1) forskyves i en retning som virker mot forandringen. Reaksjonen må gå i den ret­ ningen som fører til at konsentrasjonen av HCOO ioner avtar. Det skjer ved at HCOO“-ioner reagerer med H3O+-ioner. Da avtar [H3O+], løsningen blir mindre sur, altså øker pH. Denne effekten skyldes at både den svake syra, HCOOH, og saltet, HCOONa, gir det samme ionet når de løses i vann. HCOO“-ionet er et fellesion for syra og saltet, og vi snakker derfor om fellesion­ effekt. Fellesioneffekten opptrer alltid når en svak syre H8 blir blandet med en saltløsning som inneholder B"-ioner. Vi vil i eksempel 18 studere denne effekten kvantitativt. Om en svak syre, HB, blir tilsatt en saltløsning som inneholder Bionet, eller om B“-ionet blir tilsatt en HB-løsning, så gir det samme resultat.

En fellesioneffekt opptrer også når en svak base blir blandet med en saltløsning som inneholder ett av de ionene som basen gir ved reaksjon med vann. For eksempel gir ammoniakk med vann ammoniumioner:

NH3 + H2O

NH4+ + OH"

(2)

Når en ammoniakkløsning blir blandet med en løsning som inneholder ammoniumioner, for eksempel en NH4Cl-løsning, får vi en fellesioneffekt.

Eksempel 17 Hvilken effekt har det på pH-verdien i en ammoniakk­ løsning at saltet NH4C1 blir tilsatt?

Løsning Likevekten (2) over er innstilt i ammoniakkløsningen. Tilsatt NH4C1 vil løses og spaltes i NH4+ (fellesionet) og Cl" . NH4+-ionene som blir dannet, skyver ifølge Le Chåteliers prinsipp reaksjon (2) mot venstre. Men da blir OH"-ioner bundet. [OH"] avtar, men da må [H3O+] øke, og pH-verdien synker. Løsningen blir mindre basisk.

0,10 mol HCOOH

1 liter løsning

a

pH = 2,4

[H3O+] = 4,2 • 10’3 mol/l 0,10 mol HCOONa

1 liter løsning

b

0,10 mol HCOOH

pH = 3,7

[H3O+] = 1,8 • 10"4 mol/l

Figur 8.10 Fellesioneffekt. HCOOH er betydelig mer spaltet i ioner i vann enn i en 0,1 M HCOONa-løsning. I b inneholder løsningen og syra fellesionet HCOO". Eksempel 18

0,10 mol maursyre, HCOOH, og 0,10 mol natriumformiat, HCOONa, blir løst i vann til 1,0 liter. Finn løs­ ningens pH. Maursyre har syrekonstant Ka = 1,8 • 10^. Løsning Når vi har HCOOH i vann, innstilles likevekten

HCOOH + H2O # H3O+ + HCOO" Likevekten er gitt ved: Ka =

[H3O+] • [HCOO ] [HCOOH

Denne likevekten er innstilt selv om vi tilsetter HCOO" i form av HCOONa. Av uttrykket for Æa ser vi at vi kan finne [H3O+] når Ka er gitt og vi kjenner [HCOO"] og [HCOOH],

94

Kjemi, kapittel 8

Da HCOOH er en svak syre, kan vi ved en til­ nærmet beregning se bort fra at en liten andel av HCOOH-molekylene har reagert med vann. Altså: [HCOOH] -0,10 mo 1/1

HCOONa er et lettløselig salt som er helt spaltet i ioner: HCOONa HCOO + Na+. Dette gir: [HCOO ] = 0,10 mol/1

HCOO--ionet er en meget svak base (se tabell s. 82). Vi kan derfor ved en tilnærmet beregning se bort fra at en svært liten andel av HCOO--ionene har reagert med vann. Altså: [HCOO-] ~ 0,10 mol/1. Innsatt i uttrykket for Æa gir dette: ru o+i-K [HCOOH] _ [H3°]-^1hcooi-1’8'10

0,10 ■ 0,10-1’8 10

som gir: pH = -lg [H3O+] = 3,7

en sterk syre eller base blir tilsatt en buffer. La oss som eksempel studere bufferen som inneholder den svake syra HAc og den svake basen Ac-. En løsning av en sterk syre, som HCI, inneholder H3O+-ioner, som når de blir tilsatt bufferløsningen, reagerer med den svake basen Ac-:

H3O+ + Ac- -> HAc + H2O

Denne reaksjonen går så godt som fullstendig mot høyre. Dette framgår av at reaksjonen:

HAc + H2O # H3O+ + Achar syrekonstanten Kd = 1,8 • 10-5 (se tabell s. 82). Da må den motsatte reaksjonen, gitt ved likning 1, ha K = \/Kd = 5,6 • 104. Den store verdien for K viser at denne reaksjonen går så godt som fullstendig mot høyre. En vanlig sterk base, som NaOH, inneholder OH-ioner, som når de blir tilsatt bufferløsningen, reagerer med den svake syra HAc:

Løsningen i eksempel 18 kalles en bufferløsning.

8.13 Bufferløsninger Mange biologiske og kjemiske reaksjoner som foregår i vann, går best når vannets pH blir holdt innenfor bestemte grenser. Det gjelder i naturen og i menneske­ skapte prosesser. For eksempel bør pH i blodet ligge i et bestemt intervall (7,35 < pH < 7,45). Til tross for at det i kroppens celler blir dannet sure nedbrytningsprodukter som blir tatt opp i blodet, blir blodets pH lite endret. Det skyldes at blodet inneholder en buffer. En bufferløsning er en løsning som i liten grad endrer sin surhet eller pH ved tilsetning av moderate meng­ der syre og base.

I det foregående avsnittet omtalte vi løsninger som inneholdt:

(1)

OH- + HAc -» H2O + AcI virkeligheten er det OH--ionet som er den sterke basen (s. 82). Det har en sterk tendens til å ville ta opp et proton, og tar dette fra HAc-molekylet; reaksjonen går så godt som fullstendig mot høyre. Vi har sett at: H3O+-ioner vil reagere med bufferens svake base (Ac--ioner), og OH--ioner vil reagere med bufferens svake syre (HAc). Tilsetning av moderate mengder syre eller base vil derfor bare i liten grad endre sur­ hetsgrad eller pH for en bufferløsning.

Beregning av pH for en buffer En bufferløsning inneholder ofte en blanding av en svak syre, HB, og denne syras korresponderende base, B~. For dette korresponderende syre-baseparet gjelder følgende sammenheng i en vannløsning:

HB + H2O # B- + H3O+

- en svak syre (HCOOH) og den korresponderende svake basen (HCOO-) - en svak base (NH3) og den korresponderende svake syra (NH4+)

og

Disse løsningene inneholder stoffer som kan reagere med både H3O+-ioner og OH--ioner; de er bufferløs­ ninger.

Av uttrykket kan vi finne [H3O+], og deretter pH, i en bufferløsning:

[B-] • [H3O+] j

= -—[HB]---- der

[H3O+] = tfa^ I det følgende vil vi prøve å finne ut hva som skjer når

er syrekonstanten-

(2)

95

Syrer og baser

forutsatt at konsentrasjonen av den svake syra og den svake basen er kjent. Ka finner vi i tabellverker. Eksempel 19 0,10 mol eddiksyre, HAc, og 0,10 mol natriumacetat, NaAc, blir løst i vann til 1,0 liter. Hvilken pH får denne bufferløsningen? For eddiksyre er Ka = 1,8 • 10-5.

Løsning HAc er en svak syre. Ved en tilnærmet beregning kan vi derfor se bort fra at en svært liten andel av HAcmolekylene har reagert med vann.

Altså: [HAc] - 0,10 mol/l NaAc er et lettløselig salt som er helt spaltet i ioner: NaAc —> Na++Ac~. Dette gir [Ac-] = 0,10 mol/l. Ac-ionet er en meget svak base (se tabell s. 82). Vi kan derfor se bort fra at en svært liten andel av Ac--ionene har reagert med vann.

Vi har sett at når 0,100 mol HAc tilsettes

a)

1 liter vann (se over), blir [H3O+] = 1,3 • 10-3 mol/l.

b)

1 liter løsning som inneholder 0,1 mol Ac- (eks. 19), blir [H3O+]= 1,8- 10~5 mol/l.

Fellesioneffekten fører til at H3O+-konsentrasjonen blir lavere.

Hvor sterkt forandres pH ved tilsetning av en syre? Vi vil i det følgende studere hvordan 1,0 ml 1,0 M HCI vil endre pH i - 1,0 liter rent vann - 1,0 liter buffer Eksempel 20

1,0 ml 1,0 M HCl-løsning blir tilsatt 1,0 liter rent vann med pH = 7,0. Hva blir løsningens pH?

Altså: [Ac-] - 0,10 mol/l

Løsning 1,0 M HCI, dvs. 1,0 mol HCl/1, som inneholder 1,0 mol H3O+/1. 1,0 ml syre (= 0,0010 1) inneholder: 1,0 mol H3O+/1 • 0,0010 1 = 0,0010 mol H3O+

Innsatt i likning 2 gir dette: [H3O+] = 1,8 • IQ"5 •

= 1,8 • IQ’5

som gir pH = -lg [H3O+] = 4,7 Sluttløsningens konsentrasjon blir: Tenk deg at løsningen til å begynne med inneholder 0,100 mol eddiksyre, HAc. Likevekten HAc + H2O

H3O+ + Ac"

(3)

er innstilt, og

m

’

m mol H3O+ 1

Løsningens pH = -lg[H3O+] = -lg 0,0010 = 3,0 Eksempel 21

[H3O+] ■ [Ac"] = 1,8 ■ IQ"5 *a = [HAc] Ved likevekt er [H3O+] = [Ac-] = x mol/l (Vi kan se bort fra vannets egenprotolyse.) Ved likevekt er [HAc] = (0,100 - x) mol/l - 0,100 mol/l (x er en liten størrelse, da HAc er en svak syre.) Innsatt i uttrykket for K.å gir dette [H3O+] = 1,34 • 10-3 mol/l og

0,0010 mol H3O+ (1,0 + 0,001)1

1,0 ml 1,0 M HCI blir tilsatt 1,0 liter av den bufferen som ble beskrevet i eksempel 19. Hva blir endringen i pH? Løsning H3O+-ionene i syra vil reagere med den svake basen, Ac-:

H3O+ + Ac- -> HAc + H2O pH = 2,9

Til denne løsningen setter vi 0,100 mol NaAc, som i vann gir Na+ioner og Ac"-ioner. Ac“-ionet er et fellesion for syreløsningen og saltet. Når Ac"-ioner tilsettes, vil ifølge Le Chåteliers prinsipp likevek­ ten (3) forskyves slik at Ac--ioner forbrukes. Det skjer ved at Ac= ioner reagerer med H3O+-ioner; H3O+-konsentrasjonen avtar og pH øker.

Vi tilsetter 0,0010 mol H3O+ (se eksempel 20). Da reaksjonen går så godt som helt over mot høyre (H3O+ er en sterk syre), kan vi regne med at 0,0010 mol Acreagerer, og 0,0010 mol HAc blir dannet ved reaksjo­ nen.

96

Kjemi, kapittel 8

Før tilsetning av HCI i mol per 1 [H3O+] = 1,8 • UT5 (se eks. 19) [Ac-] = 0,10 [HAc] = 0,10

Etter tilsetning av HCI mol per 1 i - ? [H3O+]

= 0,10-0,001 = 0,10 + 0,001

[Ac-] [HAc]

Verdiene i høyre kolonne gir, innsatt i likning 2:

trasjon ved at CO2-holdig vann renner gjennom kalk­ holdig (CaCO3-holdig) grunn. Da vil CaCO3 reagere med CO2 og danne vannløselig Ca(HCO3)2: CaCO3 + CO2 + H2O

Ca(HCO3)2

(4)

Stoffet foreligger dissosiert i Ca++-ioner og HCO3_ioner.

[h’o+i=^!S [h’o+i=i'8',o-5'wS [H3O+] = 1,836 • lO-5 mol/1

og

pH = 4,7

Det framgår at en liten mengde sterk syre (1,0 ml 1,0 M HCI) kan gi en stor forandring i pH i rent vann (endre pH fra 7,0 til 3,0 i 1,0 liter vann). Den samme syremengden tilsatt samme volum av ovennevnte bufferløsning gir en ubetydelig endring av pH-verdien. (A pH = 0,009) På tilsvarende måte vil en liten tilsetning av base gi en ubetydelig endring av pH for en buffer (se oppgave 8.25 b). En buffer har størst kapasitet når den inneholder omtrent like store konsentrasjoner av HB og B~. Vi kan lage buffere med forskjellige pH-verdier ved å velge syrer med forskjellige verdier for syrekon­ stanten, ÅTa, og blande dem med deres korresponde­ rende base. Velger vi [HB] = [B_], blir pH i bufferen (se likning 2):

pH = -lg[H3O+]=-lgÆa = pKa

HCO3 som buffer i naturlig vann. Karbonatisering Karbondioksid (CO2) i luft blir i kontakt med vann delvis løst, og følgende likevekter innstiller seg:

CO2(g)

CO2(aq)

(1)

CO2(aq) + H2O H2CO3(aq)

(2)

H2CO3(aq) H+(aq) + HCO3~(aq)

(3)

H+(aq) + CO3~(aq)

(4)

HCO3-(aq)

I nøytralt vann vil karbonet (fra CO2) foreligge som hydrogenkarbonation, HCO3_, se figur 8.11. Ionet kan bli dannet og foreligge i høyere konsen­

Figur 8.11 Forekomst av H2CO3, HCO3_ og CO3__ som funksjon av pH. Vi ser at HCO3“ er stabil omkring pH = 8. Ved høyere pH vil HCO3~ gradvis gå over til CO3~_. Likevekten HCO3_ ^2 H+ + CO3__ forskyves mot høyre. HCO3 -ionene kan reagere både som base og syre. hco3-

+ H3O+

H2CO3 + H2O

HCO3- + OH" CO3— + H2O

Vann som inneholder dette ionet, fungerer derfor som en buffer, det vil si at det vil kunne nøytralisere mode­ rate mengder både av syre og base. I enkelte renseanlegg for drikkevann blir vannet karbonisert, det vil si brakt i kontakt med CaCO3 eller Ca(OH)2 og tilsatt CO2. Da dannes Ca(HCO3)2 (se lik­ ning 4 over), og vannet blir en bufferløsning. I anlegg for rensing av kloakk og industrivann blir det ofte nyttet mikroorganismer for å bryte ned orga­ nisk stoff. Men kulturene av organismer kan bli øde­ lagt av sure eller basiske utslipp. For å forhinde dette kan det derfor være aktuelt å tilsette buffere.

97

Syrer og baser

8.14 Oppsummering Vi definerte en syre, HB, som et stoff som kan spalte av protoner, HB —» H+ + B~, og en base, B~, som et stoff som kan ta opp protoner, B- + H+ —> HB. Syrene og basene kan være molekyler eller ioner. Protolysereaksjoner er reaksjoner der protoner blir tatt opp og/eller avgitt. I en syre-base-reaksjon blir protoner avgitt fra en syre og tatt opp av en base. I vann gir syrene oksoniumioner, H3O+, og basene hydroksidioner, OH-. Vi skiller mellom sterke syrer, som er så godt som fullstendig spaltet i ioner i vann, HB + H2O —> H3O+ + B~, og svake syrer, som bare er delvis spaltet i ioner i vann. For svake syrer skriver vi likevekten HB + H2O 7. pH-verdien blir målt ved hjelp av pH-meter eller universalindikatorpapir. pOH = -lg[OH-] og pH + pOH = 14.

Vi kan nøytralisere - en syre ved å tilsette en base, - en base ved å tilsette en syre. Løsningen blir nøytral når vi blander like mange mol H3O+- og OH--ioner. Reaksjonen skjer ifølge lik­ ningen: H3O+ + OH- -4 2 H2O

En indikator er et stoff som har forskjellig farge i

sterkt sur og sterkt basisk løsning. I et bestemt pHområde, omslagsområdet, har den en mellomfarge.

Vi har sett hvordan vi kan beregne syrekonstanten Ka, henholdsvis pH, når vi har en løsning av en svak syre (eksemplene 15 og 16). Dessuten er fellesioneffektens innvirkning på surhetsgraden i en løsning behandlet.

Bufferløsninger er karakterisert ved at pH endres lite ved tilsetning av moderate mengder sterk syre eller sterk base. En slik løsning kan vi lage ved å blande en svak syre med den korresponderende basen.

Spørsmål og oppgaver 8.1

Hvordan lyder Brønsteds definisjon for en syre og en base?

8.2 a) Skriv formelen for et oksoniumion og et hydroksidion. b) Hva kaller vi reaksjoner der protoner blir spaltet av eller tatt opp? 8.3 Skriv protolysereaksjonene med vann for: a) HC1O4, perklorsyre b) HNO2, salpetersyrling, c) HCIO3, klorsyre d) HF, hydrogenfluoridsyre5. Av disse syrene er det bare HC1O4 som er en sterk syre. Skriv formel for og navn på den korresponderende basen i hvert enkelt tilfelle.

8.4 Maursyre, HCOOH, er et stoff som blir nyttet i store mengder i landbruket for konservering av gras (silonedlegging). Skriv likningen for reaksjonen mellom HCOOH og H2O. Hva er syras korresponderende base? 8.5 Hydrogensulfittionet, HSO3-, kan opptre både som syre og base. Skriv protolysereaksjonene med vann. Hva kaller vi et stoff som har denne egenskapen?

8.6 I et kar er det 0,010 M HClO4ogi et annet kar 0,010 M HF. Elektrodene til et ledningsevneapparat blir etter tur satt ned i de to løsningene. Hva vil vi observere? Hvordan kan vi forklare disse observasjonene? Hva menes med en svak syre? (Da HF er et svært farlig stoff, er det ikke tilrådelig å utføre forsøket.) 8.7 Hvilke av stoffene CH3COOH, HNO3, NH3, NaOH, Ba(OH)2, NH4+, H2S, SO4" og HCO3- er sterke eller svake syrer, sterke eller svake baser? Navnsett disse syrene og basene. Har noen av disse stoffene amfotære egenskaper?

5 Vanligvis kalt flussyre.

98 8.8

8.9

Kjemi, kapittel 8

Skriv likningen for protolysereaksjonen med vann for de svake syrene H2CO3 og HCN. Sett også opp uttrykket for Ka. Finn Å'a-verdiene av tabellen. Vil du karakterisere disse syrene som svake, middels svake eller meget svake syrer? HCO3“ og CN” er svake baser. Skriv likningen for deres protolysereaksjon med vann. Sett opp uttrykkene for Kb, og finn verdien av dem i tabell 8.2. Hvilken sammenheng er det mellom Ka og Kb når vi har et korresponderende syre-base-par? Sett inn tallene du har funnet i oppgavene 8.8 og 8.9, og se om du får det forven­ tede resultatet.

8.10 Følgende stoffer blir løst i vann: a) KN03, b) NH4C1, c) NaCl, d) CH3COOK Vil saltløsningen bli basisk, sur eller nøytral? Begrunn svarene.

8.11 a) Hvordan er begrepet pH definert? b) Skriv uttrykket for vannets ioneprodukt. c) Hva er [H3O+] og [OH] i helt rent vann? 8.12 Finn pH i en a) 0.030 M HCl-løsning b) 0,0010 M HNO3-løsning c) 0,060 M KOH-løsning d) 1,2 • lO"9 M HCl-løsning (Se petitstoffet på side 92.)

8.13 Hvaer [H3O+] i a) et fjellvann som har pH lik 4,3? b) en mettet løsning med Ca(OH)2 som har pH lik 12,4? 8.14 Na2O er et basisk oksid. Med vann reagerer det ifølge lik­ ningen:

Na2O + H2O -» 2 Na+ +2 OH"

3,1 g Na2O blir løst i 3,00 liter vann. Hva blir løsningens pH?

8.15 Hvor mye vann må vi tilsette 1,00 liter 0,100 M HNO3 for at vi skal få en løsning som har pH lik 3,0? 8.16 En industribedrift har tillatelse til å slippe ut 100 kg SO2 per time. Vi tenker oss at alt SO2 blir omdannet til H2SO4. (Se oppgave 3.18.) Videre tenker vi oss at et døgns syreproduksjon faller ned sammen med regnet over et område på 100 km2 i et regnvær som gir 10 mm nedbør. Hvilken pH kan vi ut fra dette beregne for nedbøren? Det blir forutsatt at svovelsyra protolyserer fullstendig. 8.17 Skriv fullstendig reaksjonslikning for reaksjonen mellom følgende syrer og baser: a) KOH + HCI -> b) Ca(OH)2 + HCI -> c) NaOH + H2SO4 -> d) Mg(OH)2 + H3PO4 —> Vi forutsetter fullstendig nøytralisasjon.

8.18 Vannet i et vannverk har pH = 4,5. Vannet blir nøytralisert ved tilsetning av NaOH. Hvor mye NaOH må tilsettes per m3 vann?

8.19 Vi har 0,50 kg svovelsyreløsning som inneholder 93 masseprosent H2SO4. Før løsningen blir tømt i utslags­ vasken, må den nøytraliseres. For dette formålet nytter vi 1,5 M NaOH. Hvor mange liter baseløsning går med? 8.20 a) 0,53 g NaOH blir løst i vann og fortynnet til 1,00 liter. Finn løsningens pH. b) Hvor mye 0,100 M HCl-løsning går med for å nøytrali­ sere løsningen? c) Hva blir løsningens pH dersom vi tilsetter den nøytrale løsningen i oppgave b ytterligere 500 ml av HC1løsningen?

8.21 a) Ved et forsøk finner vi at pH er lik 2,16 i en 0,30 M maursyreløsning (HCOOH-løsning). Beregn ut fra dette syrekonstanten. b) Finn pH i en 0,10 M maursyreløsning. Syrekonstanten Ka= 1,8 • lO*4. 8.22 a) Finn syrekonstanten for eddiksyre når du får oppgitt at en 0,05 M syreløsning er 4 % protolysert. b) Beregn pH i en 0,10 M eddiksyreløsning. Syrekon­ stanten Ka = 1,8 • ICC5. 8.23 a) Forklar hvorfor natriumacetat, CH3COONa, reagerer basisk. b) Acetationet, CH3COO , er en base med basekonstant Kb = 5,6 • 10"10. Beregn pH i en 0,10 M CH3COONaløsning. c) Beregn til slutt pH i en blanding av 500 ml 0,10 M CH3COOH-løsning og 500 ml 0,10 M CH3COONaløsning.

8.24 I 1,0 liter løsning er det løst 0,20 mol NH3 og 0,10 mol NH4C1. Hvilken pH har denne bufferløsningen?

8.25 a) 0,010 mol NaOH tilsettes 1,0 liter rent vann med pH = 7,0. Hvor stor blir pH-endringen ? b) 0,10 mol CH3COOH og 0,10 mol CH3COONa løses i vann til 1,0 liter bufferløsning. Hvordan forandres pH om vi tilsetter 0,010 mol fast NaOH? (Vi ser bort fra volumendringen som skyldes tilsetning av NaOH.)

9 Reaksjoner i vann

Dette kapitlet må ses i sammenheng med kapitlene 5 Vann og vannforurensning og 6 Vannrensing i Miljølæredelen, der emner som vann i naturen, vannforsy­ ning og forskjellige rensemetoder blir behandlet. Vi har i det foregående omtalt mange reaksjoner i vann. I dette kapitlet vil vi si litt om løselighet gene­ relt og litt om hvorfor noen stoffer løses lett i vann, mens andre er vanskeligere å løse. I den forbindelse er det naturlig å se på den motsatte reaksjonen: ioner kan bli bundet sammen og danne et tungtløselig stoff eller en felling. Slike fellingsreaksjoner vil bli studert først kvalita­ tivt, deretter kvantitativt. I forbindelse med det skal vi se på likevektsreaksjoner av typen:

BaSO4(s)

En løsning som inneholder mindre løst stoff per liter enn den mettede løsningen, blir kalt umettet. En løsning kan også være overmettet. Den inneholder da mer stoff per liter enn en mettet løsning. En slik løsning er i en ustabil til­ stand. En liten krystall av stoffet som blir tilsatt løsningen, er nok til å starte en utfelling. Fellingen vil pågå inntil løsningen er mettet.

Løseligheten er temperaturavhengig. Vanligvis øker løseligheten med temperaturen, se figur 9.1.

Ba++(aq) + SO4““(aq)

9.1 Generelt om løselighet Tenk deg at du løser et salt i vann under omrøring. Etter en tid når du en grense der det ikke er mulig å løse mer stoff. Du har da en mettet løsning. Med løseligheten av et stoff mener vi konsentrasjo­ nen av stoffet i en mettet løsning. Både faste stoffer, væsker og gasser kan bli løst i vann. Løseligheten varierer innenfor vide grenser, som vist i tabell 9.1. Karakteriseres som

Stoff

Løselighet (g/l)

Diamant BaSO4 NaCI Bensin C2H5OH o2 CO2

Uløselig 0 0,0025 Tungtløselig Lettløselig 358 Lite løselig 0,4 løses i alle forhold Fullstendig løselig Lite løselig 0,045 Lite løselig 0,145

Tabell 9.1 Løseligheten for noen stoffer ved 20 °C.

Figur 9.1 Løseligheten øker vanligvis med tempera­ turen. Men det finnes unntak fra denne regelen, f.eks. Na2SO4.

100

Kjemi, kapittel 9

9.2 Hvorfor er noen stoffer løselige, mens andre ikke er det?* Før vi forklarer hvorfor vann er et godt løsemiddel, må vi studere vannmolekylet litt nærmere. Figur 9.2 viser vannmolekylets oppbygning. Bindingene fra oksygenatomet til de to hydrogenatomene danner en vinkel på 104,5° med hverandre. Oksygen har betydelig større elektronegativitet (s. 33) enn hydrogen. Derfor blir de to elektronene som et oksygenatom deler med et hydrogenatom, trukket mot oksygen. Bindingene er polare. Da vinkelen mellom bindingene er forskjellig fra 180°, fører dette til at sentrene for positiv og negativ ladning ikke faller sammen. Molekylet blir derfor en dipol. Sentret for positiv ladning blir liggende mellom hydrogenato­ mene, mens sentret for negativ ladning ligger i oksy­ genatomet på den siden som vender bort fra hydro­ genatomene.

Forenklet

Felleselektronene blir trukket

tegning av

mot oksygen

et vannmolekyl

CD- ionene og dra dem ut i løsningen, se figur 9.4 a. I løsningen vil begge ionene være omgitt av vann­ molekyler. Det er det vi markerer i likningen når vi skriver Na+(aq) og CF( aq).

Figur 9.3 Vannmolekylene drar Na+-ionet ut i løs­ ningen.

Men hvorfor er AgCl lite løselig? Det skyldes at de elektrostatiske bindingene mel­ lom Ag+- og CF-ionene er mye sterkere enn mellom Na+- og CF-ionene. Se figur 9.4 b. Tiltrekningskreftene mellom ionene og vannmolekyl-dipolene er ikke sterke nok til å overvinne kref­ tene mellom ionene i sølvkloridkrystallen. Men det er noen ioner i løsningen. Du kjenner kanskje til at i en gass har de forskjel­ lige molekylene ulik energi (Maxwells fordelingslov).

Figur 9.2 Da oksygen har større elektronegativitet enn hydrogen, og bindingene i molekylet danner en vinkel som er forskjellig fra 180°, blir vannmolekylet en dipol.

I det følgende skal vi studere løseligheten for - stoffer der det inngår ionebindinger - stoffer som inneholder polare molekyler - stoffer med van der Waalske bindinger mellom molekylene.

Stoffer der det inngår ionebindinger Figur 9.4 a viser et utsnitt av NaCl-gitteret. Na+- og CF-ionene er bundet sammen med elektrostatiske bin­ dinger. Når stoffet er i vann, vil ionene ytterst i krystallen komme i kontakt med vannmolekylene. Vannmolekylenes negative side vil vende inn mot Na+-ionene, se figur 9.3. De vil utøve tiltrekning på disse ionene og dra dem ut i løsningen. Vannmolekylenes positive side vil vende inn mot CF-ionene. De vil trekke på

Figur 9.4 a) Vannmolekylenes positive side vil vende inn mot Cl_-ionet. De vil utøve en tiltrekningskraft på ionet og dra det ut i løsningen. På tilsvarende måte blir Na+-ionet dradd ut i løsningen (figur 9.3). I løsningen er ionene omgitt av vannmolekyler.

101

Reaksjoner i vann

Vannmolekylene er også bundet sammen med hydro­ genbindinger, se figur 9.6. .A _ ti ‘u M 1

•••• Hydrogenbindinger mellom vannmolekylene

H (+) (+)

:(-)

:O - H — :O - H I

I

H

H

Figur 9.6 Mellom vannmolekylene virker det hydrogen­ bindinger. Figur 9.4 b) Vannmolekylene forsøker på tilsvarende måte å dra Ag+- og CF-ioner ut i løsningen. Dette lyk­ kes i langt svakere grad på grunn av at ionene er mye sterkere bundet til hverandre i AgCI-krystallen.

Tilsvarende er det også for ionene i et gitter. Et ion i gitteret som i et gitt øyeblikk har spesielt stor energi, makter vannmolekylene å trekke ut i løsningen. De fleste ioneforbindelser er lettløselige i vann.

Stoffer som inneholder polare molekyler Også en del stoffer som er bygd opp av molekyler, blir løst i vann. For at det skal skje, må både bindingene mellom molekylene i det løste stoffet og mellom molekylene i løsemidlet bli brutt. Et stoff A vil bare løses dersom det blir dannet like sterke eller sterkere bindinger mellom molekylene i stoff A og løsemidlet enn det er mellom molekylene innbyrdes i stoff A. Stoffer som etanol, C2H5OH, glykol, CH2OHCH2OH (som løst i vann brukes som frostvæske), og rørsukker, Cj2H22O]1, inneholder alle sterkt polare OH-grupper. (C12H22On inneholder 8 OH-grupper.) Molekylene er bundet sammen med sterke polare bin­ dinger eller hydrogenbindinger, se figur 9.5.

H l

H i H - C - C I I H H

Hydrogenbindinger mellom etanolmolekylene

Figur 9.5 Mellom etanolmolekylene, CH3CH2OH-molekylene, virker det hydrogenbindinger.

Stoffer som består av polare molekyler, som etanol, glykol og rørsukker, blir løst ved at vannmolekyler går inn mellom molekylene. Som vist på figur 9.7 oppstår det sterke polare bindinger eller hydrogenbin­ dinger mellom disse molekylene og vannmolekylene. Hydrogenbindinger mellom vannmolekylene og etanolmolekylene

H ill :O - C - C -

H li i - C - C - 6 - H ••• 0 - H I

|

(-)

;'(-)( + )

(+)

(

)

।

।

H (+) I

i

O-H (+)

I

:6 - C - C l-)|

।

।

H Figur 9.7 Vi ser at det er blitt dannet hydrogenbin­ dinger mellom molekylene i det løste stoffet (etanol) og løsemidlet (vann).

Stoffer med van der Waalske bindinger mellom molekylene Stoffer der molekylene blir bundet sammen med rene van der Waalske bindinger, løses dårlig i vann. Mole­ kylene makter ikke å trenge innimellom og bryte de relativt sterke hydrogenbindingene mellom vannmole­ kylene. Og det blir ikke dannet sterke bindinger mel­ lom de upolare molekylene og vann. Derfor løses stoffer som He, O2, N2, CH4, CHC13, bensin og oljer dårlig i vann. Noen løsemidler består av molekyler som er dipoler (som vann). Mellom molekylene virker det polare krefter. Disse løsemidlene løser stoffer med polare

102

Kjemi, kapittel 9

krefter, det vil si ionebindinger eller polare bindinger, mellom enhetene. Andre løsemidler består av molekyler bundet sam­ men med van der Waalske krefter mellom molekylene (som i karbontetraklorid og eter). De løser stoffer med tilsvarende krefter mellom molekylene. Ovenstående kan bli sammenfattet i løselighetsregelen som sier at likt løser likt. Denne hovedregelen er ikke alltid like egnet til å forutsi løseligheten til et stoff. Det skjer best på grunnlag av eksperimentell erfaring. Erfaringsmateri­ alet er sammenfattet i tabeller. En enkel løselighetstabell er vist i tabell 9.2.

9.3 Fellingsreaksjoner For å kunne forutsi om det blir en felling når to vannløsninger blir blandet sammen, vil vi nytte en enkel tabell som viser hvilke stoffer som er lettløselige i vann, og hvilke som er tungtløselige, se tabell 9.2. Regel lon nr.

1 2

3 4 5 6

7 8 9

Løsning NaNO3-løsningen inneholder Na+- og NO3_-ioner. NH4Cl-løsningen inneholder CF- og NH4+-ioner. Når disse to ioneløsningene blir blandet, har vi to muligheter for reaksjoner, siden ionene som skal gå sammen, må ha motsatt ladning. Med oppsettet over betyr det at vi må summere vertikalt. Na+ kan tenkes å slå seg sammen med CF og danne NaCI. Men ifølge regel nr. 1 er alle natriumsalter lettløselige, og et salt som er løst i vann, er spaltet i ioner. Dermed blir ikke NaCI dannet. Den andre tenkelige muligheten er at NO3_ går sammen med NH4+ og danner NH4NO3. Men det vil ikke skje, fordi NH4NO3 er lettløselig ifølge regel nr. 3 og foreligger derfor som ioner i løsningen. Når de to løsningene blir blandet sammen, får vi en blanding av Na+-, NO3“-, NH4+- og CF-ioner. Det blir ingen reaksjon.

Saltene som inneholder dette ionet, er vanligvis

meget lettløselige meget lettløselige meget lettløselige tungtløselige, bare AgNO3 er Ag+ lettløselig lettløselige no3CF alle lettløselige, unntatt AgCI, PbCI2 og Hg2CI2 alle lettløselige, unntatt salter so4av Ca, Ba, Pb, Hg og Ag ch3coo- alle lettløselige, unntatt CH3COOAg de fleste tungtløselige, unntak s— er salter av Na, K, NH4+, Ca og Ba Na+ K+ nh4+

Figur 9.8 Når en NaNO3-løsning blir blandet med en NH4CI-løsning, får vi en vannklar løsning som innehol­ der NH4+-, CF-, Na+- og NO3_-ioner.

Eksempel 2

Tabell 9.2 Løselighetsregler.

En CaCE-løsning blir tilsatt en K2SO4-løsning. Vil det skje en utfelling?

Eksempel 1 En NaNO3-løsning blir tilsatt en løsning av NH4C1. Hva vil skje?

Observasjon Det blir dannet en hvit felling.

Observasjon Vi observerer ingen reaksjon. Det har ikke blitt dannet noen felling.

Løsning CaCl2-løsningen inneholder Ca++- og CF-ioner. K2SO4-løsningen inneholder SO4"“- og K+-ioner.

103

Reaksjoner i vann

To stoffer kan tenkes dannet: CaSO4 og KC1. Regel nr. 7 viser at CaSO4 er tungtløselig. Det er dette stoffet som blir utfelt. Alle kaliumsalter er lettløselige ifølge regel nr. 2, det vil si at KCl-enheter ikke kan eksistere i vann. Det betyr at KCl-enheter som tenkes dannet, foreligger spaltet i ioner. Reaksjon: Ca++ + 2C1- + 2K+ + SO4- -> CaSO4 (s) + 2K+ + 2C1"

Nettolikning: Ca++ + SO4

—» CaSO4 (s)

K+ og Cl' er tilskuerioner. De deltar ikke i reaksjonen. At stoffet som dannes (CaSO4), er et fast, tungtløselig stoff, markerer vi ved å skrive (s) (solid). Stoffet vil med tiden synke til bunns. Det blir dannet en hvit felling av CaSO4. Eksempel 3 Vi har Ba(OH)2 i et begerglass. H2SO4 blir tilsatt langsomt fra en byrette. Elektrodene til et ledningsevneapparat står ned i bariumhydroksidløsningen, figur 9.9. Hva vil vi observere, og hvordan kan observasjo­ nene forklares?

Observasjon Det lyser kraftig i lampa til å begynne med. Lysstyrken avtar, nesten umerkelig, med økende tilset­ ning av syre. Etter noen tid blir lyset helt borte. Ved tilsetning av mer syre øker lysstyrken igjen. Forklaring Ved start er det Ba++- og OH“-ioner i løsningen, da Ba(OH)2 er en sterk base. Lampa lyser kraftig. Syra i byretten inneholder H3O+- og SO4 -ioner. H3O+-ionene som blir tilsatt, vil reagere med OHionene i baseløsningen og danne vann. SO4 -ionene binder seg til Ba++-ionene og danner tungtløselig BaSO4:

Ba++ + 2 OH' + 2 H3O+ + SO4-

4 H2O + BaSO4 (s)

Etter hvert minker det dermed med ioner i begerglasset. Derfor blir lyset i lampa noe svakere med tiden. Når lampa slokker helt, er det tilsatt like mange mol H2SO4 som det var mol Ba(OH)2 opprinnelig i begerglasset. Det vil si at det er tilsatt like mange mol SO4__ioner som det var mol Ba++-ioner i begerglasset. Men da er det også tilsatt like mange mol H3O+-ioner som det var OH-ioner. Løsningen er blitt nøytral. Setter vi til mer syre, lyser lampa igjen. Det er ingen ioner i løsningen som de tilsatte H3O+-ionene og SO4_“-ionene kan reagere med. Ved reaksjonen blir det dannet en svak elektrolytt, H2O, og et tungtløselig stoff, BaSO4.

9.4 Løselighetsprodukt Et betydelig antall stoffer er tungtløselige. Når for eksempel Ba++-ioner blir tilsatt SO4~ioner, vet vi at det blir dannet et hvitt stoff. Det består av svært små bariumsulfatkrystaller, BaSO4. Dette stoffet er tungtløselig: Ba++ + SO4- -» BaSO4 (s) Stoffet sies ofte å være «uløselig», men det er ikke riktig. Dersom BaSO4 blir tilsatt vann, vil en svært liten del av stoffet bli løst. Alt som blir løst, vil fore­ ligge som ioner.

Figur 9.9 H3O+-ionene fra syra vil reagere med OH~ionene fra basen og gi den svake elektrolytten vann. Ba++-ionene vil reagere med SO4"-ionene og gi tungt­ løselig BaSO4 Lyset slokkes når vi har tilsatt like mange mol syre som det var mol base opprinnelig.

BaSO4 -» Ba++ + SO4~

Denne reaksjonen er den motsatte av reaksjonen over. En likevekt blir innstilt: BaSO4(s)

Ba++(aq) + SO4~(aq)

104

Kjemi, kapittel 9

For likevekten kan vi nytte Guldberg-Waages lov:

Æsp = [Ba++] ■ [SO4-] I uttrykket for likevektskonstanten skal bare konsentrasjonene av de stoffene som er variable, inngå (s. 68). Konsentrasjonen av faste stoffer, som BaSO4, inngår ikke i uttrykket.

Likevektskonstanten blir i dette tilfellet skrevet ÅTsp og blir kalt løselighetsproduktet (sp kommer av det eng­ elske uttrykket solubility productk) Det tungtløselige stoffet kalsiumfosfat, Ca3(PO4)2, inngår i løselighetslikevekten

Ca3(PO4)2 (s) 5Fe3+ + 5e~ —» Mn2+

| •5 | •1

5 Av det ovenstående går det fram at for hvert Mn+7, det vil si for hvert MnO4"-ion, må vi ha 5 Fe++ioner for at antall elektroner avgitt skal bli lik antall elektroner tatt opp.

I de følgende reaksjonslikningene er det underforstått at de angitte ionene er i en vandig løsning (aq). 10.1 Finn oksidasjonstallet for a) nitrogen i N2O, N2O5, NO, NH3 og HNO3. b) mangan i MnO2, MnO4__, KMnO4 og Mn2O3.

10.2 Krutt en blanding av kaliumnitrat, svovel og karbon. Når kruttet eksploderer, skjer reaksjonen: KNO3(s) + Sis) + C(s)

CO2(g) + N2(g) + K2S(s)

Hvilket stoff er oksidert? Hvilke stoffer er redusert?

Vi setter derfor 1 foran MnO4_ og 5 foran Fe++ i reak­ sjonslikningen. Men da må det stå 1 foran Mn2+ og 5 foran Fe3+ for at det skal bli like mange atomer mangan, henholdsvis jern, på begge sider av pilen. Det er 4 oksygenatomer i MnO4“, og vi må derfor ha 4 H2O for at det skal stemme med antall O-atomer. Når vi så til slutt setter 8 foran H+, vil det også stemme med antall H-atomer, og likningen er balansert. 5 Fe++ + MnO4- + 8 HM 5 Fe3+ + Mn++ + 4 H2O

som angitt i likning 1.

10.5 Oppsummering Først i kapitlet definerte vi begrepene oksidasjon og reduksjon. Når et element blir oksidert, øker oksida­ sjonstallet; elektroner blir avgitt (eks.: Fe —> Fe++ + 2e-). Når et element blir redusert, avtar oksidasjonstal­ let; elektroner blir tatt opp (eks.: Fe++ + 2e_ —> Fe). For at et stoff skal bli oksidert, må et annet stoff bli redusert. Begge reaksjonene skjer samtidig i en redoksreaksjon. Når et stoff blir redusert og altså tar opp elektroner, virker det som et middel til å oksidere et annet stoff. Det er et oksidasjonsmiddel. Stoffet som blir oksidert, er et reduksjonsmiddel. Oksidasjonstall er en størrelse som blir bestemt ved hjelp av et sett regler som er gitt på side 109. Disse oksidasjonstallene er til stor hjelp når vi skal balansere redokslikninger.

10.3 Nedenfor er det gitt to reaksjonslikninger. Finn i begge til­ feller hvilket stoff som blir oksidert og hva som er oksidasjonsmidlet. Skriv en enkel likning for oksidasjonsreaksjonen. Balanser til slutt likningene. a) Fe + O2 + H2O -> Fe(OH)2

Når jern blir utsatt for luft og vann, blir det dannet rust. Reaksjonen over er første trinn i denne prosessen. b) Na + H2O -> NaOH + H2 Natriummetall reagerer kraftig med vann under dannelse av hydrogen. 10.4 Fe++-ioner kan bli oksidert til Fe3+-ioner av MnOr i surt miljø (se eksempel 5). Denne oksidasjonen vil også finne sted dersom vi nyt­ ter oksidasjonsmidlet Cr2O7"~ i surt miljø.

Fe++ + Cr2O7- + H+

Fe3+ + Cr3+ + H2O

Skriv på samme måte som i eksempel 5 likningen for oksi­ dasjons- og reduksjonsreaksjonen. Balanser likningen.

10.5 For å fjerne klor, som er meget giftig, kan gassen ledes ned i natriumtiosulfatløsning (Na2S2O3-løsning). Da skjer følgende redoksreaksjon:

Cl2(g) + S2O3—+ H2O -> Cl“ + SO4"+ H+ Vis hvordan vi kan finne koeffisientene i likningen.

10.6 Sølv er et edelt metall, men likevel reagerer det med sal­ petersyre. Det skyldes at denne syra er et sterkt oksida­ sjonsmiddel. Ag(s) + H+ + NOf —> Ag+ + NO(g) + H2O Vis hvordan reaksjonen kan bli spaltet i to halvreaksjoner; en oksidasjonsreaksjon og en reduksjonsreaksjon. Balan­ ser likningen. Skriv til slutt likningen som en molekyllikning, det vil si en likning der stoffene som deltar i reak­ sjonen, er skrevet på molekylform.

113

Oksidasjon og reduksjon

10.7 I avløpsvannet fra industri som driver med fomikling, forkromming, forsølving o.l, forekommer det ofte miljø­ skadelige stoffer, som cyanider (CN"-ioner) og krom(VI)forbindelser. Disse må bli fjernet eller uskadeliggjort. a) CNAoner i vann kan man fjerne ved å tilsette NaOCl. Følgende reaksjon finner sted:

CN- + OC1- + H2O -> CO2(g) + N2(g) + CF + OH

I CN- har C oksidasjonstallet +4.

b) Seks verdig krom er mye giftigere enn treverdig krom. For å redusere giftvirkningen blir vann som inneholder CrO4—, tilsatt NaHSO3: CrO4- + HSO3- + H+

Cr3+ + SO4— + H2O

Hvilket stoff er blitt oksidert/redusert? Balanser lik­ ningene. 10.8 Kongevann er en blanding av konsentrert salpetersyre og konsentrert saltsyre (1:3 volumdeler). Blandingen har så stor oksiderende evne at den til og med reagerer med gull: Au(s) + NOf + Cl" + H+ -> AuC14- + NO(g) + H2O

Skriv halvreaksjonene og balanser reaksjonslikningen. 10.9 For å hindre at stål korroderer i en lukket vannbeholder, kan vi tilsette Na2CrO4. CrO4 -ionene reagerer med jern og gir Fe2O3, som danner en film eller tynn hinne på ståloverflaten. Denne filmen beskytter metallet mot videre angrep. Vi sier at natriumkromat, Na2CrO4, virker som en inhibitor på korrosjonsprosessen. Reaksjonen i basisk løsning blir:

Fe(s) + CrO4“~ + H2O —» Fe2O3(s) + Cr2O3(s) + OH~ Balanser likningen.

11 Elektrokjemi

Vi har sett at i redoksreaksjoner blir elektroner avgitt og tatt opp, og at slike reaksjoner kan bli delt opp i to halvreaksjoner. Ved å atskille de to halvreaksjonene er det mulig å tvinge elektronene til å gå gjennom en ytre elektrisk leder. Et slikt arrangement er en strømkilde. Det kal­ les en galvanisk celle (eller en elektrokjemisk celle). I cellen blir kjemisk energi omdannet til elektrisk energi. Slike strømkilder har stor anvendelse. Mest kjent er forskjellige typer tørrelementer og akkumulatorer. I en brenselcelle omformes også kjemisk bundet energi til elektrisk energi. Det blir i dag forsket iherdig for å få fram bedre og mer kompakte elektrokjemiske celler og mer funk­ sjonsdyktige brenselceller. Store framskritt blir gjort. Tidlig på 2000-tallet kan vi vente en betydelig økning i antall elektrisk drevne biler. Dette er biler som ikke forurenser og som gir lite støy. Ved elektrolyse går vi den motsatte veien - elek­ trisk energi blir omformet til bundet kjemisk energi. I vårt land hadde vi tidligere stor tilgang på billig

elektrisk energi. Den ble blant annet nyttet til vår kraftkrevende industri, i første rekke framstilling av aluminium, magnesium og ferrolegeringer. Norge bruker også betydelige mengder elektrisk energi til produksjon av stål, sink, nikkel og kobber. I dette kapitlet skal vi også kort forklare hva som skjer når et metall korroderer, og nevne et eksempel på hvordan korrosjon kan reduseres eller forhindres. Elektrokjemien danner fundamentet for forståelsen av korrosjonslæren.

11.1 Galvaniske celler. Daniells element En sinkstav blir satt ned i en løsning som er blåfarget av kobberioner, se figur 11.1. Løsningen blir gradvis avfarget. Dette viser at Cu++-ioner forsvinner fra løsningen. På sinkstaven blir det dannet et rødbrunt belegg av kobbermetall. Følgende reaksjon finner sted: Zn + Cu++(aq) —> Zn++(aq) + Cu

Kobberioner i løsningen blir til metallisk kobber avsatt på staven, se figur 11.2. Samtidig går sinkatomer i staven over til ufargede sinkioner. Disse vandrer ut i løsningen. Sinkstaven blir tært. Ved reaksjonen blir løsningen noe varmere. Reak­ sjonen er eksoterm, det vil si varmeutviklende. Det er denne energien som kan bli omformet til elektrisk energi. Reaksjonen kan bli delt opp i to halvreaksjoner: Zn - 2e~ -> Zn++(aq) Cu++(aq) + 2e_ —> Cu

Figur 11.1 Når Zn-metall står i kontakt med Cu++-ioner, vil kobbermetall bli utfelt på sinkstaven.

Oksidasjon Reduksjon

Elektronene som sinkatomene avgir, blir tatt opp direkte av kobberionene.

115

Elektrokjemi

Det er disse elektronene vi kan utnytte for å skape en elektrisk strøm i for eksempel en metalltråd. Men da må de to halvreaksjonene først atskilles.

Figur 11.2 Figuren viser hva som skjer på metalloverflaten på figur 11.1. Ett sinkatom avgir to elektroner og danner ett Zn++-ion. Ett Cu++-ion vil ta opp to elektro­ ner på metalloverflaten og danne ett Cu-atom.

På figur 11.3 er det tegnet to halvceller. I den ene er det en sinkstav i en løsning av sinkioner, i den andre en kobberstav i en løsning av kobberioner. De to metallstavene er forbundet med hverandre med for eksempel en kobbertråd. Men for å få dannet en sluttet krets må løsningene også være i kontakt med hverandre. Det kan skje ved hjelp av et U-formet rør fylt med elektrolytt, som vist på figuren. I begge endene av røret er det satt inn

Zn -» Zn++ + 2e

propper av bomull eller glassull for at løsningene skal blande seg minst mulig. Som elektrolytt blir det ofte nyttet en mettet KC1løsning. KC1 gir i løsning lett bevegelige ioner, med stor evne til å lede strømmen. I den ytre lederen vil vi koble inn en liten motor (eller en lyspære). Når apparatet er satt sammen, går motoren rundt. Det går en strøm i kretsen. Målinger viser at sinkstaven er blitt negativ pol. I det følgende vil vi studere nærmere hva som skjer i cellen. Grunnen til at sinkstaven blir negativt ladet, må være at sinkatomer avgir elektroner og blir til sink­ ioner: Zn - 2e —> Zn++(aq)

Elektroden der det foregår en oksidasjon, blir kalt en anode. Sinkstaven får et overskudd av negativ ladning, og elektroner strømmer gjennom den ytre metalltråden. Strømmen får motoren til å gå. Elektronene strømmer ned i den høyre elektroden, katoden. Elektroden tiltrekker positive Cu++-ioner som strømmer inn til metalloverflaten og tar opp elek­ troner: Cu++(aq) + 2e —> Cu

Ved katoden skjer det en reduksjon.

Cu+ + 2e~ -» Cu

Figur 11.3 En galvanisk celle. I halvcellen til venstre blir elektroner avgitt idet Zn-atomer går over til Zn++-ioner. a) Apparatoppstilling b) Skjematisk skisse

116

Når Cu++-ioner utlades, blir det overskudd av negativ ladning, i form av SO4_'-ioner, i løsningen i det høyre karet. SO4“Moner vandrer inn i U-røret og positive ioner (K+) ut av det, slik at løsningen forblir tilnærmet nøytral, se figur 11.4. Løsningen i den venstre halvcellen får et over­ skudd av positiv ladning (Zn++-ioner). Tilnærmet nøy­ tralitet opprettholdes ved at Zn++-ioner vandrer inn i U-røret og negative ioner (Cl-) ut av det.

Kjemi, kapittel 11

I den ytre kretsen er det satt inn et voltmeter1. Det viser at elementet gir en spenning på 1,10 volt, forut­ satt at de to løsningene har samme styrke. Vi nytter ofte en forenklet skrivemåte for en celle. Daniells element er for eksempel gitt ved oppsettet:

Zn | Zn++(l,0 M) || Cu++(l,0 M) | Cu Venstre side skal ifølge overenskomst være et uttrykk for anoden2.1 dette tilfellet er anoden en sinkstav i en 1,0 M Zn++-løsning. En vertikal, enkelt strek står for faseovergangen metall/løsning. Dobbeltstreken er et uttrykk for en saltbro, en keramisk vegg eller lik­ nende. Til høyre har vi et uttrykk for katoden. I dette tilfel­ let er det en kobberstav i 1,0 M Cu++-løsning.

11.2 Redokspotensialet Figur 11.4 En saltbro forbinder de to halvcellenes løsninger. Når cellen på figur 11.3 blir utladet, vandrer positive ioner mot høyre og negative ioner mot vens­ tre. Den cellen vi nå har beskrevet, blir kalt Daniells ele­ ment. Det har ofte en utforming som vist på figur 11.5. De to løsningene er atskilt med en keramisk vegg med små passasjer eller porer som ionene kan vandre gjen­ nom. Men veggen er tett nok til å forhindre at væs­ kene blandes nevneverdig med hverandre.

Når vi setter et metall ned i en løsning av metallets ioner, kan vi tenke oss følgende to muligheter, se figur 11.6:

1 Metallatomer (Me) går over til ioner (Men+). Elektroner blir avsatt på metallet, som får en nega­ tiv overskuddsladning. 2 Metallioner (Men+) strømmer inn til metallet, tar opp elektroner og blir utladet. Metallet får en posi­ tiv overskuddsladning. Riktigere vil det være å anta at begge disse reaksjo­ nene skjer samtidig. Følgende likevekt blir innstilt:

Men+ (aq) + ne'

Me

Likevekten vil være mer eller mindre forskjøvet den ene veien, avhengig av metallet. Dette resulterer i en ladningsforskjell og dermed en potensialforskjell mel­ lom metallet og løsningen, se figur 11.7. Til ethvert metall i en løsning av metallets ioner svarer det altså et potensial. Dessverre er vi ikke i stand til å måle denne størrelsen. Det beste vi kan gjøre, er å måle forskjellen mellom to slike potensialer (for eksem­ pel mellom Zn++(l,0 M) | Zn og Cu++(l,0 M) | Cu.

Figur 11.5 Vanlig utførelse av Daniells element. Dette er i prinsippet samme celle som vist er på figur 11.3.

1 Et moderne voltmeter som nytter «solid state»-teknologi, trekker lite strøm og gir derfor en god potensialmåling. Dersom det går strøm gjennom kretsen, vil den målte spenningen avta på grunn av spenningsfallet i elektrolytten mm. 2 Regelen er dårlig innarbeidet, og det er sannsynlig at du vil treffe på eksempler der den ikke er blitt fulgt.

117

Elektrokjemi

b Metall

Løsning

Me3+

Figur 11.6 a) Me -> Me3+ + 3e~ Metallatomer går over til ioner og avgir elektroner til metallstaven. Staven blir negativt ladet. b) Me3+ + 3e~ -> Me. Metallioner tar opp elektroner fra metalloverflaten og blir utladet. Metallet får under­ skudd på elektroner og blir positivt ladet.

Figur 11.8 En standard hydrogenelektrode består av et platinablikk i en 1 M H+-løsning omspylt av H2-gass ved 1 atm.

Figur 11.7 En likevekt innstiller seg: Me # Mg?+ + 3e~. Dette fører til en ladningsforskjell og dermed en potensialforskjell mellom metall og løsning.

For Daniells element fant vi at denne potensialforskjellen er 1,10 volt.).

11.3 Standard hydrogenelektrode. Spenningsrekka Det er ønskelig å knytte et potensial til enhver reak­ sjon av typen Men+ + ne~ —> Me. Men da vi, som nevnt, ikke kan måle et eneste av disse potensialene, gjør vi det nest beste. Vi bestemmer oss for å gi en bestemt reduksjonsreaksjon potensialet 0. Ved inter­ nasjonal overenskomst er reaksjonen 2 H+(aq, 1 M) + 2e~ -» H2 (g, 1 atm)3

gitt potensialet 0,000 volt. Da potensialet er knyttet til en reduksjonsreaksjon, skriver vi £red. £red = 0,000 V. 3 I likningen er det forutsatt at konsentrasjonen er nøyaktig 1 M og trykket nøyaktig 1 atm. Potensialet er nøyaktig 0 volt.

Standard hydrogenelektroden gir dette potensialet. Elektroden består av et platinablikk omspylt av hydro­ gengass (ved 1 atm) neddykket i en 1 M H+-løsning ved 25 °C, se figur 11.8. Platinablikket er spesialbehandlet slik at det tar opp i seg H2. Elektroden vir­ ker som en H2-stav i en H+-løsning. Standard hydrogenelektroden er en halvcelle. Når den blir koblet til andre halvceller, kan potensialet knyttet til andre reduksjons- og oksidasjonsreaksjoner bli bestemt. Dersom alle molekyler og ioner i en løsning har konsentrasjonen 1 M, eventuelle gasser har 1 atm trykk og temperaturen er 25° C, blir målingen utført ved normalbetingelser. Potensialet for en halvreaksjon ved disse betingelsene blir kalt normalpotensialet, E°.

Forsøk 1 Standard hydrogenelektroden blir forbundet med en halvcelle som består av en sinkstav i en 1,00 M ZnSO4-løsning, se figur 11.9. Følgende reaksjoner er mulige: I venstre halvcelle: I høyre halvcelle:

Zn++ + 2e_ ^2 Zn 2 H+ + 2e~ ^2 H2

Vi kan tenke oss at Zn++ og H+ konkurrerer om å ta opp elektroner. Hvilket av ionene har størst evne til elektronopptak? Ifølge måling blir hydrogenelektroden positiv pol.

118

Kjemi, kapittel 11

Måling viser at Zn-staven er negativ pol. Dette kan forklares ved at sinkatomer i metallstaven har avgitt elektroner til staven og blitt til ioner i løsningen, se figur 11.10. Sinkatomer, Zn, avgir lettere elektroner til sinkstaven enn hydrogenmolekyler, H2, avgir elek­ troner til platinablikket. Det vil si at av de to reaksjonene

Zn++ + 2e ? I spenningsrekka finner vi Cu og Cl2 i halvreaksjonene: Cu -» Cu++ + 2e~ Cl2 + 2e~ -> 2 Cl"

E°oks = - 0,34 V E°red = 1,36 V

Vi adderer likningene: Cu + Cl2 -> Cu++ + 2 CF Figur 11.12 Kobber reagerer med salpetersyre og gir fargeløs nitrogenmonoksid (NO). NO-gass sammen med O2 fra lufta gir rødbrun NO2-gass. I løsningen blir det dannet Cu++-ioner.

Løsning Kobber finner vi i spenningsrekka i likningen: Cu++ + 2e-

Cu

Da vi i dette tilfellet skal finne ut om kobber, Cu, rea­ gerer, må vi snu likningen:

Cu

Cu++ + 2e-

E°oks = -0,34 V

I salpetersyre, HNO3, er det H+- og NOf-ioner. I spenningsrekka finner vi disse ionene i reduksjonslikningen:

E° = -0,34 V + 1,36 V = 1,02 V

Kobber vil reagere med klor da E° > 0.

Vi understreker igjen at halvreaksjonene som viser oksidasjons- og reduksjonsreaksjonen, må bli satt opp slik at reaktantene kommer på venstre side av pilen når vi adderer. Kravene til normalbetingelser er ikke oppfylt i oppgavene over. Men dersom E° har en rimelig stor positiv verdi, kan vi regne med at reaksjonen vil gå mot høyre. I det følgende skal vi se på hvordan vi kan beregne potensialene dersom ionekonsentrasjonene avviker fra 1 M.

NO3- + 4 H+ + 3e" -> NO + 2 H2O E°red = 0,96 V E° = E°0ks + £°red = (-0,34) V + 0,96 V = 0,62 V Kobber vil reagere med salpetersyre da E° > 0.

For at antall elektroner avgitt skal være lik antall elek­ troner tatt opp, må reduksjonslikningen multipliseres med 2 og oksidasjonslikningen med 3. Når likningene deretter adderes, får vi:

11.5 Potensialberegninger når løsningene ikke er 1-molare Konsentrasjonsceller I begge halvcellene på figur 11.13 er det en kobberstav i en Cu++-løsning. Den ene løsningen inneholder

124

Kjemi, kapittel 11

Walter Nemst fant en likning som beskriver hvor­ dan cellepotensialet E blir endret med løsningenes konsentrasjoner. Dersom cellereaksjonen er: aA + bB + . . . —> pP + qQ + . . . gir Nernsts likning ved 25 °C:

0,059 [P? • [2F ... E-E ‘ ~ lg [A]“ ■ [B]'-...

der n er antall elektroner som blir overført i likningen, og E° er cellepotensialet målt ved normalbetingelser. Brøken til høyre (som vi skal ta logaritmen til) kjenner vi igjen som reaksjonskvotienten Q (s. 71). Konsentrasjonen av et rent fast stoff eller en ren væske skal i brøken erstattes med tallet 1 (se s. 68). Eksempel 6 Hvilket potensial gir den elektrokjemiske cellen:

Zn | Zn++(0,10 M) 1| Cu++(0,010 M) | Cu?

Fig 11.13 Halvcellene er like, bortsett fra at Cu++-konsentrasjonene er forskjellige. En slik celle blir kalt en konsentrasjonscelle.

mye Cu++-ioner (mettet CuSO4-løsning), den andre en sterkt fortynnet Cu++-løsning. Målinger viser at det går en strøm i kretsen. Hvilken elektrode blir negativ pol? Det er rimelig å anta at Cu++-ioner blir dannet der det er lite Cu++-ioner i løsningen fra før. Da blir venstre elektrode negativ pol:

Cu —» Cu++ + 2e_

og høyre elektrode positiv pol: Cu++ + 2e —» Cu

Antakelsen stemmer med det resultatet som målinger girEn galvanisk celle der halvcellene er like, bortsett fra at løsningene har forskjellig konsentrasjon, blir kalt en konsentrasjonscelle.

Løsning Oppstillingen viser at Zn blir anode (s. 116). Husk at det skjer en oksidasjon ved anoden. Dette kan vi også se direkte av spenningsrekka. Zn avgir lettere elektroner enn Cu. Zn blir oksidert, og sinkstaven blir anode.

Ved anoden: Zn - 2e~ -» Zn++( 1 M) Ved katoden: Cu++(1 M) + 2e~ Cu

Addert:

Zn + Cu++(1 M)-^Zn++(l M) + Cu

Vi har hittil forutsatt at løsningene i halvcellene har vært 1-molare og gasstrykkene 1 atm. Potensialene har vært målt ved normalbetingelser.

E°

=l,10V

Vi har nå funnet E°, og vi ser at antall elektroner som blir overført i reaksjonen (n), er lik 2. For cellereak­ sjonen Zn + Cu++(0,010 M) —> Zn++(0,10 M) + Cu gir Nemsts formel (NB! [Zn++] skal stå i telleren, da Zn++ står på høyre side av likningen.):

£_£O_O059 [Zn^] 2 ,g [Cu++] 1,10

Nemsts formel

E°oks = 0,76 V E°red = 0,34 V

E = 1,07 V

0,059, 0,10 i — lg 0,010/1

125

Elektrokjemi

Eksempel 7

(Se figur 11.14.)

Eksempel 8 En standard hydrogenelektrode blir forbundet med en hydrogenelektrode i en x-molar H+-ion-løsning, se figur 11.15. Finn et uttrykk for cellepotensialet E.

Løsning Oppstillingen viser at anodereaksjonen skjer på Ptelektroden.

Løsning Dette er en konsentrasjonscelle. Dersom x har en liten verdi, vil følgende reaksjon finne sted:

Fe++ - e" -> Fe3+ Ag+ + e~ —> Ag Addert: Fe++ + Ag+ —> Fe3++ Ag

Høyre halvcelle: H2 - 2e —> 2H+(x M) Venstre halvcelle: 2 H+(l,0 M) + 2e" -> H2 Addert: H2 + 2H+(l,0 M) -> 2H+(x M) + H2

Hvilket potensial gir cellen: Pt I Fe++(0,10 M), Fe3+(0,010 M) 11 Ag+(l,0 M) I Ag

E°oks—0,771 V E°red = 0,800 V E° = 0,029 V

(1)

Innsatt i Nemsts formel gir det: Her er det forutsatt at løsningene inneholder 1 mol Fe++, 1 mol Fe3+ og 1 mol Ag+ per liter.

E = 0,00 -

lg

[H*]L. [H+1L.

0.059 2

[H*]h,s. g[H+U

= -0,059 lg^

da den tilsvarende reaksjonen

H2 + 2 H+(l M)

2 H+(l M) + H2

har E° = 0,00 V og det blir overført to elektroner. Vi kan forenkle cellereaksjonen (1). Det gir

H+(l,0 M)—>H+(xM)

Fig 11.14 Fe++ avgir elektroner på platinaelektroden og danner Fe3+. I høyre halvcelle tar Ag+-ioner opp elek­ troner og blir til Ag-atomer.

Cellereaksjonen:

Fe++(0,10 M) + Ag+(l,0 M) -> Fe3+(0,010 M) + Ag £-£o

0Æ59 _____ [Fe3*] I 'g [Fe++] ■ [Ag*]

= (0,029-0,059 lg E = 0,088 V

)v

Figur 11.15 Apparaturoppstilling for bestemmelse av en løsnings surhetsgrad eller pH-verdi ut fra potensialmåling.

126

Kjemi, kapittel 11

For denne reaksjonen blir cellepotensialet:

£_£o

059 [H^ 1 g[H+]v.s.

d) Generelt kan en reduksjonsreaksjon skrives på for­ men:

E = 0,00 -0,059 Igy^ E = -0,059 • lg x = 0,059 • (-lg x) = 0,059 • pH (Da x = [H+], er -lg x = -lg[H+] = pH.)

Vi ser at til enhver pH-verdi svarer det et bestemt potensial. I pH-meteret måler vi dette potensialet mot en standard elektrode, det vil si en elektrode med kon­ stant potensial. Signalet forsterkes, og resultatet blir gitt direkte i pH-enheter på en skala.

Nemsts formel for en halvreaksjon* Det hender at vi har behov for å finne potensialet knyttet til en halvreaksjon. Som et eksempel vil vi tenke oss at metallisk jern, Fe, står i kontakt med en Fe++-løsning. Halvreaksjonen er: Fe++ + 2e~

E°red = - 0,44 V

Fe

c) Vis at du kan omforme formelen som framkom under b, slik at du får fram Nemsts formel for reduksjonsreaksjonen i oppgave a.

På tilsvarende måte som for en cellereaksjon gir Nemsts formel:

oks + ne —> red der oks står for oksidert form (f.eks. Fe3+), og red står for redusert form (f.eks. Fe++). Finn et uttrykk for potensialet knyttet til halv­ reaksjonen. Løsning a}F = F° ^red

red

_O59 [FO] ] jg ^pg3+j

lFe++l\ V Ered= / 0,77-0,059 lg|^d \ J/

_po

0,059

G)ks ~ £ oks ~

।

[Fe3+] 'g [pe++]

/ 3+l\ Eoks = (-0,77-0,059 lg IlFe p^Jv

c) Multiplisert med -1 gir det siste uttrykket: -Eoks = (0,77 + O,O59(lg[Fe3+] - lg[Fe++])) V = (0,77 - 0,059(-lg[Fe3+] + lg[Fe++]j) V

^-red

red

q

'

[pg++J

lg 7P7ZT7 = lg 1 - lg[Fe++] = -lg[Fe++] L-Tc j

da lg 1 = 0.

i Ered = (0,77 - 0,059 lg FFe++]\ V ’ lre I /

(da - Eoks = Ered)

Dette er det samme uttrykket som vi fant under a. d) £red

_po _ 059 [red] E red lg [oks]

£red = (-0,44 + ^lg[Fe~]jv

(eller E = E° +

0 059

n

lg

loksl

[red]

når E°red er satt lik E°)

Eksempel 9

a) For halvreaksjonen Fe3+ + e" -> Fe++ er E°red = 0,77 V.

Dette potensialet gjelder dersom [Fe3+] og [Fe++] = 1 M. Hvilket potensial er knyttet til halvreaksjonen dersom ionene har andre konsentrasjoner? b) Finn et uttrykk for potensialet knyttet til oksidasjonsreaksjonen:

Fe++ —» Fe3+ + e

11.6 Elektrolyse Redoksreaksjonene i en galvanisk celle skjer spontant. Cellespenningen E er da en positiv størrelse. Dersom E er negativ, kan vi likevel få reaksjonen til å gå ved å tilføre energi. Det er dette som skjer ved elektrolyse. For å utføre en elektrolyse må vi ha en smelte eller en vannløsning som inneholder ioner. Ned i smeiten

127

Elektrokjemi

eller løsningen setter vi to elektroder som vi kobler til polene på en likestrømskilde, se figur 11.16. Tenk deg at likestrømskilden fungerer som en pumpe. Elektroner blir da pumpet inn i den ene elek­ troden, som dermed blir negativt ladet. Denne elektro­ den blir kalt katode. Positivt ladede ioner, kationer, strømmer til katoden og blir utladet (eks.: Cu++ + 2e~ —> Cu). Ved katoden skjer det en reduksjon (som i den gal­ vaniske cellen). «Pumpa» suger elektroner ut av den andre elektro­ den, anoden. Anoden får dermed underskudd på elek­ troner og blir positivt ladet. Negative ioner, anioner, strømmer til. I kontakt med metallet blir elektroner «sugd» ut av ionene, og nøytrale atomer blir dannet (eks.: 2 Cl- - 2e~ —> 2 Cl). Ofte går atomene sammen til molekyler (eks.: 2 Cl —> Cl2). Elektroner kan også bli trukket ut av metallatomer i elektrodeoverflaten. Metallatomene går da over til ioner (eks.: Fe - 2e~ —> Fe++).

Ved anoden skjer det en oksidasjon.

Likestrømskilde

Figur 11.17 Elektrolyse av saltsyre. Ved anoden blir det dannet gulgrønn klor og ved katoden hydrogen. Når elektrodene blir tilkoblet en strømkilde, obser­ verer vi at det blir dannet gasser ved elektrodene. Ved anoden er gassen gulgrønn. Dette er klor. Anodereaksjon:

2 CF -» Cl2 + 2e-

E°oks = -l,36V

Ved katoden blir det dannet en fargeløs gass. Vi kan få den til å brenne med en nesten fargeløs flamme. Dette er hydrogen. Katodereaksjon:

2 H+ + 2e~

H2

E°red = 0,00 V

Totalreaksjonen blir:

2 CF + 2 H+ Figur 11.16 Elektrolyseapparatur.

11.7 Et eksempel på elektrolyse Elektrolyse av saltsyre Vi vil nytte apparaturoppsti 11 ingen på figur 11.17. Elektrolytten består av 1 M HCI.

Cl2 + H2

E° = - 1,36 V

Da potensialet er negativt, vil ikke reaksjonen gå spontant. Men når det blir tilført energi, og potensialet er høyt nok, vil vi få dannet hydrogen og klor. Tenk deg at vi kort tid etter start slår av strømmen. Da vil cellen en kort stund fungere som en galvanisk celle. Ved den ene elektroden er det CE-gass i kontakt med Cl”-ioner, ved den andre H2-gass i kontakt med H+-ioner. Da er følgende halvreaksjoner mulige:

Cl2 + 2e- -> 2 ClH2 - 2e~ -> 2 H+

E°red= 1,36 V E°oks = 0,00 V

128

Kjemi, kapittel 11

Sammenlagt gir dette:

Cl2 + H2 —> 2 Cl-+ 2 H+

E° = 1,36V

Da E° er positiv, er dette en spontan reaksjon. Det er den samme reaksjonen som ved elektrolysen, bare at den går motsatt vei. Den motspenningen som denne galvaniske cellen gir, må bli overvunnet for at elektrolysereaksjonen skal finne sted. Det vil si at potensialet må være høyere enn 1,36 V. Dette potensialet blir kalt spaltningsspenningen, E°:

F° = E° reda ~ + E° oks . I praksis må vi ofte benytte betydelig høyere spenning. Det skyldes at det er en viss motstand mot strømgjennomgang i elektrolytten, og at det opptrer overspenninger ved elektrodene. Overspenningene kan ha en betydelig størrelse, spesielt ved utvikling av gasser på en metalloverflate. Overspenningen avhenger av elektrodematerialet.

Som anode benyttes en sølvstav. Elektrolytten inne­ holder sølvioner (Ag+) og ofte cyanidioner (CN-). (CN”-ionene, som er svært giftige, bidrar til å gi be­ legget et vakkert utseende.) Gjenstanden som skal forsølves, blir koblet til den negative polen på strømkilden. Elektroner som blir «pumpet» ned i gjenstanden strømmer ut til overflaten, der Ag+-ioner tar opp elek­ tronene og blir utladet:

Ag+ + e —> Ag

Sølvet, Ag, blir avsatt som et belegg. Ved anoden vil sølvatomer danne ioner:

Ag-e

11.8 Sammenheng mellom utskilt stoffmengde ved elektrolyse og elektrisitetsmengde Forsølving La oss først se på hva som skjer ved forsølving, så for­ står du lettere hvordan vi kommer fram til sammen­ hengen mellom utskilt stoffmengde og elektrisitetsmengde. Åforsølve vil si å dekke en gjenstand av et metall eller legering med et tynt lag sølv ved elektrolyse. Operasjonen blir utført i et elektrolysekar, se figur 11.18.

(1)

Ag+

Sølvstaven vil bli tært. Likning 1 viser at for å få utfelt 1 mol sølv går det med 1 mol elektroner, dvs. 6,02205 • 1O23 elektroner. Ladningen per elektron er 1,6022 • 10-19 amperesekund (As). Av dette følger:

1,6022 • 10-19 As/elektron • 6,02205 • 1023 elektroner/mol = 96 485 As/mol ~ 96 500 As/mol ~ 26,8 Ah/mol (h står for hour, dvs. time.)

For å få utfelt 1 mol sølv, dvs. 107,9 g sølv, går det med 1 mol elektroner, dvs. 26,8 Ah.

For å få utfelt 1 mol kobber ifølge reaksjonen:

Cu++ + 2e“ -> Cu

ser vi at det går med 2 mol elektroner eller 2 • 26,8 Ah. For å få utfelt 1 mol kobber, dvs. 63,54 g kobber, går det med 2 mol elektroner, dvs. 2-26,8 Ah.

Generelt Vi vil nå mer generelt se på sammenhengen mellom utskilt stoffmengde ved elektrolyse og forbruket av elektrisk strøm. Vi har sett at for å få utladet - 1 mol Ag medgår 1 mol elektroner, dvs. 26,8 Ah. - 1 mol Cu medgår 2 mol elektroner, dvs. 2 • 26,8 Ah.

På tilsvarende måte kan vi resonnere oss fram til strømforbruket ved utladning av andre ioner. Tabell 11.2 viser noen eksempler. Figur 11.18 Apparatur for forsølving. Gjenstanden som skal belegges med sølv, blir koblet som katode.

129

Elektrokjemi

Katodereaksjon

1 mol

som krever

Ag+ + e~-^Ag 107,9 g 1 mol Cu++ + 2e~-£> Cu 63,5 g 2 mol Al3+ +3e~-^AI 27,0 g 3 mol Ti4+ + 4e_—>Ti 47,9 g 4 mol

elektroner = elektroner = 2 elektroner = 3 elektroner = 4

26,8 Ah • 26,8 Ah • 26,8 Ah • 26,8 Ah

Tabell 11.2 Sammenheng mellom utskilt stoffmengde og energiforbruk. Når vi vet hvor mange mol elektroner som går med for å få dannet ett mol av et stoff ved elektrolyse, er det enkelt å foreta beregningen av én av følgende stør­ relser:

Ved fomikling inneholder elektrolysebadet Ved forkromming inneholder elektrolysebadet Det blir dannet klor ved anoden i et bad med

Ni++-ioner Cr3+-ioner

CF -ioner

Hvor stor stoffmengde av Ni, Cr og Cl2 blir utskilt når strømmen er 5,0 A i 30 min? Løsning a)

- strøm - tid - utskilt stoffmengde

Ni++ + 2e-

Ni

For å få dannet 1 mol Ni, dvs. 58,71 g Ni, viser likningen at det går med 2 mol elektroner, dvs. 2 • 26,8 Ah.

når de to andre er gitt.

Vi finner først hvor mange gram Ni det blir dannet per Ah. U1. J 58,71 g Ni Det bhr dannet: -— - g- ■, 2 • 26,8 Ah 5,0 A i 30 min gir 5,0 A • 0,5 h = 2,5 Ah 2,5 Ah gir: 2222 22 . 2,5 Ah = 2,7 g Ni Z • Z0,o

b)

Cr3+ + 3e-

M

----------------

Cr

For å få dannet 1 mol Cr, dvs. 52,00 g Cr, viser likningen at det går med 3 mol elektroner, dvs. 3 • 26,8 Ah. n . .. , f 52,00 gCr Det bhr dannet: -— . 3 • 26,8 Ah

Kobberelektrolysehallen ved Falconbridge nikkelverk, Kristiansand. (Foto: Falconbridge Nikkelverk.)

2,5 Ah gir: Ved beregningen får vi bruk for at:

1 mol elektroner har ladningen 26,8 Ah (= 96 500 As). Dersom vi på grunnlag av et elektrolyseforsøk kjenner de tre størrelsene strøm, tid og utskilt stoffmengde, kan vi nytte resultatet til å beregne den ladningen som ett mol elektroner representerer (26,8 Ah). Forutset­ ningen er da at vi vet hvor mange mol elektroner det går med per mol stoff som blir dannet. Tenkemåten ved beregninger av denne typen vil framgå av eksemplene som følger.

c)

. 2,5 Ah = 1,6 g Cr

A J • ZO,o

CF - e~ -> Cl

AR

---------------

(Cl-atomene går deretter sam­ men to og to til Cl2-molekyler)

35 45 g Cl 2,5 Ah gir: . ’ Q ■ 2,5 Ah = 3,31 g Cl i • 26,o An -------------

Vi vil belegge en gjenstand med 30 g sølv. Hvor lang tid tar forsølvingen når strømmen er 6,0 A?

Løsning Av likningen

Ag+ + e“ —» Ag

framgår det at det går med 1 mol elektroner, dvs.

130

Kjemi, kapittel 11

26,8 Ah, for å få utskilt 1 mol Ag, dvs. 107,9 g Ag. Antall Ah som går med per gram utskilt Ag: Isolasjon

26,8 Ah 107,9 g Ag For å få dannet 30 g Ag går det med:

Sinkanode

26,8 Ah • 30^-Ag = 7,45 Ah 107,9 g Ag Katode av karbon

Tid for elektrolysen: x timer Elektrolytten inneholder:

x h • 6,0 A = 7,45 Ah x = 1,24

MnO2, ZnCI2, NH4CI, H2O

Elektrolysen må gå i 1 time og 14,5 minutter.

Figur 11.19 Et vanlig tørrelement som er gjennomskåret. Cellen gir en spenning på 1,5 V og en strøm på 0,5 A i seks timer.

Daniells element ble omtalt på side 116. Det er en strømkilde som gir 1,10 volt spenning. Elementet er dårlig egnet til praktisk bruk. Den indre motstanden er stor. Spenningen avtar derfor sterkt når strømmen vi tar ut, øker til en rimelig størrelse. Elementet er ikke ladbart. Etter en tid blandes ionene i de to karene, og elementet mister sin effekt.

Tørrelementer* I det tørrelementet som ofte blir benyttet i lommelyk­ ter o.a., er beholderen av sink, se figur 11.19. Sinken fungerer som anode:

Zn -> Zn++ + 2e-

2 MnOo + NH4+ + 2e- -> Mn2O3 + NH3 + OH~ E°red = 0,74 V Potensialet for elementet blir: E° - E°red + E°oks = 1,50 V

Denne cellen kan ikke bli ladet igjen og må kastes etter bruk. Dersom KOH blir nyttet i stedet for NH4C1, har vi et alkalisk (basisk) tørrelement. I dette blir det ikke dannet NH3-gass ved reaksjonen. Slike elementer blir nyttet i kalkulatorer og liknende.

E°oks = 0,76 V

Elektrolytten består av NH4C1 og ZnCl2 løst i en gelédannende substans som er sugd opp i en porøs masse. Da cellen ikke inneholder fri væske, blir den kalt et tørrelement. Katoden er en karbonstav i kontakt med mangan(IV)oksid, MnO2 (brunstein). Karbonstaven virker som en inert elektrode, det vil si en elektrode der elektrodematerialet kull ikke deltar i reaksjonen. Mangan blir redusert: Mn4+ + e~

Reduksjonsreaksjonen avhenger av hvor stor strøm som blir tappet. En mulighet er:

Bly akkumulatoren Begge elektrodene i blyakkumulatoren har gitterstruktur, se figur 11.20. I oppladet tilstand er hullene i

Mn3+

Elektronene blir tatt fra staven, som blir positivt ladet. Som kjent gir i praksis en slik celle 1,50 V. Figur 11.20 Elektrodene i blyakkumulatoren har gitterstruktur.

131

Elektrokjemi

gitteret til den ene elektroden fylt med svampaktig bly, Pb, i den andre elektroden med sjokoladebrunt bly(IV)oksid, PbO2. Elektrolytten er en svovelsyreløsning. Utladning Ved start inneholder venstre elektrode Pb og høyre elektrode Pb4+ (i PbO2), se figur 11.21 a. Etter utladning er det Pb++ (som PbSO4) på begge elektrodene, se figur 11.21 b.

Katode (+ pol) som inneholder PbO2 Isolerende lag av plast

Anode av bly. Legg merke til gitterstrukturen

Gjennomskåret blyakkumulator. (Foto: Anker-Sønnak A/S.)

elektroner presset ned i denne elektroden (i venstre elektrode i figur 11.21 b). Følgende reaksjon skjer: Pb++ + 2eFigur 11.21 Prinsippskisse av blyakkumulator i oppla­ det og utladet tilstand. Med utgangspunkt i denne figu­ ren kan vi forstå akkumulatorens virkemåte. Når begge elektrodene er dekket av det samme materialet, er akkumulatorens spenning lik 0.

Ved utladning må følgende ha skjedd: Ved venstre elektrode: Ved høyre elektrode:

Pb

Elektroner blir trukket ut av den andre elektroden: Pb++ - 2e" -> Pb4+

Merk deg at dette er de samme reaksjonene som ved utladning, men nå går de motsatt vei. Med disse likningene som grunnlag er vi i stand til å skrive fullstendige likninger for oksidasjons- og reduksjonsprosessen ved utladning.

Pb - 2e~ —> Pb++ Pb4+ + 2e“ Pb++

Når et Pb-atom går over til et Pb++-ion, blir to elektro­ ner avgitt. Disse elektronene blir avgitt til venstre elektrode, som blir negativt ladet, se figur 11.21 a. Ved denne elektroden skjer det en oksidasjon, den blir anode. Høyre elektrode blir katode.

Oppladning En akkumulator er et reversibelt element, det vil si at den kan bli ladet opp og ladet ut igjen flere ganger. Blyakkumulatoren kan, i korte tidsintervall, levere mye energi. Derfor blir den brukt til for eksempel å starte en bilmotor. Akkumulatoren lades når motoren går. Er den blitt helt utladet, kobler vi den til en batterilader, se figur 11.22. Minuspolen på likeretteren blir koblet til minuspolen på akkumulatoren. Derved blir

Figur 11.22 Med en batterilader kan vi lade opp en akkumulator. Vi må da koble «pluss til pluss og minus til minus».

Utladning - fullstendige likninger Pb++-ionene som blir dannet ved anoden, vil reagere med SO4---ioner og danne tungtløselig PbSO4. Oksygen i PbO2 ved katoden vil binde seg til H+-

132

Kjemi, kapittel 11

ioner fra syra og danne vann. Pb++-ionene som blir dannet, vil også her binde seg til SO4__-ioner og danne PbSO4.

Ved minuspolen:

Pb + SO4~

- 2e_-4 PbSO4 E°oks = 0,35 V

Ved plusspolen:

PbO2 + 4H+ + SO4- + 2e" -> PbSO4 + 2H2O E°red=l,70V E° = E°Kd + E°oks = 2,05 V

Svovelsyra er tung, og syreløsningen i en oppladet akkumulator har derfor en høy tetthet, 1,28 g/cm3. Likningen viser at ved utladning blir svovelsyre bun­ det (H+- og SO4~-ioner) og vann dannet. Tettheten avtar med utladningen. I en utladet akkumulator er den 1,15 g/cm3. Det er vanlig å ta ut prøver av syreløs­ ningen for å kontrollere tilstanden til akkumulatoren, se figur 11.23. Oppladningen bør stoppes når alt PbSO4 er gått over til Pb og PbO2. Dersom vi fortsetter opplad­ ningen, blir vann spaltet:

2 H2O

2 H2 + O2

To deler H2 og én del O2 gir en farlig gassblanding, knallgass. Den er svært eksplosiv. Noe vann fordamper fra akkumulatoren, spesielt når det er varmt. Dette må bli etterfylt med destillert vann eller vann fra en ionebytter. Ioner i vanlig vann

vil kunne reagere med SO4“~-ioner og Pb++-ioner og skade akkumulatoren. Syra i akkumulatoren er sterkt etsende, og søl vil kunne gi kraftig korrosjon på stål. Blyakkumulatorens store utbredelse skyldes at den kan levere mye energi, og at den kan bli ladet mange ganger. Den er rimeligere enn de fleste andre akkumu­ latorer. Men den har også sine minussider: Den er tung, og beholderen kan gå i stykker. NiFe-akkumulatoren har en elektrode av nikkel, i kontakt med nikkelflllihydroksid, Ni(OH)3, og en annen av jern, Fe. Elektrolytten er en KOH-løsning. Stål blir ikke angrepet av baser (pH < 14). Karet kan derfor lages av tynne stålplater. Dette gir en lett og mer robust akkumulator. Cellespenningen er i praksis ca. 1,2 V. NiCd-akkumulatoren (NICAD) er en NiFe-akkumulator der jemelektroden er byttet ut med kadmium, Cd. Cellen gir en spenning på 1,24 V. Det er et betydelig salg av slike akkumulatorer i dag, sammen med ladere. Produsentene hevder at de skal kunne bli ladet 1000 ganger. De er relativt kostbare.

Kvikksølv blir også anvendt i batterier (se oppgave 11.12 og 11.15). Brukte batterier blir kastet, og mange ender på et deponi eller i et søppelforbrenningsanlegg. Både kadmium og kvikksølv er meget farlige miljø­ gifter. De fordamper lett (kokepunkt henholdsvis 765 °C og 357 °C) og er derfor til stede i avgassene fra forbrenningsanleggene. Batterier og akkumulatorer som inneholder farlige metaller, er spesialavfall (s. 277). De skal ikke kastes i søpla, men leveres i retur til forhandler.

Figur 11.23 Syremåler for akkumulatorsyre. Dersom syra har stor tetthet, flyter flottøren høyt. Men dersom akku­ mulatoren er utladet, er tettheten lav og flottøren synker dypt i væsken.

133

Elektrokjemi

11.10 Brenselceller I varmekraftverk blir kjemisk energi som er bundet i brennstoffer som kull, olje og gass, omformet til varme i damp. Dampen driver turbiner, som igjen dri­ ver generatorer som gir elektrisk strøm. Virkningsgraden i anleggene er dårlig. Vanligvis blir bare 30-50 % av energien i brennstoffene omdan­ net til elektrisk energi. Forbrenningen gir dessuten betydelige mengder forurensning.

metanol som drivkraft. I det siste tilfellet blir meta­ nolen først omdannet til en hydrogenrik gass i en pro­ sessor. Brenselceller gir nesten ingen forurensning, men ved bruk av metanol blir det dannet noe CO2. Brenselceller vil kunne føre til en revolusjon i trans­ portsektoren og i kraftproduksjon (i små anlegg på 1-200 kW).

11.11 Korrosjon Korrosjon koster samfunnet store summer. Det blir ofte sagt at vi i vårt land «ruster opp» og «ruster ned» for omtrent samme beløp. At problemet er blitt så stort, skyldes blant annet den økende forurensningen i lufta og dels de vanskelige forholdene vi har i Nord­ sjøen. Alvorlige feil blir begått fordi ingeniørene har sviktende kunnskaper i korrosjonsteori. Her skal vi gi en kort innføring i emnet. Det blir mer utførlig be­ handlet i boka Kjemi for ingeniører 2.

Hva skjer ved korrosjon? Figur 11.24 Brenselcelle. I cellen blir kjemisk energi omdannet direkte til elektrisk energi. Prisen på denne energien ventes om få år å kunne konkurrere med pri­ sen på vindenergi, bioenergi og ny vannenergi.

I en brenselcelle blir kjemisk energi omdannet direkte til elektrisk energi med høy virkningsgrad (i praksis fra 60 til 75 %). Som et eksempel vil vi kort beskrive cellen som omdanner hydrogen og oksygen til vann:

2 H2 + O2 -> 2 H2O Cellens utforming er skissert på figur 11.24. Mellom elektrodene er det en elektrolytt, for eksempel en KOH-løsning. Elektrodene er for eksempel laget av porøst nikkel. Inni elektroden kommer elektrolytt og gass i kontakt med hverandre, og følgende reaksjoner skjer:

Ved plusspolen: O2 + 2 H2O + 4e~ —> 4 OH" Ved minuspolen: 2 H2 + 4 OH"- 4e~ —> 4 H2O Totalreaksjonen: O2 + 2 H2 —> 2 H2O Vi finner totalreaksjonen ved å summere de to delreaksjonene. Cellen gir 1,23 V. Brenselceller har i lang tid vært benyttet i romskip og ubåter. Brenselceller (se også s. 306) blir for tiden utprøvd i biler, dels med ren hydrogen, dels med

Ved framstilling av rene metaller fra malm blir metal­ lene brakt over i en ustabil tilstand. Det er derfor naturlig at de prøver å vende tilbake til sin opprinne­ lige tilstand i kontakt med andre stoffer. For eksempel vil jern i kontakt med luft og vann ruste og danne et stoff med tilsvarende sammensetning som en malm. Med korrosjon mener vi angrep på et materiale for­ årsaket av omgivelsene; vanligvis av luft og/eller vann og av stoffer som luft eller vann inneholder. Ved korrosjon der metaller inngår, blir metallet tært. Det skjer ved at metallatomene går over til ioner: Me —» Men+ + ner

Stål er vårt viktigste metalliske konstruksjonsmateri­ ale, og korrosjon av jern er derfor av spesiell inter­ esse. Den viktigste prosessen er: Fe —> Fe++ + 2e Dette er en oksidasjon. Jernet går i oppløsning ved en anode. Men for at en oksidasjon skal finne sted, må det også foregå en reduksjon. Den skjer ved en katode. De to vanligste reduksjonsreaksjonene er:

2 H+ + 2e" H2 O2 + 2 H2O + 4e~ -» 4 OH"

(D (2)

Reaksjon I finner sted (eller dominerer) i sur løsning.

134

Kjemi, kapittel 11

I nøytralt, oksygenholdig vann går reduksjonen hoved­ sakelig etter likning 2. For at vanlig korrosjon skal finne sted, må de anodiske og katodiske områdene stå i kontakt med en elektrolytt. Vanligvis øker korrosjonen med økende antall ioner i elektrolytten. Sjøluft er spesielt korrosiv fordi lufta inneholder litt NaCl, som i vann gir Na+ioner og CF-ioner. Det er også vel kjent at saltstrøing av isete veier fører til økt korrosjon på biler.

Lokalelementteorien Jern neddykket i en løsning synes å korrodere over hele overflaten. Men ifølge lokalelementteorien finnes det mange svært små anodiske og katodiske områder. Jernet korroderer bare ved anodene. Men de små ano­ diske og katodiske områdene skifter stadig plass, slik at det ser ut som om flaten korroderer jevnt. Anodiske og katodiske partier oppstår fordi metallet ikke er homogent. Det kan skyldes flere forhold. Figur 11.25 viser et mikroskopisk utsnitt av en ståloverflate der vi ser et anodisk og et katodisk område.

dre og danner tungtløselig Fe(OH)2 som blir utfelt på grenseflaten mellom anode og katode. Fe++ (i Fe(OH)2) blir med tiden oksidert til Fe3+ av O2 som finnes i vannet, og Fe(OH)3 blir dannet. Dette er en forenklet formel for rust. 2 Fe(OH)3 -> Fe2O3 • 3 H2O Formelen for rust blir vanligvis oppgitt som

Fe2O3 • n H2O.

Krystallkornet som var anode, blir etter noen tid opptært. Det underliggende krystallkornet vil da muligens bli katode. Som nevnt tenker vi oss at de anodiske og de katodiske områdene stadig bytter plass, slik at det ser ut som om flaten tæres jevnt. Et slikt jevnt angrep over hele flaten kaller vi generell korrosjon.

Katodisk beskyttelse ved hjelp av offeranode Ved katodisk beskyttelse ved hjelp av offeranode blir metallet som skal beskyttes, for eksempel stål, forbun­ det med et uedlere metall som lettere avgir elektroner og danner ioner (Me Men+ + ne~). Det uedlere metallet blir anode og tæres. Elektronene som blir spaltet av, går over til stålet og gjør hele ståloverflaten til katode, se figur 11.26. I praksis er det bare metallene sink, magnesium og aluminium som blir nyttet som offeranoder. Ofte er de tilsatt små mengder andre metaller (legeringselementer).

Figur 11.25 Mikroskopisk utsnitt av metalloverflate som viser et lokalelement.

I det anodiske området blir jematomer oksidert til jernioner:

Fe

Fe++ + 2e

To elektroner blir spaltet av på jernoverflaten. Disse elektronene strømmer mot katodeoverflaten. I en tilnærmet nøytral løsning foregår hovedsakelig følgende reaksjon på katoden:

O2 + 2 H2O + 4e~

4 OFF

Vi ser at det blir dannet Fe++-ioner ved anoden og OH -ioner ved katoden. lonene vandrer mot hveran­

Figur 11.26 Zn-atomer går over til Zn++-ioner under avspalting av elektroner, Zn -» Zn++ + 2e~. Sinkmetallet blir anode. Elektronene går over til stålover­ flaten, som blir katode.

135

Elektrokjemi

Konstruksjonene i Nordsjøen er et stort marked for offeranoder. For eksempel er de store gass- og oljeled­ ningene på havbunnen beskyttet av sinkanoder. På undervannskonstruksjoner på plattformene blir det også nyttet offeranoder. Mange skip har montert offeranoder på skroget. Offeranoder blir ellers benyttet i varmtvannsberedere og kondensatorer og til rørledninger og tanker nedgravd i jord, se figur 11.27. Kontrollpunkt Isolert kobbertråd

Sveiseforbindelse Rørledning

1-2 m Offeranode Backfill

2-5 m Figur 11.27 Stål nedgravd i jord kan beskyttes mot korrosjon ved hjelp av en offeranode av magnesium.

Katodisk beskyttelse gir et svært godt vem av stål og enkelte andre metaller, forutsatt at den blir riktig an­ vendt.

1 1.12 Oppsummering En galvanisk celle er en innretning der kjemisk energi blir omformet til elektrisk energi. Ved den ene elektroden skjer det en reaksjon som avgir elektroner, altså en oksidasjon. Elektroden er en anode. Ved den andre elektroden skjer det en reaksjon som tar opp elektroner, altså en reduksjon. Elektroden er en katode. Når et metall står ned i en løsning av metallets ioner, vil det oppstå en potensialforskjell mellom metallet og løsningen. Dette potensialet kan vi måle i forhold til standard hydrogenelektroden, som er gitt potensialet 0,000 volt. Vi kan lage en celle der standard hydrogenelektro­ den utgjør den ene halvcellen og et metall i metallets ioneløsning den andre halvcellen. Cellen er en strømkilde, og vi kan bestemme potensialet for den. Der­ som potensialet blir bestemt ved normalbetingelser, sier vi at vi har funnet normalreduksjonspotensialet, E°red, for reaksjonen Men+ + ner Me. På tilsvarende

måte kan vi bestemme et reduksjonspotensial for enhver reduksjonsreaksjon. Tilsvarende knytter vi et normaloksidasjonspotensial, E°oks, til enhver oksidasjonsreaksjon. E°oks - - E°red. Avviker forholdene fra normalbetingelsene, kan vi beregne potensialene ved hjelp av Nernsts formel. Når stoffene er ordnet etter økende reduksjonspo­ tensial, har vi samtidig ordnet dem etter økende evne til å ta opp elektroner, det vil si etter økende styrke som oksidasjonsmidler. Når stoffene er ordnet etter økende oksidasjonspotensial, har vi samtidig ordnet dem etter økende evne til å avgi elektroner, det vil si etter økende styrke som reduksjonsmidler. Enhver redoksreaksjon kan betraktes som summen av en reduksjons- og en oksidasjonsreaksjon. Til reak­ sjonen svarer det et potensial E, der E = ETed + Eoks. Dersom E > 0, vil reaksjonen gå spontant mot høyre. Dersom E < 0, må energi bli tilført for at reaksjonen skal gå. Det er en enkel sammenheng mellom strøm og utskilt stoffmengde ved elektrolyse. Beregningene tar utgangspunkt i at 1 mol elektroner tilsvarer 26,8 Ah eller 96 500 As. Halvreaksjonen viser hvor mange mol elektroner som går med for å få utfelt 1 mol av et stoff. Når et metall korroderer, vil metallatomer avgi elektroner og danne ioner i de anodiske områdene. Samtidig blir det dannet OH- og/eller H2 i de katodiske områdene. Vi kan stoppe eller sterkt redusere korrosjonen av en metallgjenstand ved å koble den til et uedlere metall. Det uedlere metallet vil da bli tært og vil be­ skytte gjenstanden ved å gjøre overflaten katodisk (katodisk beskyttelse).

Spørsmål og oppgaver 11.1 En galvanisk celle er gitt ved oppsettet: Ni | Ni++( 1,0 M) 11 Cu++( 1,0 M) I Cu

a) Tegn en skisse av cellen. Hvilken elektrode blir anode? (Se s. 116.) b) Hvilket potensial gir denne cellen?

11.2 En annen galvanisk celle er gitt ved:

Pt I H2( 1 atm) I H+( 1,00 M) 11 Ag+( 1.00 M) I Ag a) Tegn en skisse av denne cellen. Hvilke reaksjoner skjer ved de to elektrodene, og hvilken elektrode blir negativt ladet?

136

Kjemi, kapittel 11

b) Et voltmeter med meget stor indre motstand er innkoblet i den ytre kretsen. Det viser 0,80 V. Hva forteller dette om £°red for reaksjonen Ag+ ( 1.0 M h e Ag? 11.3 a) Gitt følgende reduksjonsreaksjoner og de tilhørende normalreduksjonspotensialene:

Fe3+ +e" —> Fe++ 0,77V 2 H+ + 2e- -> H2 0,00V Fe++ + 2e" Fe - 0,44 V NO3- + 4 H+ + 3eNO +2 H2O 0,96 V Cr2O7- + 14 H+ + 6e- 2 Cr3+ + 7 H2O 1,33 V Ordne reaksjonene etter økende verdi for reduksjonspotensialet. Hva kan vi slutte oss til av oppstillingen når det gjelder stoffenes evne til å ta opp elektroner? b) Sett opp de tilsvarende oksidasjonsreaksjonene og finn de tilhørende oksidasjonspotensialene. Hvilke av disse atomene, ionene eller molekylene er reduksjonsmidler, og hvordan er deres innbyrdes styrke?

11.4 Avgjør med utgangspunkt i spenningsrekka om det blir reaksjon i følgende tilfeller, og skriv reaksjonslikningene:

11.10 Aluminium blir produsert ved elektrolyse av en smelte som inneholder A12O3. Beregn energien (i kWh) som teo­ retisk går med til å produsere 1,00 kg aluminium ved spal­ ting av A12O3 når spenningen (U) mellom elektrodene antas å være 5,0 V (Energien = U • / ■ t) 11.11 Forklar i tilknytning til en skisse hvordan en ladet blyakkumulator er bygd opp. Hva skjer ved utladning? Skriv likningene for elektrodereaksjonene. Hvordan kan vi ved en enkel måling finne cellens ladningstilstand?

11.121 et alkalisk (basisk), ladbart batteri skjer følgende reak­ sjon: HgO + Zn + H2O -> Zn(OH)2 + Hg Hvilket stoff er oksidert/redusert? Skriv halvreaksjonene. (Løsningen inneholder OH“-ioner, og de vil inngå i halv­ reaksjonene.) Hvilken elektrode blir negativ pol?

11.13 NiFe-akkumulatoren ble omtalt på side 132. Følgende reaksjoner kan skje ved elektrodene: Fe(OH)2(s) + 2e # Fe(s)

a) Et stykke jern (Fe) blir satt ned i en 1,0 M HCl-løsning. b) Et tilsvarende jernstykke blir satt ned i 1,0 M HNO3løsning.

11.5 Vil det bli reaksjon når a) Zn-metall blir tilført en Cu' '-løsning9 b) Ag-metall blir tilført en Fe++-løsning? c) en Sn++-løsning blir blandet med en Fe3+-løsning? d) Ag-metall blir tilført en 1,0 M HNO3-løsning? Skriv reaksjonslikningen dersom det skjer en reaksjon, og angi hvilke stoffer som blir dannet. Begrunn svarene.

11.6 Gitt samme cellen som i oppgave 11.1, men nå skal Cu++løsningen være 0,030 M og Ni++-løsningen være 0,060 M. Bruk Nemsts formel til å finne cellepotensialet ved 25 °C i dette tilfellet.

11.7 En celle er gitt ved: Ni | Ni++(0,050 M) 11 Ag+(0,75 M) I Ag

Tegn en skisse av den galvaniske cellen.

a) Skriv cellereaksjonen og beregn cellespenningen ved 25 °C. b) Hvilken elektrode blir anode, og hvilken blir katode?

11.8 Magnesium blir framstilt ved smelteelektrolyse av MgCl2. Elektrodereaksjonene er: - ved katoden: Mg++ + 2e“ - ved anoden: 2 Cl“ - 2e~

Mg Cl2

Hvor mange kilo magnesium og hvor mange m3 klor ved NTP blir det dannet per time når strømmen er 10 000 A? 11.9 En stålgjenstand har en overflate på 5,0 dm2. Vi vil dekke den med et 0,025 mm tykt sinkbelegg ved elektrolyse. Tettheten av sink er 7,15 g/cm3. Hvor lenge må vi elektro­ lysere når strømmen er 9,0 A?

+ 2 OH (aq) £°red = -0,86V

Ni(OH)3(s) + e- # Ni(OH)2(s) + OH~(aq) £°red = 0,49 V a) Hvilket stoff blir oksidert/redusert i akkumulatoren? b) Hvilken elektrode blir anode? Begrunn svaret. Skriv cellereaksjonen. c) Hvilket potensial kan vi beregne for cellen ut fra normalpotensialene?

11.14 Sølv-sinkcellen er en type knappcellebatteri. Anoden består av sinkmetall (Zn) i kontakt med sinkoksid (ZnO), og katoden av sølvmetall (Ag) i kontakt med sølvoksid (Ag2O). Elektrolytten er en mettet KOH-løsning. Cellereaksjonen blir: Zn(s) + Ag2O(s) —> ZnO(s) + Ag(s) Skriv anode- og katodereaksjonen (i reaksjonene inngår OH" og H2O). (Da ingen komponenter fra løsningen inngår i cellereak­ sjonen, behøver ikke cellen inneholde mye elektrolytt, og elektrodene kan pakkes tett. Knappcellebatteriene er små og blir brukt i klokker, høreapparater og kameraer.) 11.15 I kvikksølvbatteriene som blir nyttet i «pacemakers» for hjertepasienter, i høreapparater osv., består den negative elektroden av Zn-metall i kontakt med ZnO(s). Den posi­ tive elektroden består av Hg(l) i kontakt med HgO(s). Elektrolytten består av 40 % KOH. Skriv likningene for anode-, katode- og cellereaksjonen.

(En av hovedfordelene med disse akkumulatorene er at de holder konstant spenning, 1,35 V. Elektrolytten inngår ikke i cellereaksjonen og konsentrasjonen endres derfor ikke ved utladning. Akkumulatoren bør ikke lades opp efter utladning. De kan da bli sprengt på grunn av gassutvikling.)

12 Organisk kjemi

Fra gammelt av ble det skilt mellom uorganiske og organiske forbindelser. Det ble antatt at bare planter og dyr kunne produsere organiske stoffer - en mystisk «livskraft» måtte være medvirkende. Med organisk kjemi mener vi nå karbonforbindelsenes kjemi (se side 52). Karbon står i en særstilling. Ingen andre grunnstoffer har en tilsvarende evne til å danne stabile forbindelser ved sammenbinding av ato­ mene til lange kjeder og ringer. Totalt kjenner vi i dag til mer enn 13 millioner organiske forbindelser. I dag blir et stort antall organiske stoffer framstilt kunstig, og mange av disse stoffene har fått stor betydning for oss. Nye medisiner, ikke minst psykofarmaka som lindrer og demper psykiske lidelser, har blant annet revolusjonert moderne medisin. Etter hvert har vi også lært å erstatte enkelte defekte deler i kroppen med kunstig framstilte, for eksempel kan vi nå sette inn hjerteklaffer av organisk materiale. I dag står vi foran nye og spennende utfordringer innenfor bioteknologien, en vitenskap som krever dyp innsikt i organisk kjemi. Molekylformelen, bruttoformelen, som angir hvor mange atomer det er av hvert slag i et molekyl, er van­ ligvis ikke tilstrekkelig til å karakterisere et organisk stoff. Vi må vite hvordan atomene er bygd sammen. Det framgår av strukturformelen. De organiske stoffene blir delt inn i grupper med felles egenskaper. Egenskapene blir bestemt av stoffets struktur. Ofte er spesielle atomgrupper utslagsgivende. I dette kapitlet skal vi kort ta for oss noen vanlige grupper i den organiske kjemien. Vi skal se hvordan en del stoffer er bygd opp og hvordan de navnsettes. Dette danner et fundament for forståelse av petro­ kjemi og plaststoffer.

12.1 Mettede hydrokarboner Med et hydrokarbon mener vi en forbindelse som består av karbon- og hydrogenatomer bundet sammen med kovalente bindinger. Vi skal først omtale alifatiske hydrokarboner, det vil si molekyler der karbonatomene er bundet sammen i åpne, uforgreinede eller forgreinede kjeder.

Figur 12.1 Hydrokarboner deles i alifatiske og aroma­ tiske forbindelser (s. 145). Alifatiske forbindelser deles i alkaner, alkener og alkyner, hvor det inngår hen­ holdsvis bare enkeltbindinger, en eller flere dobbeltbindinger og en eller flere trippelbindinger.

Alkaner Et alkan er et hydrokarbon der hvert C-atom er bundet til fire andre atomer, enten andre C-atomer eller Hatomer. Det inngår altså bare enkeltbindinger i alkanene. Det enkleste av disse stoffene er metan, CH4, en fargeløs gass som er hovedkomponenten i naturgass. Figur 12.2 viser forskjellige måter å anskueliggjøre molekylet på. Figur a gir et bilde i planet, og figurene b, c, d og e gir romlige bilder av hvordan molekylet er bygd opp.

138

Kjemi, kapittel 12

H I H- C -H i H a modell i planet

b romlig modell

c modell som viser tetraederstrukturen

d pinnemodell

a kalottmodell

Figur 12.2 Forskjellige måter å anskueliggjøre hvordan metanmolekylet er bygd opp.

På figur b angir heltrukne linjer bindinger som ligger i papirplanet, en prikket linje en binding som ligger på baksiden av planet, og tegnet c en binding som lig­ ger på framsiden av planet. Karbonatomet er plassert sentralt i et tetraeder omgitt av fire hydrogenatomer med sentrum i tetraederets hjørner (figur c). Linjene fra sentrum til hjørnene representerer bindingene i molekylet. Vinklene mellom bindingene er lik «tetraedervinkelen,» det vil si 109,5°. Som nevnt er metan en viktig bestanddel av naturgass. Gassen kan også bli framstilt fra skogsavfall, dyregjødsel og annet organisk avfall. Apparaturen som skal til, kan være helt enkel. Gassen frigir energi når den brennes. Derved kan en spare skog i mange U-land (se s. 317). Avfall som inneholder organiske stoffer, for eksempel i søppel­ fyllinger, består hovedsakelig av karbon og hydrogen. Når bakteri­ ene bryter det ned uten at oksygen er til stede, det vil si under anaerobe forhold, blir det dannet metangass, se s. 265.

Etan. To C-atomer som blir koblet sammen, -C-C-, kan binde til seg seks H-atomer og gi etan, C2H6.

H

H

l

l

H-C-C-H i

l

H

H

Denne gassen, som også inngår i naturgass, er et vik­ tig råstoff for petrokjemisk industri. Som en kuriositet kan det nevnes at den framkaller modning i grønne frukter og blir anvendt for dette formålet. Propan inneholder tre C-atomer og bruttoformelen er C3H8.

H i

H

H

i

i

H-C-C-C-H i

H

i

i

H

H

Butan, som er det neste stoffet i rekken, har formelen C4H10. Både propan og butan blir solgt som flytende gas­ ser på stålbeholdere. Spesielt propan blir mye nyttet for oppvarming og belysning. Den blir også brukt som drivstoff, for eksempel i busser i bytrafikk og trucker i lagerbygninger, da forbrenningen gir relativt liten for­ urensning. Propan og butan blir brukt i forbindelse med friluftsliv. Propan blir solgt på blå beholdere, butan på gule. Butan har et relativt høyt kokepunkt (- 0,5 °C). Ved lav temperatur, for eksempel en kald vinterdag, blir damptrykket for lavt. I slike tilfeller bør en heller bruke propan (kokepunkt - 42 °C).

Av det foregående framgår det at vi kommer fra ett stoff til det neste ved å addere gruppen -CH2-. En serie av stoffer der vi kommer fra ett molekyl til det neste ved å addere en gitt atomgruppe, kalles en homolog serie. Stoffer som tilhører samme homologe serie, har vanligvis nærliggende kjemiske og fysiske egenskaper. Egenskapene endres gradvis med økende antall C-atomer. Stoffene i serien som starter med metan, blir med et fellesnavn kalt alkaner. De enkleste alkanene er: ch4 CgHg CaHg C4H10

metan etan propan butan

oktan nonan C10H22 dekan

C5H12 pentan

CsHig

CeHi4 heksan C7H-16 heptan

C9H20

Her er det bare tatt med det vi kaller normal-alkaner. Når antall C-atomer er høyere enn fire, er regelen for navnsetting av disse forbindelsene enkel. Til det greske tallordet (se s. 54) som angir antall C-atomer, tilføyer vi bokstaven -n. Alle alkanene har navn som ender på -an. Det er viktig å kjenne navnet på disse stoffene, da de danner utgangspunktet for navnsetting av mange andre stoffer.

139

Organisk kjemi

Den generelle formelen for alkanene blir CnH2n+2. Til hvert C-atom (n stk.) er det bundet to H-atomer (2 n stk.) pluss to H-atomer ekstra, //-(CH2)n-//. I alkanene er vinkelen mellom to nærliggende bindinger 109,5°. Dermed ligger ikke karbonatomene på en «rett» linje, selv om vi kaller det en «rettlinjet kjede» og det ser slik ut av figurene. Ofte skriver vi for lettvinthets skyld slik:

-C-C-C-C-C-C-

På grunn av dreibarheten omkring C-C-bindingene vil en kjede av C-atomer kunne bukte og vri seg. Noe senere slik:

Ved et annet tidspunkt slik:

Merk deg spesielt at karbon har valensen fire i de organiske forbindelsene, og at bindingene er kova­ lente! Dersom vi tar bort ett H-atom fra metan, får vi mety/ (-CH3). En slik rest blir kalt et radikal.

Etyl

-ch3 - c2h5

Propy/ Buty/

- C3H7 -C4H9

Mety/

kommer kommer kommer kommer

Men hydrokarbonene kan reagere med oksygen. Slike reaksjoner blir ka\t forbrenninger (se også s. 49). Bensin inneholder et stort antall forbindelser. C8H]8 kan brukes som en representant - en gjennomsnittsformel - for disse stoffene. I forbrenningsmotoren reagerer bensin med oksy­ gen til karbondioksid og vann: 2 C8H18 + 25 O2

Men dette gir et riktigere bilde:

I et øyeblikk slik:

Forbrenning

av av av av

metan etan propan butan

ch4 c2h6 CsHg C4H10

Når ett H-atom blir fjernet fra et alknn (CnH2n+2), får vi en alky/-gruppe (-CnH2n+1). En slik gruppe er meget reaktiv og vil lett binde seg til et molekyl eller et atom. Alkanene blir kalt mettede hydrokarboner. Det vil si at de har bundet til seg så mange H-atomer som overhodet mulig. De blir også kalt parafiner (parum - lite, affinis reaktiv). Navnet henspiller på at de viser liten evne til å reagere med andre stoffer. De er uløselige i vann og reagerer ikke med vannløsninger av syrer og baser eller med reduksjons- og oksidasjonsmidler.

16 CO2 + 18 H2O + 1,09 • 104 kJ

Dersom det blir tilført for lite luft, blir forbrenningen ufullstendig, og det blir dannet karbonmonoksid (kull­ os), CO, og karbon, C. Karbonmonoksid er en farge­ løs gass som er uten lukt og smak og som er meget giftig. Kullos forekommer i eksos. Konsentrasjonen er spesielt stor når vi bruker choke og derved minsker oksygentilførselen til motoren. CO-utslippet øker ved dårlig flyt i trafikken. Konsentrasjonen blir ekstra høy i gater med stor trafikk og dårlig utlufting. Ved branner blir det også dannet kullos. Under­ søkelser i USA har vist at de fleste som mister livet ved brann, dør på grunn av kullosforgiftning. Karbon­ monoksid binder seg sterkere til blodets hemoglobin enn oksygen. Hemoglobinet blir derved hindret i å transportere oksygen fra lungene til kroppens celler og til hjernen. Dette fører til at man blir slapp og mindre oppmerksom - og representerer en fare i trafikken. Mange får hodeverk (for eksempel ved lang tids køkjøring). Stort inntak fører til døden. I cellene i kroppen foregår det også en forbrenning. Stoffene som trengs for reaksjonen, blir sammen med oksygen tilført cellene med blodet. Forbrenningen foregår ved lav temperatur (37 °C) ved hjelp av enzymer (s. 75). Energien som blir produsert, går med til å opp­ rettholde kroppstemperaturen og til å bygge opp kompliserte mole­ kyler. Avfallsstoffene, hovedsakelig CO2 og H2O, blir transportert bort med blodet.

12.2 Isomeri Når vi arrangerer karbonatomene i butan etter hveran­ dre, gir det to muligheter:

C - C - C - C eller C - C - C l

C Vi har en uforgreinet og en forgreinet kjede. Når vi fører inn hydrogen på de ledige plassene, framkommer to stoffer som er forskjellige, men som har samme bruttoformel, C4H10. Stoffet med uforgrei-

140

Kjemi, kapittel 12

net kjede blir ofte kalt normal butan eller bare nbutan, mens det andre er isobutan. De to stoffene har forskjellige smeltepunkter, kokepunkter og kjemiske egenskaper. Stoffer med samme bruttoformel, men med for­ skjellige egenskaper, blir kalt isomere stoffer. I dette tilfellet, der molekylenes strukturer er for­ skjellige, kaller vi det strukturisomeri. Atomene er bundet sammen på forskjellige måter. Vi har sett at butan har to isomere former. Når antall karbonatomer i kjeden øker, øker antall isomerer.

Merk at for eksempel C I

C-C-C-C-C

og

C-C-C-C-C I

c

er like, og at de har samme skjelettstruktur som vist til venstre under b. Husk at det er fri dreibarhet om hver C - C-binding.

Sammenheng mellom kokepunkt og molekylstruktur Mellom hydrokarbonmolekylene virker det van der Waalske bindinger eller molekylbindinger (side 37). Jo lengre et molekyl er, desto flere muligheter er det for at det skal oppstå bindinger fra ett molekyl til nabomolekylet. For normalalkaner øker derfor kokepunktet med antall C-atomer i molekylet, se figur 12.4.

Figur 12.3 n-butan og isobutan har samme bruttofor­ mel, C4H10, men strukturformlene er forskjellige. De to stoffene er isomere.

Eksempel 1 Hvor mange isomerer har C6H14?

Løsning For at du lettere skal se strukturen, tegner vi karbonskjelettet. Men husk at til hvert C-atom er det bundet H-atomer på en slik måte at alle C-atomene får valen­ sen fire. a) Alle C-atomene ligger på en «rett» linje:

1)

C-C-C-C-C-C

b) Fem C-atomer ligger på linje, det gir to muligheter: 2)

C

3)

C

l

l

C-C-C-C-C

og

C-C-C-C-C

Figur 12.4 Kokepunktet for normalalkaner øker med antall C-atomer i molekylet.

c) Fire C-atomer ligger på linje, det gir: 4)

5) C

C l

C-C-C-C I

c

l

og

C-C-C-C I

c

Også molekylenes form spiller en rolle. Isomerene 1, 2, 3, 4 og 5 i eksempel 1 har, i denne rekkefølgen, kokepunktene 69 °C, 60 °C, 64 °C, 58 °C og 50 °C. Jo mer usymmetriske og forgreinede molekylene er, desto færre kontaktpunkter blir det mellom dem, og desto lavere blir stoffets kokepunkt.

141

Organisk kjemi

12.3 Navnsetting

Eksempel 2

Skriv lUPAC-navnet for stoffene:

Mange organiske stoffer har, fra lang tid tilbake, såkalte trivialnavn eller handelsnavn. For å skaffe oversikt, forenkle og innføre interna­ sjonalt gjeldende betegnelser, har International t/nion of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) utarbeidet regler for navnsetting. Vi har allerede sett hvordan vi navnsetter normalalkaner. I det følgende skal vi se hvordan vi setter navn på forgreinede alkaner. Vi må først finne den lengste karbonkjeden eller stammen i molekylet. I eksempel 1 så vi at heksan hadde fem isomerer:

a)

CH3 l CH3 - c - ch3 I

ch3 b)

CH3 I CH3 - CH - ch

- c2h5

I

ch2 I

ch2 I

C-C-C-C-C-C (1) c I C-C-C-C I c (4)

C I C-C-C-C-C (2)

C I c-c-c-c-c (3)

c I C-C-C-C I c (5)

Isomerene 2 og 3 har en stamme som inneholder fem C-atomer, isomerene 4 og 5 har en stamme som inne­ holder fire C-atomer. Det tilsvarende alkanet, hen­ holdsvis pentan og butan, danner stammen i navnet. Vi tenker oss deretter at ett eller flere hydrogenatomer i alkanet blir byttet ut med én eller flere alkylgrupper. Ofte blir de byttet ut med metylgrupper, -CH3, eller etylgrupper, -C2H5, og da på en slik måte at vi får fram det gitte molekylet. Vi må angi hvilket C-atom gruppen(e) er bundet til. Derfor blir C-atomene num­ merert. Regelen sier at vi skal starte i den enden som er nærmest en forgreining, slik at nummeret (num­ rene) som inngår i navnet, får lavest mulig verdi(er). Hvis formelen inneholder flere like alkylgrupper, set­ ter vi di (2), tri (3) osv. foran alkylgruppenavnet.

Stoffene over får navnene:

Stoff 2: Stoff 3: Stoff 4: Stoff 5:

2-metyl/>e«ton 3-metylpentan 2,2-dimetylZ>z/ton 2,3-dimetylbutan

ch3 Løsning a) Den lengste kjeden inneholder tre C-atomer. H l

H H I

I

Basis i navnet blir propan'. H — C — C — C — H I

I

H

H

I

H

I dette molekylet må to H-atomer erstattes med metyl. Det gir dimetyl-. Begge metylgruppene erstatter hydrogenatomer som er bundet til karbonatom nr. 2. Navnet blir 2,2-dimetylpropan.

b) Den lengste kjeden inneholder seks C-atomer. Basis i navnet blir heksan'.

ch3 - ch2 - ch2 - ch2 - ch2 - ch3 Et H-atom, bundet til C-atom nr. 2, må bli byttet ut med en metylgruppe. Det gir 2-metyl-. Og et H-atom, bundet til C-atom nr. 3, må bli byttet ut med en etylgruppe. Det gir 3-etyl-, Navnet blir 3-etyl-2-metylheksan.

Når alkylgruppene er forskjellige, settes de i alfa­ betisk rekkefølge (e foran m). Dersom det inngår prefikser (di, tri, osv.), ignorerer vi dem når vi ord­ ner i alfabetisk rekkefølge. Formel b hadde vært enklere å navnsette dersom den var blitt skrevet c2h5

I CH3 - CH - CH - CHo - CH2 - ch3 I ch3

Denne formelen og formel b er like. Det kommer av at det er fri dreibarhet om C-C-bindingene.

142

Kjemi, kapittel 12

fjerner to H-atomer

12.4 Ringforbindelser Karbonatomer kan bli bundet sammen i ringer. I så fall snakker vi om sykliske forbindelser. Dersom det er knyttet to H-atomer til hvert C-atom, er forbindel­ sen mettet. Den er da et sykloalkan, med formelen CnH2n. Forbindelsene heter det samme som tilsvarende alkaner med samme antall C-atomer, men med forsta­ velsen syklo. De enkleste sykloalkanene har strukturer som vist her:

Hx CZ—Xc"H

eller Z\

ch2-ch2 eller

__

HZ syklopropan

H

1

1

H-C-C-H 1

1

og deretter binder sammen de to ledige valensene, framkommer eten, med trivialnavnet etylen.

(qQcj H

CH -CH ti 2 k> Fl 2

\

H

XC=Fc'0120° ZjS QeX—x

H

Karbonatomene er bundet sammen med en dobbeltbinding. Vi kan betrakte den som en binding «under stress». Den «brekker» lett opp, og eten er derfor et reaktivt stoff.

syklobutan

CH2 7 x ch2 ch2 \ / CH2-CH2

eller

syklopentan

XX XX \___ /

zCHX CH, CH? , 2 1 2 CH, CH. x? . z ch2

Ved reaksjon med for eksempel brom blir to atomer addert. r ^1 eller O

12.5 Umettede hydrokarboner Alkener Dersom vi i formelen for etan

H

H

1

1

H-C-C-H 1

l

H

H

H

1

1

CH2 = CH2 + Br-> —» H — C — C - H 1

1

Br Br

sykloheksan

For å få en ringforbindelse må vi ha minst tre C-atomer i ringen. Derfor er syklopropan det enkleste sykloalkanet. I molekylet er vinklene mellom karbon-karbonbindingene 60°. Dette er et stort avvik fra tetraedervinkelen 109,5° og det er derfor store spenninger i disse bindingene. Syklopropan er derfor et reaktivt stoff. Det finnes ringforbindelser med opptil 30 C-atomer i ringen.

H

Dette er et eksempel på en addisjonsreaksjon. Sentrene i de seks atomene i eten ligger i samme plan. I motsetning til hos etan er molekylet ikke drei­ bart om bindingen mellom karbonatomene. Hydrokarboner der det inngår én eller flere dobbeltbindinger, blir kalt alkener. Molekylene som bare inneholder én dobbeltbinding, danner en homolog rekke. Vi kommer fra et molekyl i rekken til det neste ved å addere ett —CH2—ledd. Den generelle formelen blir CnH2n. Vi navnsetter et alken ved å erstatte endelsen -an i det tilsvarende alkanet med endelsen -en. Dessuten må vi oppgi et tall som angir hvor dobbeltbindingen(e) starter. Vi nummererer da den kjeden som inneholder dobbeltbindingen(e), fra den siden som gjør dette tallet (disse tallene) minst mulig. Eksempel 3

Skriv formel og navn for det alkenet som inneholder tre C-atomer.

Løsning Vi kan starte med eten og bytte ut et H-atom med -CH3:

143

Organisk kjemi

kommer av butan. Endelsen -n er byttet ut med -dien, og navnet blir 1,3-butaJzen. Tallene angir at dobbeltbindingene begynner ved karbonatom nr. 1 og 3. Stoffet med formelen

(+ch3) (-H)

ch2 = CH - CH = CH - CH = ch2 eller

(1)

CH2 = CH-CH3

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

heter 1,3,5-heksatrzen.

Molekylet har like mange C-atomer som propan. Endelsen -an blir deretter byttet ut med -en. Navnet blir propen.

Eksempel 5

Navnsett forbindelsen

ch2 = c - ch = ch2

Eksempel 4

I

Vis ved å skrive strukturformlene at 2-buten har to isomerer. Husk at det ikke er fri dreibarhet om dobbeltbindingen. Løsning Formelen for 2-buten blir CH3—CH = CH—CH3. Men dersom vi studerer den romlige oppbygningen, ser vi at det er to isomerer:

ch2 Løsning Stammen er 1,3-butadien. Til karbon nr. 2 er det festet en metylgruppe. Det gir 2-metyl-1,3-butadien. Dette stoffet danner utgangsmateriale for framstil­ ling av isoprengummi, som i stor grad har erstattet naturgummi.

Alkyner

cis-2-buten

trans-2-buten

Her er de to midterste karbonatomene låst i forhold til hverandre; det er ikke fri dreibarhet om dobbeltbindingen. CH3-gruppene kan derfor ligge på samme side av dobbeltbindingen. Forbindelsen blir da kalt cis-2buten. Dersom CH3-gruppene ligger på hver sin side av dobbeltbindingen, heter stoffet trans-2-buten.

Ved å studere den romlige oppbygningen fant vi i eksempel 4 at 2-buten har to isomerer. Denne formen for isomeri kalles stereoisomeri eller cis-trans-isomeri (cis betyr «på samme side av», trans betyr «tvers over­ for»),

Et alken som inneholder to eller tre dobbeltbindinger, får endelsen -dien, henholdsvis -trien, i stedet for -n. Stoffet med strukturformel CH2

CH - CH

CH2

(0

(2)

(4)

(3)

Dersom vi i formelen for eten, CH2 = CH2, fjerner to H-atomer og binder sammen de ledige valensene, framkommer forbindelsen etyn eller acetylen, C2H2:

H-C C-H

Sentrene for de fire atomene ligger på en rett linje. Mellom C-atomene er det en trippelbinding. Etyn tilhører en gruppe stoffer som blir kalt alky­ ner. De har minst én trippelbinding. Forbindelsene med en trippelbinding danner en homolog serie med generell formel CnH2n_2. Alkynene blir navnsatt på samme måten som alkenene. Men endelsen -an i alkanene blir byttet ut med endelsen -yn. Eksempel 6 Skriv formel og navn for de alkynene som inneholder én trippelbinding og fire C-atomer.

Løsning Da formelen skal inneholde én trippelbinding, kan vi starte med etyn, H-C=C-H, og først erstatte det ene H-atomet med -CH3. Det gir H-C=C-CH3.

144

Kjemi, kapittel 12

Deretter har vi to muligheter.

1 Vi kan erstatte ett H-atom i -CH3 med en ny CH3gruppe. Det gir:

jemoksid, som blir blåst vekk med gasstrømmen. Varmen kommer fra den sterkt eksoterme forbrenningsreaksjonen: 2 C2H2 + 5 O2

h-c=c-ch2-ch3 2 Eller vi kan bytte ut det venstre H-atomet med CH3. Det gir:

ch3-oc-ch3 Vi har fått fram to isomerer. Den første forbindelsen heter 1-butyn, den andre heter 2-butyn.

4 CO2 + 2 H2O + 2610 kJ (per 2 mol C2H2)

Flammen kan nå en temperatur på vel 3000 °C. Blandinger av acetylen og luft (med ca. 1,5-80 % acetylen) er eksplosive. Både etylen (eten) og acetylen (etyn) kommer i dag hovedsakelig fra naturgass og jordolje.

Acetylen (etyn) blir solgt på flasker der gassen er løst i aceton (s. 151) og sugd opp i et porøst stoff. Gassen blir mye brukt til sveising og skjærebrenning av stål.

For tilførsel av overskudd av O2

Figur 12.6 Når kalsiumkarbid blir tilsatt vann, dannes det en brennbar gass, acetylen. Figur 12.5 a) Sveisebrenner.

b) Skjærebrenner.

Acetylen ble tidligere produsert fra kalsiumkarbid, CaC2, ved tilset­ ning av vann, se figur 12.6.

CaC2 + 2H2O-> C2H2 + Ca(OH)2 Acetylen dannet ved denne reaksjonen, blir brent i karbidlamper. På grunn av eksplosjonsfare må du ikke tenne på gassen før all luft er drevet ut av beholderen. Det er flere eksempler på at båter er blitt sprengt i stykker fordi vann har kommet i kontakt med kalsiumkar­ bid som har vært oppbevart om bord.

Sveisearbeid.

(Kilde: AGA Norge A/S.)

Ved skjærebrenning blir først stålet varmet opp til hvitglødende tilstand. Deretter blir det bearbeidet med betydelig overskudd av oksygen. Det blir dannet

Etylen og acetylen, som er svært viktige stoffer i den organisk kjemiske industrien, blir framstilt i store kvanta. De reagerer lett ved at dobbelt- eller trippelbindingen brytes. De er utgangsstoffer for framstilling av mange viktige produkter. En mettet forbindelse (s. 139) inneholder bare enkeltbindinger, mens en umettet forbindelse inne­ holder én eller flere dobbelt- eller trippelbindinger. Umettede forbindelser gir seg til kjenne ved at de rea­ gerer med brom. Brom løst i vann gir en væske med rødbrun farge. Dersom Br2-løsningen blir ristet med for eksempel en

145

Organisk kjemi

olje som inneholder en dobbelt- eller trippelbinding, blir denne bindingen brutt, og Br2 blir addert til mole­ kylet. Dermed avfarges væsken, se figur 12.7. H

H

Il

H

b

H

i

- C = C - + Br. -» - C - C I

Br Br

H ।

C-H

H-C

I

H

II

I

a

C-H

H-C

xc^ I H

C-H

H-C

। H-C

C-H

I H

Mettede forbindelser adderer ikke brom. 1 Flasken blir ristet

2 Etter at flasken er ristet

Eller oftest bare slik:

Figur 12.7 Br2-vann blir avfarget i kontakt med en olje som inneholder umettede forbindelser. Dobbelt- og/ eller trippelbindinger blir brutt, og brom blir addert.

12.6 Aromatiske forbindelser De aromatiske forbindelsene består i snever forstand av benzen og forbindelser som inneholder én eller flere benzenringer.

Benzen Benzen er en syklisk forbindelse med bruttoformel C6H6. Forbindelser avledet fra benzen blir kalt aroma­ ter. Navnet kommer av at mange av disse stoffene har en karakteristisk lukt eller aroma. Vi kan forklare benzenets oppbygning ved å anta at molekylet inneholder alternerende enkelt- og dobbeltbindinger i ringen, som vist på figur 12.8 a. Men i en mettet forbindelse er C-C-avstanden 154 pm, og i en dobbeltbinding er den 133 pm (pikometer, som betyr 10-12 m). Dette stemmer dårlig med undersøkelsene som viser at alle C-C-avstandene i benzen er like, med lengde 139 pm. Dessuten viser kjemiske forsøk at stoffet ikke reagerer som en umettet forbindelse. Benzenets struktur må derfor bli oppfattet som en mellomting mellom de to strukturene a og b på figur 12.8. Det var en tysk kjemiker, August Kekule, som først kom fram til denne formelen (i 1865).

Figur 12.8 Formel for benzen. a og b) Kekules formel. c) En mer moderne formel. 24 elektroner inngår i bin­ dinger representert ved streker mellom atomsymbolene. Sirkelen representerer 6 elektroner som tilhører hele molekyler.

Vi kan også ta utgangspunkt i at molekylet består av seks C-atomer bundet sammen i en ring med enkeltbindinger, se figur 12.8 c. Til hvert C-atom er det knyttet ett H-atom. Bindingene (strekene) representerer i alt 24 elektroner. Da hvert C-atom har fire elektroner i valensskallet og hvert H-atom ett elektron, inneholder molekylet i alt 30 valenselektroner. Altså blir det seks elektroner til overs. Disse er representert ved en sirkel. De tilhører hele molekylet og er fordelt på to elektronskyer, en over og en under ringen (jt-bindinger), se figur 12.9. Dette fører til at alle bindingene blir like, og det gjør at molekylet blir meget stabilt. Benzen er en vannklar væske med karakteristisk lukt og kokepunkt 80 °C. Det er et svært brennbart og farlig stoff. Damper som blir innåndet, kan over tid skade beinmargen og gi kreftformen leukemi. En må derfor sørge for godt avsug når en bruker stoffet.

Figur 12.9 Moderne strukturformel for benzen.

146

Kjemi, kapittel 72

Benzen kan også bli tatt opp gjennom huden. I flere tilfeller kan benzen byttes ut med mindre farlige stof­ fer. Benzen blir hovedsakelig framstilt fra jordolje. Stoffet har stor teknisk betydning. Det er et godt løse­ middel for hydrokarboner, fett osv. og ble tidligere mye anvendt for dette formålet. Benzen er råstoff for framstilling av en lang rekke produkter. Stoffet inngår i bensin og bidrar til å heve oktantallet.

Til vanlig bruker man betegnelsene orto-, meta- og para- (orto tilsvarer posisjonene 1,2, meta tilsvarer 1,3, og para tilsvarer 1,4). Toluen er et løsemiddel som kan gi alvorlige hjerne­ skader ved uforsiktig bruk over lengre tid. Xylen er også skadelig (se også s. 334). Flere eksempler på aromatiske stoffer og navnset­ ting av dem: Cl

Forbindelser avledet av benzen Mange forskjellige atomgrupper kan bli bundet til benzenringen, for eksempel: Hydroksigruppen Nitrogruppen Sulfongruppen Aminogruppen Karboksylgruppen

- OH - NO2 - SO3H - NH2 - COOH

(av (av (av (av (av

vann, HOH) salpetersyre, HONO2) svovelsyre, HOSO3H) ammoniakk, HNH2) maursyre, HCOOH)

Dette gir opphavet til et meget stort antall aromatiske forbindelser, som blir brukt i form av medisiner, far­ gestoffer, plaststoffer, insektmidler osv. Noen av de viktigste aromatene er:

Toluen metylbenzen

dimetylbenzen

Toluen og xylen blir framstilt i store mengder fra jord­ olje. De forekommer også i steinkulltjære. De blir brukt som løsemidler, men også som utgangsstoffer for framstilling av andre produkter. Dersom mer enn én gruppe er festet til benzen­ ringen, blir karbonatomene nummerert fra 1 til 6 som vist på figuren under. IUPAC- navnet for de tre isomerene av xylen blir for eksempel:

Aminobenzen (anilin)

Klorbenzen

3,5-dibrom1-metyl-benzen

Benzenringer som er bundet sammen slik at to ringer har to karbonatomer felles, kalles polysykliske aroma­ tiske hydrokarboner, PAH. Eksempler på slike forbin­ delser er:

naftalen

benzo(a)pyren

Naftalen (eller naftalin) ble tidligere brukt for å holde møll borte fra klær. Benzo(a)pyren blir ansett for å være en vanlig årsak til lungekreft. Stoffet finnes i sigarettrøyk, eksos og skorsteinssot.

12.7 Halogenerte hydrokarboner 1,2-dimetyl-benzen (orto-xylen)

1,3-dimetyl-benzen (meta-xylen)

1,4-dimetyl-benzen (para-xylen)

De mettede hydrokarbonene har liten evne til å reagere med andre stoffer. Men de kan reagere med halogen - fluor, klor, brom og jod. Hydrogenatomer

147

Organisk kjemi

blir da erstattet av, substituert med, halogenatomer som i reaksjonen: CH4(g) + Cl (g) -> CH3CI(g) + HCl(g)

Cl i Cl-C-F I F

Reaksjonen blir kalt en substitusjonsreaksjon. Ved reaksjonen blir det dessuten dannet: H l

H-C-Cl I Cl d/k/o/metan

H I Cl - C-Cl I

Cl triklormetan (kloroform)

Cl I

Cl-C-Cl I Cl

tefraklormetan («tetra»)

Begynner en derimot med en umettet forbindelse, vil en få fram bestemte molekyler, for eksempel: CH3-CH = CH2+

-^CH3-CH-CH2 I I Br Br

KFK-ene er forbindelser der fluor- og/eller klorato­ mer har erstattet hydrogenatomer i metan eller etan. Et eksempel er forbindelsen som betegnes KFK-12:

De vanligste KFK-ene er gasser eller lavtkokende væsker. De er verken brennbare, korroderende eller giftige. De blir mellom annet brukt i ekspandert plast, som rensemiddel og som kjølemedium i kjøleskap, dypfrysere, klimaanlegg (air-condition) og varme­ pumper. KFK-ene skader ozonlaget i den ytre atmo­ sfæren (s. 201) og bidrar også til drivhuseffekten.

(1)

1,2-dibrompropan

CH3-CH = CH2 + HBi -^CH3-CH-CH3 (2) l Br 2-brompropan

Vi har tidligere nevnt at dobbeltbindingene er reaktive og kan addere brom. Ut fra propen i reaksjon (1) blir det dannet 1,2 dibrompropan. I reaksjon (2) blir det bare dannet 2-brom propan. Klorfluorkarboner (KFK-er) er menneskeskapte stoffer. De er blitt solgt under handelsnavnet freon (eller frigen).

Haloner er stoffer som har vært benyttet til brannslokking. Dette er også halogenerte hydrokarboner. I mot­ setning til KFK-ene kan de inneholde brom, for eksempel halon 1301: Br I F-C-F I F

KFK-er og haloner er nå forbudt i Norge og i svært mange andre land (s. 203). De klorerte hydrokarbonene, som DDT1, er dess­ uten viktige insektgifter eller insekticider. Mange av disse stoffene blir brutt ned langsomt i naturen. I levende organismer blir de lagret i fettvev, og da de er lite vannløselige, blir de vanskelig utskilt (for eksem­ pel gjennom urin). Derfor finner vi økende konsentra­ sjoner oppover i næringskjeden. DDT er nå totalforbudt i Norge.

De halogenerte hydrokarbonene er ellers vanligvis reaktive. De er utgangspunkt for framstilling av et stort antall organiske stoffer. Halonapparat.

(Foto: Trond A. Svensson.)

1 pp’-4iklor4ifenylfrikloretan

148

Kjemi, kapittel 12

12.8 Alkoholer Hittil har vi hovedsakelig omtalt forbindelser som inneholder karbon, hydrogen og halogen. Når oksy­ gen, nitrogen og svovel inngår, skjer det i form av en atomgruppe, -OH, -COOH, -NH2 osv. Atomgruppen, som erstatter et hydrogenatom, vil i vesentlig grad bestemme molekylets egenskaper. Den organiske kjemien blir derfor delt inn i klasser etter hvilke grup­ per som inngår i molekylet. Gruppen som bestemmer hvilken klasse et stoff tilhører, blir kalt en funksjonell gruppe. Alkoholene inneholder én eller flere OJ/-grupper. Figur 12.10 a) Metanol, b) Etanol.

Enverdige alkoholer I de enverdige alkoholene er det bare én OH-gruppe, og den erstatter ett hydrogenatom i et hydrokarbon. Den generelle formelen blir ÆOH, der R er en alkylgruppe. Stoffene navnsettes ved at vi velger ut den lengste karbonkjeden som OH-gruppen er bundet til. Til nav­ net av dette hydrokarbonet tilføyer vi endelsen -ol, for eksempel:

ch3oh metano/

c2h5oh etano/

CH3 l ch3 - c - ch3 I

2-metyl-2-propano/

Det siste stoffet kan tenkes framkommet av 2-metylpropan ved at hydrogenatomet knyttet til karbonatom nr. 2 er blitt erstattet med en OH-gruppe. Vi numme­ rerer karbonatomene slik at tallet som er knyttet til OH-gruppen, blir lavest mulig.

Metanol og etanol Metanol er den alkoholen som har den enkleste for­ melen. Teknisk blir stoffet framstilt ved reaksjon mel­ lom karbonmonoksid og hydrogen:

CO + 2 H2 -> CH3OH CO og H2 blir dannet blant annet når vanndamp ledes over glødende kull (se side 74). Metanol blir også kalt «tresprit» på grunn av at det tidligere ble framstilt ved tørrdestillasjon av tre (det vil si oppvarming av finfordelt tremateriale, for eksem­ pel sagflis, uten tilgang på luft). Oppbygningen av metanolmolekylet framgår av figur 12.10. Stoffet er meget giftig. Selv små mengder

kan føre til blindhet, og større mengder er dødelig. Stoffet kan bli forvekslet med etanol eller vanlig sprit.

Etanol er den vanligste alkoholen. Den inngår i alko­ holholdige drikker som øl, vin og brennevin (se tabell 12.1). Etanol kan framstilles ved at gjærceller omdan­ ner druesukker (C6H12O6) eller vanlig rørsukker:

C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 I vårt land blir sprit (etanol) hovedsakelig framstilt fra stivelsesinnholdet i poteter eller kom. Etanolinnholdet blir økt ved destillasjon. Teknisk sprit blir framstilt fra eten - et råstoff som blir dannet fra råolje ved krakking, s. 157: H

H

II

H

H

II

H—C=C—H + H-O-H -> H-C-C-H I I H OH Reaksjonen skjer ved høyt trykk og høy temperatur i nærvær av katalysator. Teknisk sprit er et viktig stoff i industrien. Det blir brukt som løsemiddel og for framstilling av andre

Drikkevarer

«Alkoholfritt» øl Lettøl Pils, bayer Bokkøl, eksport Vin Hetvin Brennevin Tabell 12.1

Prosent etanol

co2

Det medgår 5 mol O2 Det medgår 5 mol O2 • 32,0 g/mol = 160 g O2 Det teoretiske oksygenforbruket: 160 g O2 Langtidsforbruket: 160 g O2 • 0,80 = 130 g O2

6.5 Kommunale kloakkrenseanlegg I et kommunalt renseanlegg inngår ett eller flere av følgende rensetrinn: - mekanisk rensing - biologisk rensing - kjemisk rensing Mekanisk rensing

I det mekaniske rensetrinnet passerer vannet først en grov sil. I den blir større gjenstander, som kvister, fil­ ler og bind, holdt tilbake. Avløpsvannet går videre til en tank, se figur 6.6. hvor væskestrømmen ikke er sterkere enn at tyngre partikler, i hovedsak sand, syn­ ker til bunns. Fett og olje får stige til overflaten og blir fjernet. I den etterfølgende sedimentasjonstanken strømmer vannet ganske langsomt. Der vil lettere par­

Totalt oksygenforbruk Utslippet av total organisk karbon (TOC) er ca. 60 g/pe.d. Det korresponderende totale teoretiske oksygenforbruket (TOF) 32 ved oksidasjon av alt karbon blir 60 • — = ca. 160 g/pe.d. I tillegg kommer det teoretiske oksygenforbruket for oksidasjon av alt ammoniumnitrogen (12

) til nitrat:

NH4+ + 2O2 -> NO3- + H2O + 2H+ -^-9- -2-32

9

ia

14moi q

TOFtot = 160

pe.d

q

q

+ 55

pe.d

= 55 g O2

mol

= 215

pe ■ d

tikler som hovedsakelig består av organisk stoff, synke til bunns (sedimentere). De samler seg i form av slam på bunnen, som blir fjernet. I det mekaniske rensetrinnet fjerner man noe orga­ nisk stoff, og mindre mengder nitrogen og fosfor (som inngår i de organiske stoffene). Biologisk rensing I det biologiske rensetrinnet utnytter vi mikroorganis­ menes (bakterienes) evne til å bryte med løst organisk stoff. Organisk stoff er å betrakte som mat for bakteri­ ene. Noe av stoffet blir forbrent og omdannet til CO2 og H2O, og noe går med til cellevekst og celledeling. I rensetrinnet forsøker vi å legge forholdene best mulig til rette for bakteriene. Fordi kloakken inneholder den næringen de trenger, blir det bare et spørsmål om å til­ føre nok oksygen og sørge for at det er rikelig med bakterier i hele karet. I aktivslamprosessen skjer dette ved at luft (oksy-

256

Miljølære, kapittel 6

Sil

Sand- og fettfang

Sedimentasjonsbasseng 1 med slamskrape

Luftingsbasseng

Sedimentasjonsbasseng 2

Mekanisk rensing --------------------------------> FePO4 (s)). Samtidig felles hydroksider (se s. 253) som binder til seg bakte­ rier og andre partikler. Figur 6.6 viser hvor jern- eller aluminiumsaltet blir tilsatt. Væsken renner videre inn i en tank hvor de utfelte partiklene får bygge seg opp til større enheter (flokker), som kan bli fjernet i det etterfølgende sedimentasjonsbassenget. De forskjellige rensetrinnene kan bh koblet sam­ men på forskjellige måter. For eksempel er det ikke uvanlig at kjemikaliene blir tilsatt bassenget hvor den biologiske nedbrytningen foregår - slik at biologisk rensing og kjemisk felling skjer samtidig. Nitrogenfjerning

I kloakken foreligger nitrogen hovedsakelig som ammoniakk (NH3 - som i vann dels gir NH4+) og urea (CO(NH2)2 )• Ved hjelp av bakterier (nitrobakter) kan disse stoffene omdannes til nitrat (NO3~) i en prosess kalt nitrifisering. Prosessen krever tilgang på oksygen (den er aerob). Dannet NO3“ kan av andre bakterier (nitrosomas) bli omdannet til N2 i en anaerob prosess som kalles denitrifisering. For at reaksjonen skal finne sted må det være organisk stoff til stede - som bakteriene kan bryte ned. Det organiske stoffet er imidlertid vanligvis fjernet før vannet kommer til denitrifiseringsanlegget, og nytt organisk stoff må derfor tilsettes. Til nedbryt­

ningen går det med oksygen, men da det er en anaerob prosess, blir oksygenet tatt fra NO3~. Det dannes N2gass som bobler opp og ut av væskefasen. Prosessen gir som et mellomprodukt N2O som skader ozonlaget og er en drivhusgass. En må søke å unngå at denne gassen dannes og unnslipper til luft.

Hva kan vi oppnå? Framtidige rensemetoder Figur 6.7 viser at mekanisk rensing gir dårlig rensing. Et kombinert mekanisk og kjemisk anlegg gir god fjerning av suspendert stoff og fosfor, mens et rense­ anlegg hvor det i tillegg inngår biologisk rensing, gir meget god fjerning av alle de viktigste forurensnings­ komponentene bortsett fra nitrogen (fjerner 95 % av det suspenderte stoffet, 90 % organisk stoff, 95 % fos­ for og 25 % nitrogen). Ved flere renseanlegg er det i de siste årene blitt påbygd et ekstra rensetrinn for bio­ logisk fjerning av nitrogen.

Renseprosess Mekanisk

Mekanisk/ kjemisk

M-anlegg

MK-anlegg

Forurensning

Mekanisk/ biologiskkjemisk MBK-anlegg

Suspenderte stoffer

50%

90%

95%

Organisk stoff

25 %

70%

90%

Totalt fosfor

15 %

90%

95%

Totalt nitrogen

10%

15%

25 %*

* Med en utvidet biologisk prosess, der ammonium-nitrogen (fra urin) først oksideres til nitrat og deretter denitrifiseres til ren nitrogengass, kan man øke graden av N-fjerning vesentlig. Dersom man skal ha høyere renseeffekt totalt enn ca. 70 %, vil dette imidlertid bli relativt kostbart.

Figur 6.7 Renseeffekt med hensyn til forskjellige foru­ rensninger i konvensjonelle kommunale kloakkrense­ anlegg (anslagsvis, avrundede tall)

Kloakkrensing krever store og kostbare anlegg som er relativt dyre i drift og forbruker kjemikalier. 1 nye anlegg kan en spare kjemikalier ved å fjerne fosfor biologisk. (I et nytt renseanlegg i Grimstad blir både P og N fjernet ved hjelp av mikroorganismer.) Det er for tiden en tendens til å ta i bruk enklere, billigere og mer naturvennlige rensemetoder, se rammetekst neste side. Disse anleggene er arealkrevende, og foreløpig er de hovedsakelig tatt i bruk i forbindelse med diffuse utslipp og utslipp fra et mindre antall husstander.

258

Miljølære, kapittel 6

Rensepark - økoteknologi Organiske stoffer dannes som kjent fra CO2, H2O og næringssalter (s. 170). Ved nedbryting av organiske stoffer gjendannes disse stoffene - og inngår dermed i en naturlig syklus. De menneskeskapte renseprosessene er karakterisert ved at det dannes sidestrømmer. Ved vannrensing dannes for eksempel store mengder slam som kan gi opphav til ny forurensning. I renseparker legges forholdene til rette for at naturens egne prosesser skal overta rensingen av vannet. Avfalls­ stoffene blir til biomasse i nye planter, mikroorganismer og dyr. Skissen viser rensing av forurenset bekkevann før inn­ løp til Mosvannet i Stavanger. Vannet fra kanalen blir først pumpet inn i en stor reaktor. Inne i denne kommer vannet i god kontakt med mikroorganismer. Det strømmer gjennom toppen av tanken - som er neddykket i dam III - hvor det er mye vegetasjon. Derfra renner hovedstrømmen ut i kana­ len og videre ut i en naturlig våtmark med rik vegetasjon. Dette vannet oppnår en moderat rensing. Slammet fra bioreaktoren blir sammen med en mindre del av vannstrømmen pumpet til punkt 2. Herfra risler van­ net nedover en bratt «risletrapp» som er bygget av rulle­ stein. Vannet renner videre gjennom dammer, en kunstig bekk og et våtmarksområde før det renner tilbake til kana­ len. På plantene som trives godt i anlegget, utvikles det

Slam Ved kloakkrensing, blir det dannet store mengder slam som vanligvis blir stabilisert i store tanker. Stabilisering betyr at lett nedbrytbart organisk stoff, som inngår i slammet og som kan gi sjenerende lukt, blir nedbrutt. Det skjer vanligvis uten at oksygen er til stede. Det dannes da metangass, som blir nyttet som brensel til produksjon av elektrisitet og varme. Større renseanlegg kan på denne måten bli selvforsynte med energi. Stoffene i slammet stammer opprinnelig fra plan­ ter. Derfor bør det føres tilbake til jorda, og det skjer da også i stor grad. (I Norge ble 65 % av slammet brukt på jordbruks- og grøntarealer i 1997.) Slammet er etter stabilisering og avvanning et lett håndterlig produkt uten ubehagelig lukt. Det inneholder humus som bedrer jordas struktur og dens evne til å magasi­ nere vann. Innholdet av nitrogen, fosfor og mikronæringsstoffer reduserer bondens utgifter til innkjøp av kunstgjødsel. Myndighetene har utarbeidet strenge regler for hva slammet får inneholde av tungmetaller og miljøgifter. Spesielt har de vært opptatt av kadmiuminnholdet. I de siste årene har det vært registrert en nedgang i innholdet av de farligste metallene i slam.

biokulturer av mikroorganismer som fanger opp fosfor og organisk stoff. Renseeffekten er god for fosfor (opp mot 80 %), men vanligvis noe lavere og mer variabel for nitrogen. Renseparker blir nå bygget flere steder, for eksempel for å fange opp avrenning fra jordbruksarealer eller rense klo­ akk fra gårdsbruk. Renseparkene kan bli attraktive våt­ marksområder, rikt på mindre planter, trær og fisk og med et verdifullt fugleliv. Kilde: R. Bakke, Utvikling av Madlabekken Rensepark

Ut fra innholdet av miljøgifter settes grenser for hvor mye slam det er tillatt å spre på et gitt areal, og hvor det kan anvendes. Mest slam blir brukt på korn­ åkrer og i frukthager. Det er ønskelig at en større del av slammet blir anvendt i jordbruket. For at det skal kunne skje, må miljøgifter ikke tømmes i kloakken.

Avløp fra spredt bebyggelse Med spredt bebyggelse tenker vi i første rekke på hus og hytter som ligger så spredt at de vanskelig kan knyttes til et felles avløpsnett. Dette vannet kan gå til

- slamavskiller (septiktank) og infiltrering i grunnen. Septiktanker er spesielle tanker hvor synke- og flyteslam blir holdt tilbake og tømt av slamsugebil en eller flere ganger om året. Vannet fra tankene blir deretter ledet inn i horisontalt liggende rør som er gravd ned i jorda over et lag ned grus. Rørene er gjennomhullet og vannet renses mens det sildrer over grusen, som etter kort tid vil være dekket av bakteriekolonier. Fordi belastningen er liten, blir bakteriekoloniene nedbrutt nesten like fort som de blir dannet

259

Vannrensing

- typegodkjent minirenseanlegg. Dette er små kom­ plette anlegg som kan settes opp i en kjeller. De skal monteres og kontrolleres jevnlig av fagfolk - mange typer toaletter som er på markedet. I noen blir ekskrementene til et humusholdig materiale som er velegnet til bruk i hagen (f.eks. i snurre doen). I andre nyttes elektrisitet til å forbrenne avfallet slik at det bare blir litt aske tilbake - separasjonstoaletter. Dette er en type toaletter hvor urin blir skilt fra fekalier (den faste avføringen). Urinen, som fra naturens side er steril, inneholder det meste av næringsstoffene. Den blir samlet opp i spesielle beholdere og kan bli utnyttet i landbruket. Fekaliene, som inneholder mye bakterier, blir kompostert. Komposten kan bli brukt i energiskog eller liknende. Toalettene er hygieniske og luktfrie Enkle typer toaletter bygd på separasjonsprinsippet blir utprøvd i storbyer i utviklingsland. Mellom husene finnes det mange små hager. Ved å ta i bruk urinen og kompost kan en oppnå betydelige avlinger av grønnsaker og frukt i disse småhagene og ved å dyrke på taket (urban agriculture). De bidrar til å redu­ sere alvorlige avfallsproblemer, samtidig som plante­ produksjonen gir et viktig kostholdssupplement til en befolkning som ofte lider av under- og feilernæring.

Krav til rensing Rensekravene vil naturlig nok avhenge av resipienten. Kloakk fra husholdninger (som ikke inneholder miljø­ gifter) er det ikke nødvendig å gi avansert rensing ved utslipp til for eksempel utsiden av Lofoten. Men kra­ vene blir langt strengere ved utslipp til en bekk, en liten innsjø eller en elv som nyttes som drikkevann­ skilde (f.eks. Glomma). Det meste av avløpsvannet fra Rogaland og nordo­ ver blir bare renset mekanisk. Avløpsvannet blir godt innblandet i kyststrømmen, og ettersom denne strøm­ men er eutrof, fører utslippene til liten endring i forurensningsparameterene. Tidligere regnet vi Sørlandskysten som en god resipient, men algeoppblomstringer i Nordsjøen har ført til strenge rensekrav for strekningen svenskekysten-Lindesnes. På denne strekningen gjelder multina­ sjonale forpliktelser (Nordsjøavtalen). Vi forpliktet oss til å redusere utslippene av fosfor og nitrogen med 50 % innen 1995. Kravet ble så godt som innfridd for fosfor, men målsettingen er langt fra nådd når det gjel­ der nitrogen (se s. 247).

Det er nå EU-direktiver som gjennom EØS-avtalen, er bestemmende for rensekravene. Kravene er strenge. I tillegg til fosforfjerning stilles det krav om nitrogenfjerning fra alle større anlegg (større enn 10 000 p.e.). Det gjelder hele landet. Men direktivet åpner for enklere anlegg dersom det på solid vitenska­ pelig grunnlag kan dokumenteres at resipienten er i en slik tilstand at omfattende rensing ikke er nødvendig. Fordi vannet i Nordsjøen inneholder mye nitrogen, hevder flere forskere at våre utslipp har så godt som ingen effekt. For det meste av kysten anses det unød­ vendig å fjerne nitrogen. Arealene som dreneres til Indre Oslofjord og Glommas nedslagsfelt er definert som sårbare områder for nitrogen (ifølge nytt direk­ tiv). Her kan det være aktuelt å bygge flere nitrogenrenseanlegg.

6.6 Litteratur Det vises til litteraturliste i kapittel 5.

Spørsmål og oppgaver 1 Hvilke krav blir i følge drikkevannsforskriftene stilt til sur­ heten i drikkevann (se figur 6.1)? Tidligere har kravet (til god drikkevannskvalitet) hos oss vært pH 7,5-8,5. Hvorfor er det ønskelig at vannet er svakt alkalisk (basisk)? Hvilke stoffer blir i vannverkene brukt til å heve pH til ønsket verdi? Hvilken metode er etter din mening den beste? Begrunn svaret. 2 Oslos drikkevann skal bringes opp til minimumskravene for alkalitet i henhold til EU-kravene. Det skjer ved å tilsette vannet Ca(OH)2 og CO2 som reagerer til kalsiumhydrogenkarbonat. Ca(HCO3)2, i følge likningen: Ca(OH)2 + 2 CO2 -> Ca++ + 2 HCO3 Hydrogenkarbonat-konsentrasjonen (alkaliteten) skal være 1 mmol/1 (millimol per liter). Det blir produsert ca. 115 mil­ lioner m3 drikkevann per år. Hva blir det teoretiske forbru­ ket av kalsiumhydroksid og karbondioksid?

3 Hva menes med koliforme bakterier? Er disse bakteriene sykdomsfremkallende? Hvilke metoder blir benyttet i vannrenseanleggene til å desinfisere vann? 4 Hva er forskjellen på absorpsjon og adsorpsjon? Hva er det som gjør at aktivt karbon har usedvanlig stor evne til å adsorbere stoffer? I hvilke tilfeller blir aktivt karbon utnyttet i renseteknikken?

260 5 Hvilke tre minimumskrav blir stilt til behandling/rensing av drikkevann? Hvilke tilleggskrav må vi regne med blir still dersom vi får tillatelse til å ta råvannet fra Glomma (mellom Mjøsa og Sarpsborg)?

6 Forklar hva vi mener med forkortelsene BOF, KOF og TOC. 7 Hvilke stoffer blir fjernet i et mekanisk renseanlegg? Hvilke egenskaper ved forurensningen blir i et slikt anlegg utnyttet for å få stoffene fjernet?

8 Et stort anlegg på Nord-Jæren renser kloakken mekanisk og kjemisk. a Hvilke stoffer blir fjernet fra kloakken ved denne behandlingen? b Avløpsvannet fra renseanlegget slippes ut i havet i et område med gode strømforhold. Hvilke stoffer innehol­ der utslippet? Ser du noen betenkeligheter i at dette/disse stoffene blir sluppet ut i havet? 9 Beskriv i tilknytning til en skisse aktivslamprosessen. Blir de organiske stoffene i kloakken fullstendig nedbrutt til CO2 og H2O, eller hva er det som skjer med dem? 10 Hvilke stoffer blir fjernet ved kjemisk rensing? Hvilke fellingskjemikalier blir benyttet?

11 Et kloakkrenseanlegg renser avløpsvannet fra 50 000 inn­ byggere ved kjemisk felling for bl.a. å fjerne fosfor (P). Det regnes med et utslipp på 2g P per person og døgn og vi reg­ ner med at 80 % av kloakken kommer fram til renseanleg­ get. Regn med at alt fosforet blir utfelt som A1PO4. Regn videre med at det går med 2,5 ganger så mye A12(SO4)3 som det støkiometriske behovet tilsier, regnet utfra fosformengden. Overskuddet reagerer med såpe, proteiner osv. Hva blir forbruket av aluminiumsulfat (A12(SO4)3 • 18 H2O) per år i renseanlegget? 12 Hvordan kan nitrogen bli fjernet fra avløpsvann ved nitrifisering og denitrifisering?

13 De store og økende mengdene slam som blir dannet i kloakkrenseanleggene utgjør et problem. Hva bør slammet etter din mening brukes til? Begrunn svaret. Hvordan kan vi unngå at for store mengder tungmetaller og andre miljøgif­ ter ender opp i slammet?

Miljølære, kapittel 6

7 Avfall og avfallsbehandling

Går vi 50 år tilbake i tiden, var forholdene når det gjaldt avfall, svært forskjellige fra hva de er i dag. Plast fantes nesten ikke, innpakningen var sparsom, ting ble brukt om igjen, og når gjenstander gikk i styk­ ker, ble de vanligvis reparert. Skraphandlere tok vare på metaller osv. slik at lite ble kastet. Mengden av avfall - dvs. kasserte (løsøre)gjenstander eller stoff har i løpet av de siste tiårene økt drastisk, se figur 7.1. Den «bruk-og-kast-mentaliteten» som karakteriserer det moderne forbruks- og industrisamfunnet, er basert på at ressursene er uuttømmelige, og har ført til berg av avfall. Dette resulterer i:

- forurensning av jord, vann og luft - skade på dyr og mennesker grunnet spredning av smitte og giftstoffer - dårlig utnyttelse av naturressurser - forbruk av store arealer til avfallsdeponier - forsøpling av naturen - store samfunnsmessige kostnader for å transportere og behandle avfallet

Denne måten å forvalte ressursene på kan ikke fort­ sette. I industrilandene har man derfor utarbeidet pla­ ner for å redusere disse problemene. Våre myndig­ heters hovedstrategi på avfallssektoren er utformet i følgende tre punkter (formulert i Stortingsmelding nr 44 (1991-1992): «Hindre at avfall oppstår, og redusere mengden skadelige stoffer i avfallet 2 Fremme ombruk, materialgjenvinning og energiut­ nytting 3 Sikre en miljømessig forsvarlig sluttbehandling av restavfallet»

1

Tilsvarende prioriteringer finner vi i EU. EU har utformet (og har under utforming) mange direktiver som gjelder avfall. Ifølge EØS-avtalen er vi i hoved­ sak forpliktet til å følge direktivene som blir vedtatt på miljøsektoren. Forpliktelsene blir vanligvis innarbei­ det i norsk lovverk som forskrifter, tilpasset norske forhold. Kapitlet inneholder

I dette kapitlet gir vi først en oversikt over typer og mengder av avfall1* Viog innsamlingsmetoder. Det fins flere muligheter for behandling av avfallet. Disse er listet opp i rekkefølge etter økende mulighet til å ta vare på energiinnhold og materialer: 1 2 3 4 5

avfallsdeponi forbrenning kompostering gjenvinning ombruk

Vi skal se hvordan et deponi bør utformes og drives, Figur 7.1 Husholdningsavfall per innbygger med fram­ skrivning til 2010. [20]

1 Tallene må tas med et visst forbehold fordi avfallsstatistikken ikke har vært særlig pålitelig.

262

hvordan et forbrenningsanlegg virker, og hva som kan gjøres for å redusere forurensningen fra anleggene mest mulig. Avfallsdeponering og forbrenning er de tradisjonelle måtene å behandle kommunalt avfall på. Økologisk sett er gjenvinning og ombruk det beste alternativet, og på dette området skjer det mye spen­ nende. Vi vil derfor gi en relativt bred omtale av hva som foregår på dette feltet. Til slutt vil vi omtale spesialavfall, hva det består av, og hvordan det kan samles inn og behandles. Vi må sikte mot å forhindre at avfall oppstår. Dette er som kjent en av hovedmålsetningene ved «renere produksjon» (s. 180). Det skjer også ved å lage gjenstander som varer lenger og som lett kan repare­ res. Og vi bør forbruke mindre, både privat og i næringslivet.

7.1 Hva inneholder avfallet? Det blir brukt et stort antall begreper for å karakteri­ sere avfall. Dels overlapper de forskjellige betegnel­ sene. Det er vanlig å skille avfall etter opprinnelse som

-

forbruksavfall husholdningsavfall næringsavfall bygg- og anleggsavfall

Dels bhr det skilt etter faregrad i - ikke-farlig avfall - spesialavfall (som trolig vil bli endret til farlig avfall)

Miljølære, kapittel 7

Vektprosent

Husholdningsavfall Papir og papp

33

Matrester

28

Plast

8

Metaller/glass

8

Hage-/parkavfall

2

Annet brennbart (tre, bleier m.m.)

14

Annet ikke-brennbart

2

Finstoff

5

Figur 7.2 Sammensetningen av husholdningsavfall i 1997 (vektprosent). [3]

- vegetabilsk og animalsk fraksjon utgjør knapt 1/3. Den overveiende delen av dette er matavfall - p/tfsffraksjonen har vært stadig økende. Den inne­ holder mest folieplast, som i hovedsak består av polyetylen (PE - bæreposer, søppelsekker m.m.) og noe polyvinylklorid (PVC) Næringsavfall

er avfall fra næringsvirksomhet. Det er mer ensartet og lettere å behandle enn husholdningsavfall. Avfallsprodusenten har ansvar for at næringsav­ fallet bhr levert til godkjent avfallsanlegg eller gjen­ vunnet. Store mengder avfall genereres i industrien (2,9 millioner tonn ifølge figur 7.3). Større industrifo­ retak tar selv hånd om det meste av sitt eget nærings­ avfall, eller leverer det til private avfallsanlegg. Det er store kostnader knyttet til å bli kvitt avfallet. Derfor har industrien funnet det lønnsomt å redusere avfalls­ mengden - i hovedsak ved å endre produksjonsproses­ sene.

Forbruksavfall

stammer fra vanlig forbruk og i tillegg større gjenstan­ der som inventar od. - fra husholdninger, kontorer, mindre butikker osv. Avfallet er svært sammensatt. Husholdningsavfall

er den delen av forbruksavfallet som kommer fra hus­ holdninger. Veksten i mengden av husholdningsavfall produ­ sert per person har vært stor, og mengden ventes å øke (fra 174 kg i 1974, 308 kg i 1997 til forventet 380 kg i 2010). De viktigste komponentene i husholdningsav­ fallet framgår av figur 7.2. Vi merker oss at

- papir og papp utgjør ca. 1/3. Av dette utgjør aviser og tidsskrifter omtrent halvdelen

Næring

Generert Kilde avfallsmengde

Privathusholdninger

1,4

SSB 1998

Industri

2,9

SSB 1997

> 14,2

Hjellnes Cowi 1997

Annen bergverksdrift og utvinning

2,5

SFT 1998

Deler av offentlig virksomhet

0,4

SSB 1996

Fiske

0,6

RUBIN 1996

Bygg- og anleggsvirksomhet

1,2

Sprengstein og løsmasser

13

Figur 7.3 Generert avfallsmengde i Norge (millioner tonn per år). [20]

263

Avfall og avfallsbehandling

Bygg- og anleggsavfall er produksjonsavfall fra alle aktiviteter i bygg- og anleggsbransjen. Det inkluderer avfall fra riving av bygg, og det blir ofte levert i konteinere. Mengden og sammensetningen varierer sterkt fra sted til sted i lan­ det, og med aktiviteten i byggebransjen. En meget stor andel av det totale energi- og materi­ alforbruket i vestlige land går med til bygging og ned­ riving av bygninger, og byggavfallet utgjør store avfallsmengder (rundt 40 % av alt avfall til deponi, dvs. like mye som avfallet fra alle husholdningene i Norge). Store mengder av dette avfallet bli feilplassert

- tømt i fjorder og grøfter. Kommunen har ansvar for å samle inn alt forbruks­ avfall og å sørge for at det finnes tilbud for mottak av spesialavfall som forekommer i mindre mengder, dvs. fra husholdninger og vanligvis mindre virksomheter. Kommunene tar også imot en del produksjonsavfall. Deler av dette innsamlingsarbeidet kan bli overlatt til private foretak. Kommunalt avfall er avfall som kommunen tar hånd om eller administrerer håndteringen av [4j. Det omfatter alt forbruksavfall og en del produksjonsav­ fall. Begrepet er noe upresist. Mengden tilsvarer knapt 650 kg per person og år. Spesialavfall

er «avfall som ikke hensiktsmessig kan behandles sammen med kommunalt avfall fordi det kan medføre alvorlige forurensninger eller fare for skade på men­ nesker eller dyr» [20 s. 100] (engelsk: «hazardous waste»). Spesialavfall tas opp som eget tema på side 277.

der og kutt, som kan forekomme ved bruk av sekk, og slitasje som skyldes tunge løft. Det blir skilt mellom hentesystem og bringesystem. Hente systemet innebærer at avfallet blir hentet hos hver abonnent, for eksempel i beholdere som er plassert utenfor boligen. Bringesystem betyr at avfal­ let må bli brakt til store beholder (ofte kalt igloer) som er plassert ved trafikknutepunkter (f.eks. utenfor et butikksenter). Det er egne beholdere for glass, plast, tekstiler m.m. De fleste kommuner har en kombina­ sjon av disse systemene. Tømmehyppigheten blir bestemt av mengde og type avfall. Matavfall har liten holdbarhet og kan avgi lukt, derfor må dette avfallet tømmes relativt ofte, i alle fall dersom det skal bli brukt som for. Det kan gå lengre tid mellom tømming av beholdere for papir og glass. To typer materialer kan kastes i én avfallsbeholder når de to komponentene kan bli skilt mekanisk (eller manu­ elt) etter innsamling, for eksempel glass og metall.

7.3 Behandling av avfallet Det avfallet kommunene samlet inn, ble i 1997 [20] (se også figur 7.4):

-

deponert på fyllplass forbrent levert til materialgjenvinning kompostert

(ca. 58 %) (ca. 18 %) (ca. 20 %) (ca. 5 %)

Det moderne avfallsdeponi Ved forbrenning dannes vanligvis en rest av aske og slagg (s. 268), og ved gjenvinning kan ikke alt resir-

7.2 Innsamling og transport av avfall Forurensningsloven pålegger alle kommuner å ha tvungen renovasjon, men spredt bebyggelse kan bli fritatt. Imidlertid er så godt som alle husstander nå knyttet til kommunal renovasjon. Avfallet fra hus­ holdningene blir vanligvis samlet i sekk eller plastbeholder med hjul. Som regel blir det brukt spesialbiler til å samle inn avfallet. I disse blir avfallet komprimert. På den måten blir transportkostnadene betydelig redusert. Plastbeholderne på hjul blir tømt ved hjelp av hydraulisk løfteutstyr montert på bilen. Det gir bedre arbeidsfor­ hold for renovasjonsarbeiderne. De unngår stikkska-

Figur 7.4 Avfall i kommunal renovasjon etter behand­ lingsmåte. [20]

264

Miljølære, kapittel 7 Gass-

Drenssystem for regnvann

Avskjærende drensgrøfter rundt hele fyllplassen

Drenssystem for siqevann y

.. , ----------Kum. ev. brønn for sigevann, ev. med utpumping til renseanlegg

Figur 7.5 Snitt gjennom et deponi for avfall

kuleres. Derfor vil det alltid være behov for en fyll­ plass. Det meste av husholdningsavfallet, nesten alt grovavfallet og rester fra forbrenningsanleggene ble levert til fyllplasser i begynnelsen av 1990-åra. Fylkesmennene forbyr nå deponering av matavfall og annet våtorganisk avfall2. I framtiden vil dette avfallet ikke bli levert på fyllplass. Det vil føre til at mindre avfall blir levert til deponi, og problemene på fyllplassene blir redusert. Men den totale avfalls­ mengden ventes å øke. Det blir stilt stadig strengere krav til hvordan et deponi skal utformes og drives. Dette er grunnen til at antall kommunale fyllplasser er blitt sterkt redusert (fra ca. 400 i slutten av 1970-årene til vel 145 i 1997) [4|. Plassering Det blir stadig vanskeligere å finne steder i nærheten av befolkningssentre som er egnet for utbygging til avfallsdeponier. Dette gjelder i enda større grad i utlandet, for eksempel i Nederland og USA. Store omkostninger og forurensning er knyttet til transport. Derfor er det viktig at avstandene ikke blir 2 Organisk avfall med unntak av hageavfall.

for store. Men for å unngå sjenanse bør deponiene plasseres i god avstand fra bebyggelse. Topografi (dvs. landskapsform), geologi og hydrologiske for­ hold (f.eks. fare for forurensning av viktige grunnvannsforekomster) er av betydning ved valg av deponiområde. Valg av lokalitet kommer også ofte i konflikt med fritidsinteresser eller natur- og fortidsminnevern. Et deponi bør om mulig plasseres slik at industri eller annen mottaker kan utnytte energien i deponigassen. Forarbeid

Rundt fyllplassen bør det graves dreneringsgrøfter for å unngå at overvann renner inn i fyllingen, se figur 7.5. Eventuelle bekker som renner gjennom området, legges i rør. Bunnen av fyllingen skal være tett. Dersom den ikke består av tett leire, kan vi legge ut et sjikt med grus og arbeide svelleire (bentonitt) inn i det øverste laget. Eller vi kan dekke bunnen med en helsveiset plastmembran (av polyeten (PE) eller polyvi­ nylklorid (PVC)). Over bunndekket blir det lagt drensrør, i et lag av grus, for oppsamling av vann som siger gjennom fyllingen. Ved innkjørselen til anlegget må det være en vekt for registrering av mengde avfall som blir levert.

265

Avfall og avfallsbehandling

(aerob nedbrytning), og det blir dannet karbondioksid og vann. Men etter hvert som oksygenet blir oppbrukt, overtar anaerobe nedbrytningsprosesser som skjer over flere trinn. For å belyse dette vil vi ta for oss ned­ bryting av en sukkerart (fruktose, C6H]2O6). Først skjer det en fermentering eller spalting av molekylet, se trinn 1, og den fortsetter trinnvis som vist i oppset­ tet [3]:

Komprimering av avfall på søppelfyllplass ved hjelp av kompaktor

Drift av avfallsdeponier

Når drenssystemet er tildekket, kan en kjøre inn avfal­ let. Nytt avfall blir spredt utover et begrenset område og komprimert ved gjentatte overkjøringer med en kompaktor (se foto). Dette er en tung maskin med store hjul med knaster på. Komprimeringen av avfal­ let er viktig for å - forlenge fyllplassens levetid - unngå rotter som kan leve og formere seg i hulrom - hindre branner og eksplosjoner. Det blir dannet brennbare gasser (CH4, CO og H2) i fyllingen. Dersom disse samles i hulrom sammen med luft, er det fare for eksplosjoner og forurensende branner som det er vanskelig å slokke (5-15 % metan i luft gir en eksplosiv blanding) - lette transporten. Ved god komprimering kan en kjøre direkte på fyllingen med de tunge søppelbilene - gjøre plassen mer egnet for etterbruk - for eksem­ pel til idrettsformål. God kompaktering fører til at fyllingen synker mindre sammen når avfallet bry­ tes ned

-»2 CO2 + 2 C2H5OH (etanol)

Trinn 1:

C6H12O6

Trinn 2:

2 C2H5OH + 2 H2O

2 CH3COOH (eddiksyre) + 4 H2

Trinn 3a: CO2 + 4H2

-» CH4 (metan) + 2 H2O

Trinn 3b: 2 CH3COOH

-^2CH4+2CQ2_____________

Summert: C6H12Oft

-> 3 CH4 + 3 CO2

Undersøkelser viser at det blir dannet syrer og alkoho­ ler som mellomprodukter ved nedbrytning av avfall, tilsvarende som vist i eksemplet. Mellomproduktene blir omsatt videre og danner et sluttprodukt som i hovedsak består av metan (CH4) og en del karbondi­ oksid (CO2) (typisk 60 % CH4 og 40 % CO2), se figur 7.6. Det blir i tillegg dannet små mengder hydrogen (H2), hydrogensulfid (H2S ) og andre illeluktende gas­ ser. I fyllingen blir altså det organiske avfallet i hovedsak omdannet til gasser, i første rekke metan. Bare en liten del av energien i avfallet blir frigjort ved de ovenstående reaksjonene. Følgelig skjer det ikke noen særlig oppvarming av avfallet (i motsetning til ved aerob kompostering). Dette er en av grunnene til at nedbrytningen går langsomt. Det kan ta flere hundre år før avfallet er fullstendig nedbrutt. Det meste av energien i avfallet finner vi igjen i metan som er blitt dannet i fyllingen.

Aerob Anaerob 100-1

Anaerob

Anaerob

Syregjæring

Metangjæring - ustabil

Metangjæring - stabil

2 md.

2 år

Hver dags oppfylling bør utgjøre en liten celle som dekkes med et lag med sand, jord eller liknende mate­ riale. Dekkmassen minsker spredningen av plast og papir til omgivelsene, og gjør det vanskeligere for fluer, måker, kråker og rotter å komme til. Hva skjer i et avfallsdeponi?

I deponiet skjer det kjemiske reaksjoner, og organisk stoff blir brutt ned ved hjelp av mikroorganismer. Fordi det er luft innimellom avfallet, skjer nedbryt­ ningen til å begynne med under tilgang på oksygen

---------------- >. 2 uker

10 år

Tid

Figur 7.6 Nedbryting av husholdningsavfall i deponi

266 Hva inneholder sigevannet?

I en ny fylling, hvor det er aerobe forhold, dannes organiske syrer (som ikke blir brutt ned ved trinn 3b). Disse syrene og dannet karbondioksid vil blant annet løse ut jern og andre tungmetaller. Regnvann som trekker gjennom fyllingen, vil ta med seg syrer, de løste metallene, næringssalter og smittestoffer. Sige­ vannet fra en ny fylling er sterkt forurenset. I gamle fyllinger, hvor nedbrytningen er anaerob, blir syrene spaltet (trinn 3b), og sigevannet blir nøy­ tralt eller svakt basisk. Og sulfat omdannes til sulfid (S ), som med de fleste metallioner danner tungtløse­ lige forbindelser. Disse forholdene bidrar til at det blir mindre metallioner i sigevannet. Fyllingen inneholder mye jern, som gir Fe++-ioner. De vil ved utløpet, i nærvær av oksygen, bli oksidert til Fe3+ og felles ut som rødbrunt Fe(OH)3 - en lett synlig indikator på sigevann. Vann som trekker gjennom en eldre fylling, vil i noen grad ta med seg mellomprodukter fra ned­ brytningen, og sigevannet kan derfor være betydelig forurenset. Det inneholder organisk stoff og nitrogen som kan føre til eutrofiering i resipienter (s. 229), og en del miljøgifter (inklusive tungmetaller). Sigevannet blir i mange tilfeller renset i egne renseanlegg. Eller det kan bli resirkulert, dvs. samlet opp og dusjet over fyllingen. Et betydelig antall anlegg leverer sigevannet til kommunale renseanlegg. Forurensningen i vannet kan imidlertid føre til uheldig påvirkning av biologiske prosesser i renseanlegget, og øke innholdet av tung­ metaller og organiske miljøgifter i slammet. Mange mindre anlegg lar sigevannet renne urenset ut i vass­ drag og i havet. Det stilles krav om at alle nåværende og framtidige fyllinger skal samle opp sigevann, og vannet skal ana­ lyseres for å bestemme angitte parametere. Vi må i større grad forhindre at tungmetaller og farlige organiske stoffer blir levert til deponier. For å lykkes med dette er det nødvendig med omfattende opplysningskampanjer og gode innleveringsordninger for miljøfarlig spesialavfall. Deponigassen - et problem og en ressurs I fyllingen blir det som nevnt dannet metangass. Det er en sterk drivhusgass (ca. 25 ganger sterkere enn CO2, se figur 3.6). Utslippet tilsvarer mer enn 7 % av klimagassutslippene i Norge (1997). For å redusere drivhuseffekten og destruere de sterkt luktende gas­ sene som dannes, kreves det at alle nye fyllinger som mottar nedbrytbart avfall, skal samle opp og brenne

Miljølære, kapittel 7

biogassen. Det skjer ved å grave brønner og legge rør i fyllingen som gassen suges opp gjennom, se figur 7.5. Det skal utarbeides planer for hvordan gamle fyllplas­ ser skal kunne tilfredsstille kravene om oppsamling av biogass og sigevann. Metangass har stor brenn verdi, og i større deponier må en regne med at det vil være lønnsomt å utnytte varmen fra forbrenningen. Den kan bli nyttet i tørkeprosesser, til oppvarming og/eller til produksjon av elektrisk kraft. Økonomien er imidlertid usikker og avhenger i betydelig grad av størrelsen på fyllplassen og mulighetene for å kunne utnytte varmen, dvs. finne avsetning for varmt vann til en akseptabel pris. Avslutning av fylling. Etterbruk av fyllingsarealer Etter at fyllingen er avsluttet, blir den dekket av humusholdige masser og tilsådd eller beplantet. Dekket bør ikke være for tett, for da kommer det for lite vann ned i fyllingen, og mikroorganismenes nedbrytningsprosesser stopper opp. Den bør heller ikke være for åpen. Da unnslipper for mye metan, oksygen kan bli sugd inn og gi aerobe forhold, eller for mye vann vil trenge inn i fyllingen og løse ut mellompro­ dukter fra nedbrytningen. Det siste fører til mye og forurenset sigevann. En avsluttet fyllplass kan inngå som en del av et friluftsområde. I flate områder, som i Danmark og Sør-Sverige, finnes det eksempler på at avfallsplasser utgjør markerte høydedrag i landskapet. (Danmarks visstnok eneste slalåmbakke er anlagt på et slikt søppelbjerg.) Søppelplassene kan planeres og gi nye jord­ bruksarealer, parkeringsplasser, idrettsbaner m.m. Langsiktige setninger og utvikling av brennbare og eksplosive gasser som kan sive inn i kjellere, gjør en

avsluttet fyllplass mindre egnet som byggegrunn. Dersom en likevel vil bygge, må det tas nødvendige forholdsregler. På en avsluttet fyllplass skal det gjennomføres etterkontroll av utslipp til luft og vann, og av forhol­ dene i resipienten som mottar sigevannet. Kontrollen skal foregå i inntil 30 år.

Avfallsforbrenning I et forbrenningsanlegg kan en utnytte en større andel av energien i avfallet. En tommelfingerregel sier at ett tonn avfall gir en nyttbar energimengde som levert til fjernvarmenettet svarer til ca. ett fat olje (ca. 170-180 kg olje). Alle som brenner avfall, må ha tillatelse av SFT.

267

Avfall og avfallsbehandling

Forbrenning Figur 7.7 viser et snitt gjennom et stort forbrennings­ anlegg. Avfallet blir tømt i en bunker og derfra med en klokran levert ved inntaket til forbrenningskammeret. I større anlegg består ovnsbunnen av bevegelige rister med huller som forbrenningslufta blir ført inn gjennom. Avfallet beveger seg langsomt nedover mot høyre på figuren. Etter å ha passert et område der det blir tørket, når det en sone hvor avfallet bhr spaltet til karbon og gasser - som deretter brenner (ved 950-1000 °C). Tilbake blir det slagg og akse, som i hovedsak består av glass og metalloksider. Slagg og aske blir avkjølt i vann.

førsel av oksygen ved høy temperatur til karbondiok­ sid (CO2). Den støvfylte avgassen passerer videre gjennom et kjeleanlegg der varmen i gassen blir avgitt til vann som varmes opp eller blir til damp. Derved avtar tem­ peraturen i avgassen. Den passerer så et elektrofilter (s. 220) der det meste av støvpartiklene blir fjernet. Etter 1990 er de store forbrenningsanleggene i Norge i tillegg blitt utstyrt med gassvaskere (også kalt skrubbere) for ytterligere røykgassrensing. Slikt renseutstyr blir nå også krevd på mindre anlegg.

Etterforbrenning. Varmeproduksjon, gassrensing For å gi en mer fullstendig forbrenning blir avgassene tilført mer luft i sekundærkammeret. Her skjer det en etterforbrenning der karbonmonoksid (CO) og uforbrente rester (VOC) m.m. reagerer ved ytterligere til­

drive en turbin som via en generator produserer elek­ trisk strøm for salg. Vel en tredel av energien i avgas­ sen kan bli omformet til elektrisk energi. I Norge er det bare ett anlegg (Klemetsrudanlegget) som utnytter energien til produksjon av elektrisk kraft. Varmen i dampen etter turbinene - eller varmt vann direkte fra

AB Avfall 11 t/h

Bunnaske 2.530 kg/h

Hvordan utnytte den produserte varmen? I store anlegg kan dampen som er blitt dannet i kjelen,

C Filterstøv 130kg/h

DE Filterkake 6 kg/h

Avløpsvann 2,6 m3/h

F Røykgass 68.000 Nm3/h

Figur 7.7 Prinsippskisse av et søppelforbrenningsanlegg. I anlegget blir energien i husholdningsavfallet omdannet til varme som kan utnyttes til produksjon av elektrisk kraft og/eller fjernvarme.

268

Miljølære, kapittel 7

Unikt norsk avfallsforbrenningsanlegg som gir god varmegjenvinning og lite forurensning Avfall som ikke kan materialgjenvinnes, men som er brenn­ bart, bør utnyttes for energiproduksjon, og ikke leveres på deponi. Forutsetningen for avfallsforbrenning er at det meste av energien blir tatt vare på, og at det dannes lite forurensning. Etter mange års forskning ved SINTEF i Trondheim er det utviklet et forbrenningsanlegg som oppfyller disse kra­ vene og som nå er patentert. Anleggene kan bygges som små enheter (6-12 MW) og følgelig plasseres der hvor det er behov for energi (f.eks. ved et industriforetak) og nær avfallsleverandør (f.eks. et renovasjonsselskap). Energi­ utnyttelsen blir i så fall svært høy (75-90 %). Anleggene kan utnytte alle typer avfall som er brennbare. Forbren-

kjelen - kan leveres til et fjernvarmenett (s. 307) og bli nyttet til oppvarming. Inntektene av energisalget dekker bare en del av driftsutgiftene. De store kapitalkostnadene må dekkes inn på andre måter, i hovedsak gjennom renovasjons­ avgiften. Totalt sett er forbrenning en kostbar måte å redusere søppelvolumet på. Som et eksempel kan nevnes avfallsforbrenningsanlegget på Heimdal i Trondheim. Det dannes store energimengder (ca. 160 GWh per år), som sammen med spillvarme fra Lilleby Smelteverk (ca. 80 GWh) blir levert som varmtvann til et fjernvarmenett. Denne energien dekker 15 % av Trondheims energiforbruk. For å dekke forbruket når behovet er størst, blir det på anlegget plusset på med tilfeldig elektrisk kraft, olje eller gass for oppvarming av vannet. Fjernvarmen erstatter brenning av olje i mange husstander og fører derved til reduserte utslipp av partikler, SO2, NOX og CO2 i byen. Vi brenner nå totalt ca. 500 000 tonn avfall per år, det meste av dette i seks mellomstore/store anlegg i Oslo (Klemetsrud- og Brobekkanlegget). i Fredrikstad. Trondheim, Ålesund og Ål. Alle anleggene utnytter en del av den produserte varmen. Det største anlegget produserer nok energi til å dekke oppvarmingsbehovet i mer enn 10 000 eneboliger. I tillegg har vi en del små anlegg for brenning av sykehusavfall.

Forurensning Slagg og aske utgjør 3-7 % av volumet til det opprin­ nelig avfallet3. Fordi det inneholder giftige metaller, som visstnok er relativt godt bundet som oksider, og små mengder dioksiner, må det deponeres på en for­ svarlig måte. Av slagget er det mulig å ta ut anvende­ lige komponenter som stål, stein og glassgrus. Hen­ sikten er i første rekke å redusere mengden av avfall som skal deponeres. Støvet fra gassrenseanlegget inneholder farlige tungmetaller, i en mer lettløselig form, og organiske

ningsprosessen blir regulert av en avansert styringsenhet, noe som gjør at utslippene til luft blir svært lave. De er redu­ sert med 50-90 % i forhold til kravene EU innfører fra år 2000 (og som SFT allerede stiller). Anleggene medfører ikke ubehagelig støy eller lukt og de produserer energi til konkurransedyktig pris. Flere anlegg er bygd eller er under bygging i Norge, og det er inngått avtaler om levering av 7 energigjenvinningsanlegg til Tyskland (til 750 millioner kroner) - det landet som kanskje har det mest miljøbevisste og krevende mar­ kedet i dag.

Kilde: Aitos as som er et datterselskap av Energos Anlegg as.

miljøgifter. Det må behandles som uorganisk spesial­ avfall. Avgassen som slippes ut gjennom skorsteinen, inneholder partikler, karbonmonoksid, nitrogen- og svoveloksider og små mengder furaner (som antas å kunne gi kreft og genetiske skader). Den inneholder også saltsyre, HCI. Syra blir dannet av klorforbindel­ ser i avfallet, hovedsakelig fra koksalt og polyvinyl­ klorid. De klorholdige komponentene i avfallet gir i tillegg klorerte organiske forbindelser i avgassene. Mest oppmerksomhet har vært rettet mot tungmetaller og de organiske mikroforurensningene PCB og diok­ siner. Vi kan heller ikke se bort fra at det dannes stof­ fer som vi ikke kjenner til, eller som kan ha ukjente helse- og miljøvirkninger. Utslippene til luft kan reduseres ved å sørge for effektiv innsamling av batterier og annet spesialavfall, slik at dette ikke havner i forbrenningsanlegget, og ved å anvende mer effektiv gassrensing. Strengere krav til gassrensing

Som nevnt ble det (omkring 1990) installert gassvaskeanlegg i tillegg til elektrofiltre i de store norske anleggene. Spesielt ønsket man å redusere utslippene av saltsyre. Samtidig minket utslippene av støv - som inneholder bly, kadmium og kvikksølv - og av klo­ rerte miljøgifter som dioksiner og PCB. Vaskevannet som blir benyttet i anleggene, må renses i et tilhørende renseanlegg. Under normal drift er utslippene nå bety­ delig lavere enn de fastsatte kravene. I EU blir det arbeidet med et nytt direktiv for avfallsforbrenning. Forventede rensekrav framgår av figur 7.8. 3 10-25 vektprosent.

269

Avfall og avfallsbehandling

Utslippsparameter

SFT-krav EU-krav 1995 2000

Partikler (støv) 30 Organiske komponenter (TOC) 20 CO (timemiddel) 100

10 10 50

HCI

50

10

SOX som SO2

300

50

Hg

0,05

0,05

Cd Dioksiner (ng/m3)

0,05

0,05

5

0,1

Figur 7.8 Rensekrav til store forbrenningsanlegg i Norge i 1995 og forventede EU-krav i år 2000 (i mg/Nm3). EUs direktiv forventes å bli gjort gjeldende hos oss, og innebærer en ytterligere skjerping av ren­ sekravene. [2a].

Nye teknikker

Flere nye og lovende prosesser er blitt utprøvd for destruksjon og gjenvinning av energi fra avfall - for eksempel pyrolyse og pyroarcprosessen. Pyrolyse (varmespalting) innebærer at avfallet blir oppvarmet til relativt høy temperatur. Det fører til at molekylene i de organiske stoffene blir brutt ned til enklere forbin­ delser, som omtalt under avfallsforbrenning. Men der­ som det ikke er oksygen til stede, vil stoffene som oppstår, ikke brenne, men kunne tas ut som gass, olje, tjære og karbon. Dette er verdifulle stoffer med høy brennverdi, som kan bli benyttet til forskjellige for­ mål. I pyroarcprosessen blir det benyttet plasmateknologi, dvs. en lysbue som gir svært høy temperatur (over 20 000 °C). Anlegget gir høy energiutnyttelse, metallene skilles ut og kan gjenvinnes, og ikke-brennbare komponenter blir til et glassaktig materiale som kan brukes som konstruksjons- eller fyllmasse. Prosessen gir svært liten forurensning. Forbrenning - et hinder for resirkulering?

Dersom vi fjerner brennbare komponenter som papir fra avfallsstrømmen, er det mulig at forbrenningsan­ leggets kapasitet ikke blir fullt utnyttet. Fra en økono­ misk synsvinkel er dette ikke ønskelig, fordi inntek­ tene reduseres. Forbrenningsanlegg kan bli et hinder for en god resirkulering. Det foreligger imidlertid muligheter for at eksisterende forbrenningsanlegg kan fylle opp frigjort kapasitet med restavfall (etter gjen­ vinning) fra andre kommuner, flis som er produsert fra brukt trevirke, osv. Et stort forbrenningsanlegg er under bygging i

Bergen, og kanskje blir det en utvidelse ved et av anleggene i Oslo. Hvorvidt det vil bli bygd flere store anlegg i tiden som kommer, er usikkert, fordi det vanligvis bare gis tillatelse til å brenne restavfall, dvs. avfall som det ikke finnes etablerte gjenvinnings­ systemer for. I Sentral-Europa er det imidlertid planer om bygging av et stort antall forbrenningsanlegg.

Kompostering Matavfall er en utrivelig komponent som skaper store problemer, særlig ved deponering. Det gir opphav til lukt og forurenset sigevann, og trekker til seg fluer, fugler og rotter som sprer smitte. Derfor blir det nå innført forbud mot deponering av våtorganisk avfall på fyllplasser. Ideelt sett burde dette avfallet vært nyttet til for. Men i mange kommuner har de valgt å satse på det nest beste alternativet: å omdanne matavfallet, sam­ men med hageavfall, til kompost. Det blir da dannet et jordliknende produkt som inneholder næringssalter og humusstoffer, som blir tilbakeført til jorda. Matav­ fallet inngår på denne måten i et økologisk kretsløp det stammer fra det jorda produserer, og blir ført til­ bake til jordsmonnet. I dag blir mye jord drastisk for­ ringet på grunn av humustap. Dette kan vi bøte på ved å tilføre jorda kompost som er rik på humus. Derved opprettholdes fruktbarheten, og samtidig reduseres bondens utgifter til innkjøp av næringsstoffer (i form av kunstgjødsel). På 1990-tallet har det vært en sterkt økende interesse for kompostering. Den kan utføres i den enkelte husstand eller ved at flere familier, for eksem­ pel i et borettslag, slår seg sammen og komposterer avfallet i spesialkonstruerte beholdere. Vanligvis blir avfallet samlet inn i spesielle søppeldunker og kompostert i større kommunale eller interkommunale anlegg. Vanlig kompostering innebærer å utnytte naturlige prosesser, dvs. å bryte ned lett nedbrytbart organisk materiale ved hjelp av bakterier, sopp m.m. under til­ gang på oksygen (aerob nedbrytning). Det meste av karbonet i det organiske stoffet (50-60 %) blir da for­ brukt ved mikroorganismenes energiproduksjon, for å opprettholde deres livsprosesser og for å skaffe energi til oppbygging av nye mikroorganismer (ny bio­ masse). Det resterende karbonet inngår i ny biomasse. I store komposteringsanlegg blir mat- og hageavfallet blandet og vanligvis lagt i store, avlange hauger (ran­ ker), i mange tilfeller etter innblanding av kloakkslam.

270 Behandlingen består i å gi de nedbrytende organis­ mene optimale betingelser, det vil si:

- rikelig tilgang på oksygen. I praksis blir luft tilført til rankene via et rørsystem i grunnen eller ved å vende avfallet med jevne mellomrom ved hjelp av truck eller spasialmaskiner - riktig fuktighet (rundt 50 %). Mikroorganismene lever i vannfasen. Ved for lavt vanninnhold blir livsbetingelsene dårligere, ved for høyt vanninn­ hold er det vanskeligere for luft å trenge inn i kom­ posten - et rimelig forhold mellom karbon, nitrogen og fos­ for. Disse grunnstoffene inngår i ny biomasse i et bestemt forhold Komposteringen kan ta flere måneder, pluss ytterli­ gere noen måneder til ettermodning. Ved nedbryt­ ningen finner eksoterme reaksjoner sted, og tempera­ turen stiger kraftig (til ca. 70 °C). Dette sammen med at det i modningsfasen kan bli utviklet antibiotika, fører til at skadelige mikroorganismer blir drept. Komposten blir hygienisert. Ved prosessen blir det dannet ubehagelige luktstof­ fer, og komposteringsanlegg bør derfor ikke plasseres nær bebyggelse. Avløpsvannet bør samles opp og ren­ ses (f.eks. i kommunalt renseanlegg). Avfallet kan også komposteres i en reaktor som er utformet som en stor skråstilt, roterende trommel. Disse anleggene er dyre og er derfor ikke så vanlige. Kompost som selges i Norge, skal være godkjent av landbrukstilsynet og skal varedeklareres. Denne komposten har ifølge målinger et betryggende lavt innhold av tungmetaller og organiske miljøgifter og bør trygt kunne brukes i landbruket og av hageeiere. Avfall kan også bli nedbrutt anaerobt, dvs. uten tilgang på oksygen. Denne nedbrytningen kan foregå i store tanker, hvor det dannes metan (CH4) som kan utnyttes for energiproduksjon. Anaerob ned­ brytning gir bedre utnytting av energiinnholdet i avfallet og sikrere sterilisering av komposten.

I Lillehammer planlegges et anlegg for anaerob ned­ brytning, hvor avfallet først steriliseres ved koking.

7.4 Materialgjenvinning og ombruk Hovedstrategien på avfallsområdet er i prioritert rek­ kefølge: 1) å redusere avfallsmengden, 2) å fremme

Miljølære, kapittel 7

ombruk og materialgjenvinning og 3) å gi restavfallet en miljøriktig avfallsbehandling. Det siste punktet er omtalt. I det følgende vil vi ta for oss punkt 2, og i et senere avsnitt punkt 1. Kompostering er en form for materialgjenvinning, idet vi tar vare på deler av det organiske stoffet og næringssaltene. Alle kommuner er blitt pålagt å utarbeide og vedta en avfallsplan. Den skal gi en oversikt over alle typer og mengder avfall som oppstår i kommunen, og bidra til å redusere avfallsmengdene, fremme kildesortering og øke ombruk og gjenvinning. Planene skal revideres i hver valgperiode. Myndighetene har dessuten fått hjemmel til å kunne påby kildesortering og gjenvin­ ning av avfall både fra næringsliv og husholdninger [2b|. Økonomiske virkemidler, som panteordninger og miljøavgifter, blir tatt i bruk for å oppnå økt ombruk og gjenvinning. Grader av gjenvinning

Avfallsgjenvinning kan foretas på følgende nivåer etter økende grad av gjenvinning: - Energigjenvinning, dvs. å utnytte energien i avfal­ let. For avfall som legges i deponi, kan det, som vi har sett, skje ved å samle opp og brenne metangas­ sen som dannes. Den inneholder det meste av ener­ gien i avfallet (s. 265). A brenne avfallet i en for­ brenningsovn gir muligheter for å utnytte en større del av energien. I begge tilfeller blir det dannet varme som kan bli nyttet til produksjon av elektri­ sitet, og/eller varmt vann som kan sendes ut på et fjemvarmenett. - Materialgjenvinning vil si å gjenvinne råstoffer slik at de kan inngå i ny produksjon. Dette er gjen­ vinning på et høyere nivå; vi tar vare på både materialverdien og deler av energiinnholdet. For eksem­ pel kan aluminiumsskrap bli smeltet ned og gi nytt aluminiumsråstoff. Til nedsmeltningen går det bare med 5 % så mye energi som ved framstilling av nytt aluminium - og forurensningen blir langt min­ dre. - Ombruk vil si å bruke gjenstanden om igjen til sitt opprinnelige formål - etter vask, oppussing eller enkel reparasjon. Dette er den høyeste graden av gjenvinning. Det innebærer at vi tar vare på pro­ duktenes bearbeidingsverdi i tillegg til material- og energiinnholdet. For eksempel blir vin-, øl- og mineralvannsflasker brukt om igjen. Gode brukte møbler kan bli reparert og pusset opp.

271

Avfall og avfallsbehandling

Material gjenvinning starter med sortering av avfall Før gjenvinning må avfallet sorteres. Store maskinelle anlegg er blitt bygd for å sortere det blandede kom­ munale avfallet i fraksjoner. Slike anlegg er ikke blitt noen suksess verken teknisk eller økonomisk. Det skyldes i stor grad at avfallets innhold av matrester gjennom innsamling og flere behandlingsledd ble rotet sammen med annet avfall og griset til dette. Deretter er det svært komplisert å rengjøre avfallskomponentene til tilfredsstillende kvalitet. Anleggene var dessuten kostbare og energiforbrukende. Kildesortering Sunt vett tilsier at opplegg for resirkulering og gjen­ vinning må baseres på kildesortering, dvs. at avfallet blir sortert der det oppstår: i fabrikken, i butikken eller i husholdningen. Kildesortering innebærer at avfall som skal gjenvinnes, blir skilt fra annet avfall og sam­ let i spesielle beholdere. Trestrenget system Et system som er vel utprøvd i Danmark, er det såkalte trestrengede systemet. Avfallet ble sortert

som:

- mat- og hageavfall. Denne fraksjonen blir kompos­ tert - tørr fraksjon som går til gjenvinning. Denne frak­ sjonen kan for eksempel inneholde: papir, glass, metaller, tekstil og plast. - restfraksjon som blir kjørt til deponi eller forbren­ ning Den tørre fraksjonen blir dels sortert mekanisk, dels manuelt i et sorteringsanlegg. Komponentene i det tørre avfallet er ikke innsmurt med fett, fukt og støv. Følgelig er det mulig å oppnå returråstoffer av høy kvalitet, og arbeidsmiljøet kan bli tilfredsstillende. Spesialavfall samles opp for seg. Kildesortering i Kristiansand Som et eksempel kan nevnes Kristiansandsregionen, hvor husholdningsavfallet blir sortert i tre avfallsbeholdere:

- en for mat- og hageavfall som blir kompostert (brun beholder) - en for papir som går til gjenvinning (grønn behol­ der)

- en for avfall som blir kjørt til deponi (grå beholder)

Beholderne for mat- og hageavfall er konstruert slik at det blir god luftgjennomstrømning for å unngå anae­ rob nedbrytning. Dermed unngår en så godt som alle luktproblemer. Mat- og hageavfallet blir kompostert i et sentralt anlegg. Det skjer i innendørs kamre hvor luft blir rørt inn i avfallet. Med utgangspunkt i slam blir det produsert en annen type kompost som er mer næringsrik. Den blir brukt på grøntarealer, langs veier og i kornproduksjonen. De som har anledning til det, blir oppfordret til å nytte privat komposteringsutstyr. 1 dag gjenvinnes rundt 60 % av husholdningsavfal­ let i Kristiansand. Gjenvinningsgraden for produksjonsavfall (inkl, bygge- og anleggsavfall) er lavere, men målsettingen er å øke gjenvinningsgraden for dette avfallet til 60 % innen år 2000. Sentrale oppsamlingskonteinere. Miljøstasjoner I de fleste byer og tettsteder er det på sentrale steder blitt utplassert konteinere eller beholdere for innsam­ ling av klart og farget glass, metall, plast, brukt tøy m.m. Eller man kan levere sortert avfall på betjente miljøstasjoner, som ofte er plassert på avfallsdeponier, se figur 7.9. Dette gir en rimeligere innsamling enn

hentesystemet (s. 263), men gjenvinningsprosenten er lavere.

Materi al gj en vinning Resirkuleringen har virkelig skutt fart, og mange materialer blir i dag gjenvunnet, se figur 7.10 og 7.11. For å gi en forestilling om utviklingen på dette spen­ nende området vil vi begrense oss til en omtale av hva som skjer med resirkulering av

- papir - elektrisk- og elektronisk avfall - rivningsavfall. Vektbasert retursystem

For å stimulere til gjenvinning bør avfallsfraksjonene veies, og avgift ved levering av usortert avfall være høyere enn for sorterte avfallsfraksjoner (f.eks. for papir, organisk avfall og restavfall henholdsvis 20, 40 og 100 øre/kg). Den som har mye avfall og er dår­ lig til å sortere, bør betale mer. i overensstemmelse med prinsippet «forurenseren bør betale» (s. 198). Det er mulig å feste brikker til avfallsdunkene, slik at vekt og avfallseier blir automatisk registrert ved tømming.

272

Miljølære, kapittel 7

INN

Figur 7.9 Betjent miljøstasjon. Her kan husholdninger og småvirksomheter levere spesielle typer avfall gratis eller til sterkt redusert avfallsavgift. Forutsetningen er at avfallet blir sortert og plassert i de riktige konteinerne. Det blir både tatt imot avfall til ombruk og materialgjenvinning.

År

Materiale/produkt

Innsamlet tonn 240 000

Innsamlet prosent ca. 70

1997

Emballasje i alt

1997

Glass

44 500

1997

Papir

432 000

57

1997

Papp (transportemballasje)

135 000

70

1997

Plast

1997

Bildekk

ca. 40 000

85

ca. 40

1 800 000 stk.

346 000

1996

Skrapjern

1996 1997

Aluminiumskrap

67 000

Bilvrak

45 082 stk.

100

1997

Blybatterier

12 350

113

1996

Spillolje

41 000

47

Figur 7.10 Innsamlede avfallsmengder i spesielle returordninger.[4]

Papir Det har i lengre tid vært interesse for å samle inn brukt papir, og resirkulert mengde har stadig økt. Papir utgjør den største komponenten i husholdningsavfal­ let, og dette papiret tilsvarer i løpet av ett år en papirmengde som det vil gå med flere millioner trær å pro­ dusere (2,4 millioner ifølge en beregning). Prisen for returpapir avhenger av kvalitet og etter­ spørsel. Datapapir, trykkeriavfall og bølgepapp blir

best betalt. Trykkeriavfall og bølgepapp blir resirku­ lert i Norge. Produksjon av papir fra papiravfall gir mindre forurensning og lavere energiforbruk enn pro­ duksjon fra jomfruelige råstoffer (vanligvis fra trær). Men resirkulering fører til at fibrer blir skadd. Det er derfor begrenset hvor mange ganger papiret kan brukes om igjen, eller hvor stor andel som kan inngå. Det er imidlertid mulig å fjerne nedbrutte fibrer auto­ matisk i rensetrinnet for returpapirmassen. Det inngår

273

Avfall og avfallsbehandling

50 MILLIARDER FOR Å FJERNE GAMLE PLATTFORMER Hva skal vi gjøre med de gamle plattformene etter hvert som oljebrønnene stenges i Nordsjøen? Skal vi la dem bli stående der, skal de veltes eller senkes på dypere vann? En slik framgangsmåte kan bety brudd på internasjonale konvensjoner og bli til ulempe for fiskeri- og skipsfartsnæringen. Kan installasjonene bli brukt på nytt, eller kan de bli tatt på land og materialene resirkulert? Problemet er at kostnadene til fjerning av anleg­ gene ikke er blitt innkalkulert i utbyggingsprosjek­ tene. Oljeselskapene har heller ikke fått adgang til gjennom skattesystemet å bygge opp fond som kan brukes til å fjerne installasjonene. Som så ofte før er det blitt tenkt kortsiktig. Nå må staten bære en stor del av kostnadene.

i slam som blir dannet. Slammet blir avvannet og brent. I tillegg til å gi nytt papir, kan papiravfall brukes til mange formål. En mulighet er å rive opp avispapir og bruke det som isolasjonsmateriale i bygninger. For å gjøre materialet motstandsdyktig mot brann, sopp og råte blir det tilsatt kjemikalier. Materialet er godkjent av Norges astma- og allergiforbund. Returpapir kan også brukes i veiasfalt, for oppsamling av olje (i olje­ lenser), i polstrede konvolutter m.m. Til tider har det vært vanskelig å finne avsetnings­ forhold for returpapir. Store mengder er blitt ekspor­ tert, i første rekke til Sverige, men også noe helt til Asia (hvor det forhåpentligvis har spart deler av regn­ skogen). Eksporten skyldes at vi ikke har maktet å bygge opp tilstrekkelig behandlingskapasitet i Norge. Avtaler som nå er inngått mellom Miljøverndeparte­ mentet og Norske Skog, skal imidlertid sikre at et anlegg står ferdig innen år 2000, som kan gjenvinne så godt som alt papiravfall som blir samlet inn hos oss. Elektrisk og elektronisk avfall (EE-avfall)

Trollplattformen. Bilde: Norwegian Contractors

Miljøverndepartementet har bestemt at alle landets kommuner (fra 1. juli 1997) skal ha tilstrekkelig mot­ takskapasitet for kasserte KFK-hoIdige kjøleskap og frysere (til sammen ca. 150 000 stk. per år). I et anlegg på Klemetsrud utenfor Oslo tar de imot dette avfallet. KFK blir tatt ut fra isolasjonsmaterialet og kjølekretsen og destruert på en forsvarlig måte. Andre miljøskadelige stoffer blir også tatt hånd om. Metaller, glass og plast blir resirkulert. En avtale er inngått mellom Miljøverndeparte­ mentet og elektro- og elektronikkbransjen om innsam­ ling, gjenvinning og sluttbehandling av elektriske og elektroniske produkter som er blitt avfall (EE-avfall). Datautstyr i norske bedrifter blir for eksempel skiftet ut etter tre år. Det fører til at flere hundre tusen data­ maskiner blir pensjonert hvert år, og antallet er sterkt økende (totalt dreier det seg om 145 000 tonn EEavfall per år). Dette avfallet danner basis for PC-verksteder som bygger opp gjenbruksmaskiner (7-8 nye maskiner av ti kasserte). Maskinene blir levert med garanti. En annen mulighet er å utnytte deler som inngår i maski­ nene. Motorer, vifter og høyttalere finner anvendelse i Øst-Europa. I Kina, Hongkong og USA blir spesielle programmerbare kretskort omprogrammert og brukt i leker og spillautomater. Anlegget på Klemetsrud tar også imot kasserte PCer og TV-apparater. EE-avfallet inneholder et meget

274 stort antall miljøskadelige stoffer (blant annet PCB, Pb, Cd og Hg). For flere av stoffene er kunnskapene om helse- og miljøkonsekvensene mangelfulle. Tid­ ligere havnet disse miljøgiftene på fylling eller i for­ brenningsovner. Nå blir delene plukket fra hverandre og avfallet sortert. Tre og plast brennes for energigjenvinning. Jern og aluminium i kassen og kobber i kabler kan smeltes om. Fra kretskortene kan det bli gjenvunnet edelmetaller (Au, Ag og Pt). Batterier som inneholder kvikksølv og kadmium, kondensatorer som inneholder PCB-olje, og kvikksølvlikerettere, blir tatt ut og sluttbehandlet. Produsenter og importører er ansvarlige for mot­ tak, innsamling, gjenvinning og sluttbehandling. Målet er å gjenvinne 80 % av avfallet innen år 2000. Innsamlingen finansieres med avgifter på produktene. Ombruk og resirkulering av EE-produkter krever kunn­ skap hos dem som skal utføre arbeidet. Svenskene var blant de første som startet gjenvinning av dette avfal­ let og utviklet kompetanse på området. Da arbeidet startet opp i Norge, fikk de et utvidet marked for kunnskaper, utstyr og kompetanse. Rivingsavfall Det oppstår mye avfall i forbindelse med bygging og riving av hus. Det meste av dette avfallet kan bli gjen­ vunnet. Forsøk i Norge har vist at ved riving av trehus kan man ved sortering og resirkulering redusere avfallsmengden til fyllplass med 80-95 %. Ved riving

Kvern for oppmaling av treavfall til brenselflis

Miljølære, kapittel 7

av teglsteinshus kan reduksjonen bli enda større. Miljøvennlig riving krever systematisk planlegging, men kan være et økonomisk gunstig alternativ. I Oslo blir det nå krevd godkjente avfallsplaner før et rivingsarbeid kan påbegynnes. All rivingsmasse skal sorteres, gjenbrukes eller leveres til godkjent mottak. Det finnes for eksempel store maskiner som knuser betong. Armeringen kan tas ut og smeltes om til spi­ ker. Knust betong kan bli brukt i ny betong, i asfalt eller som fyllmasse, og asfalt kan brukes om igjen. Trevirke kan bli hogd til flis i store mobile hammerkvemer, se foto. Flis har verdi som brennstoff. Det kan bli automatisk matet inn i store flisfyringsanlegg som gir varmt vann for oppvarming av større bygg, boliger eller drivhus. I Sverige har selskapet «Bygg Igjen» en egen internettadresse. Dette er en databasert markedsplass for brukte byggmaterialer. Her blir det annonsert bruktvarer som selges, og du kan etterspørre det du trenger. Du kan få kjøpt gamle takstein, murstein eller dører fra en bestemt tidsepoke. Mange etterspør gammel murstein. Disse steinene er håndarbeidet. De gir en fasade som er mer variert og med en egen patina og liv. Bransjeorganisert retursystem En viktig målsetting for myndighetene i de siste årene har vært å få i stand frivillige avtaler med forskjellige bransjer - for å få dem til å ta ansvar for avfall som

275

Avfall og avfallsbehandling

Avfallstype

Materialselskap

Gjenvinningsmål

Eksempler

Emballasjeglass

Norsk Glassgjenvinning A/S

Ingen målsetting Dagens returandel via glassigloene er 75 %

Klart og farget emballasjeglass Noe planglass

Drikkevarekartong

Norsk Returkartong AS

60 % m.gjenvinning

Melke- og juicekartonger, som kan være belagt med et tynt lag av polyeten eller aluminium

Kartong

Kartonggjenvinning AS

50 % m.gjenvinning 10 % e.gjenvinning

Esker til f.eks. cornflakes, lyspærer, kremer, etc.

Brunt papir

Norsk Resy AS

65 % m.gjenvinning 15 % e.gjenvinning

Bølgepapp, sekker, poser, omslagspapir, massiv papp til emballering

Metall

Norsk Metallgjenvinning AS

60 % m.gjenvinning

Aluminium, stål og blikk som emballasje til f.eks. leverpostei og fiskeboller

Plast

Plastretur AS

30 50 30 50

Dekk

Norsk Dekkretur AS

100 % gjenvinning

Dekk til personbiler, varebiler, lastebiler og busser

Blybatterier

AS Batteriretur

95 % gjenvinning

Bil- og fritidsbatterier, motorsykkelbatterier, industribatterier

% % % %

m.gjenvinning e.gjenvinning m.gjenvinning (EPS) e.gjenvinning (EPS)

Plasttypene PE, PP, PS, EPS, PVC, PET, f.eks. folie (landbruksfolie og byggfolie), flasker, kanner, kasser, avfallssekker og poser.

m.gjenvinning = materialgjenvinning, e.gjenvinning = energigjenvinning, EPS = ekspandert polystyren (isopor)

Figur 7.11 Oversikt over etablerte materialselskaper, hvilke avfallstyper de står ansvarlige for å administrere, og deres målsettinger [2b]

stammer fra deres egen produksjon og deres egne produkter. Det har ført til avtaler om bygging av anlegg for avsverting av returpapir (s. 273) og rensing av glass før omsmelting. Miljøverndepartementet har dessuten blant annet inngått bransjeavtaler når det gjelder innsamling og gjenvinning av blybatterier, drikkekartonger, brunt papir, plast og bildekk, se figur 7.11. I bransjeavtalene er det satt mål for hvor stor prosent av avfallet som skal gjenvinnes innen be­ stemte tidsfrister.

Ombruk Med ombruk mener vi å bruke avfall, vanligvis gjen­ stander, om igjen. Dette er den høyeste formen for gjenvinning. Det best kjente eksemplet på ombruk er

gjenbruk av vin-, øl- og mineralvannsflasker. Etter bruk blir flaskene som er belagt med pant, samlet inn, vasket, sterilisert og fylt på nytt. Returprosenten er høy (ca. 98 % for øl- og mineralvannsflasker). Brukte hvitevarer og møbler blir i noen grad tatt vare på, om nødvendig reparert, og solgt rimelig. En forretning (i Sandnes) samler inn og selger brukte byggvarer, som vinduer, dører, takpanner osv. (Se også under rivingsavfall.) Flere frivillige organisasjo­ ner tar imot brukte klær, sko, møbler og annet husgeråd og selger det i egne butikker (Fretex/Elevator), eller det blir solgt på loppemarkeder. Større avfalls­ plasser forsøker å fungere som gjenbruksstasjoner. For å oppnå økt ombruk av gjenstander bør de lages slik at de lettere kan repareres, og det bør bli enkelt å skaffe reservedeler. For eksempel er det

276 ønskelig at utstyr bygges opp av moduler. Moduler eller deler som erfaringsmessig kan gå i stykker, bør lett kunne skiftes ut, og reservemodul eller del bør foreligger på lager hos distributøren. Modulen kan eventuelt tas i retur og sendes tilbake til fabrikken for reparasjon for deretter å brukes om igjen. Resirkulering gir arbeidsplasser lokalt Det blir hevdet at avfallsminimering og gjenvinning vil forsterke problemene i næringslivet og øke arbeidsledigheten. Men er det slik? For eksempel vil et påbud om 80 % returfibrer i avispapir i Tyskland kunne medføre alvorlige konsekvenser for norsk tre­ foredlingsindustri og sysselsetting. Nye anlegg for produksjon av avispapir vil i så fall ventelig bli bygd i Sentral-Europa. Der er det stor tilgang på det viktigste råstoffet, som ikke lenger er tremateriale, men retur­ papir. Eksemplet kaster lys over et par viktige forhold. I de områdene der man får gjennomført resirkulering, blir det skapt arbeidsplasser lokalt - mens man risike­ rer å miste arbeidsplasser i den tradisjonelle indust­ rien. En regner med at det blir skapt flere arbeidsplas­ ser enn det forsvinner. Avfallet må betraktes som en ressurs. I årene som kommer, vil vi finne stadig nye måter å anvende denne ressursen på. Området inviterer til kreativitet. Vi har for eksempel omtalt hvordan brukt avispapir kan bli omdannet til isolasjonsmateriale. Ved resirkulering inngår mye enkelt arbeid, som kan resultere i arbeidsplasser for yrkesvalghemmende, det vil si mennesker som på grunn av handi­ kap ikke får vanlig arbeid. I resirkuleringsanleggene til Fretex i Rogaland er ca. 200 yrkesvalghemmede i arbeid. I EU-området er avfallshåndtering nå en av de stør­ ste vekstnæringene. Vi får håpe at også vi i Norge vet å utnytte disse mulighetene.

Hva skal til for å lykkes med resirkulering? Kommunene er blitt pålagt å fastsette et avfallsgebyr som fullt ut dekker kommunens utgifter til avfallsbe­ handling. Det er ikke lenger lov til å subsidiere denne tjenesten. De stadig strengere kravene til deponering og forbrenning fører til økte avfallsgebyrer. Det blir altså mer lønnsomt å resirkulere. Men hvorvidt vi skal foreta gjenvinning, bør ikke

Miljølære, kapittel 7

bare avhenge av de direkte kostnadene. Vi må også ta hensyn til de samfunnsøkonomiske kostnadene. Det vil i dette tilfellet si kostnader som avfallsbehand­ lingen påfører samfunnet i form av utgifter til helseve­ sen, reduserte avlinger, skade på materialer m.m. på grunn av luft- og vannforurensning, smittespredning osv. som virksomheten medfører Disse kostnadene bør også forurenseren betale. Det fører til økte avfalls­ gebyrer eller avgifter. (En nylig innført statlig avgift på kr 300 per tonn avfall levert til deponi er et forsøk på å inkludere miljøkostnadene.) En framtidig økning i energiprisen (dels på grunn av miljøavgifter) vil også føre til økt økonomisk gevinst ved resirkulering. For å lykkes med resirkulering på landsbasis må vi ha: - et effektivt system for innsamling av returmaterialer - en brukbar kvalitet og pris på returråstoffene - et sikkert marked for returråstoffer - et etablert og sikkert marked for produkter basert på returråstoffer Innsamling av returmaterialer Kommunene skal som nevnt utarbeide avfallsplaner, og de kan bli pålagt å kildesortere avfallet. Kildesor­ tering er en forutsetning for en effektiv resirkulering. Undersøkelser tyder på at de aller fleste stiller seg positive til kildesortering og resirkulering, resirkuleringstanken synes å ha stor støtte i folket. Planene for resirkulering må tilpasses de lokale forholdene og mulighetene for avsetning av produktene. Brukbar kvalitet og pris på returråstoffene

For at returråstoffer skal få økt interesse, må indus­ trien være sikret - levering av tilstrekkelige mengder råstoff av aksep­ tabel kvalitet. Problemet kan bli løst ved at miljø­ vernmyndighetene stiller krav til kommunene og bedrifter om å sortere og levere avfallskomponenter - returråstoffer til konkurransedyktig pris. Industrien er vant til å utnytte jomfruelige råstoffer. I mange land er produksjonen av disse råstoffene mer eller mindre subsidiert. Støttetiltak i forbindelse med slik produksjon må avvikles, eller det må gis tilsva­ rende støtte til returråstoffer.

277

Avfall og avfallsbehandling

Et sikkert marked for returråstoffene

For å øke avsetningen av returråstoffer må en del pro­ sesser i industrien endres og nye prosesser skapes. Staten gir støtte til slike tiltak. Et virkemiddel for å få fart på resirkuleringen av avfall er å opprette et nasjonalt gjenvinningsfond som kan bidra til å finansiere oppstart av nye gjenvinningsbedrifter. Fondets midler kan for eksempel komme fra en avgift på søppel som leveres til deponi eller for­ brenning. Det har vært reist forslag om at det ved tildeling av konsesjon til nye produksjonsbedrifter bør kreves økt bruk av returråstoffer. For eksempel har det vært aktu­ elt å stille «krav til norske aviser om innhold av returfiber i avispapir». Et sikkert marked for de nye produktene De nye produktene basert på returråstoffer må holde en tilfredsstillende kvalitet, det vil si at de må tilfreds­ stille de kravene det er naturlig å stille ut fra produkte­

nes bruksområde. Og det må etableres et marked for produktene. Myndigheter sentralt og lokalt gjør inn­ kjøp som beløper seg til titalls milliarder kroner per år. Når de forplikter seg til å kjøpe slike varer - papir med en stor andel returfibrer, regenerert smøreolje, regummierte dekk osv. - får det stor effekt. I tillegg må de av oss som ser betydningen av at resirkulerte varer har et stabilt marked, selv etter­ spørre og kjøpe slike varer.

alt det papir de kommer over. Mye tyder på at vi er inne i en gjenbruksrevolusjon!

7.5 Spesialavfall Spesialavfall (se definisjon s. 263) inneholder miljø­ gifter eller andre helse- og miljøfarlige stoffer - for eksempel spillolje, løsemidler, rester av maling og lakk, pesticider, giftige metaller, se figur 7.12. Spill­ olje, annet oljeavfall og ilandført oljeboreavfall utgjør hovedtyngden av spesialavfallet.

Avfallsgruppe nr: 1

Spillolje

2

Oljeavfall fra renseanlegg for oljeholdig avløpsvann

3

Oljeemulsjoner

4

Organiske løsemidler

5

Maling-, lim-, lakk- og trykkfargeavfall

6

Destillasjonsrester (med klorerte løsemidler)

7

Tjæreavfall (med PAH)

8

Avfall som inneholder kvikksølv eller kadmium i kjemisk forbindelse eller i metallisk tilstand

9

Avfall som inneholder vannløselige kjemiske forbindelser av

Status og framtidsutsikter En omveltning er i ferd med å skje innen avfallsbe­ handlingen. På få år har mengden av avfall til gjenvin­ ning økt sterkt. Andelen av avfallet fra industrien som går til materialgjenvinning og/eller ombruk, har økt meget sterkt (fra 27 % til 44 % i tiden 1993 til 1996). En tilsvarende utvikling ser vi for husholdningsavfall (fra 9 % til 22% i tiden 1992 til 1996). Utviklingen ser ut til å ville fortsette, og potensialet er fortsatt stort. I et forsøk med hundre frivillige familier i USA ble det oppnådd en resirkuleringsgrad på 84 % [16J. Tidligere ble resirkulering ansett for å være en belastning. Nå er det i ferd med å bli en interessant inntektskilde, meldes det fra USA. Der har prisene for resirkulert papir og glass vært økende. Som et eksem­ pel kan vi nevne at i New York kostet det 6 millioner dollar per år å bli kvitt avispapiret tidlig i 1990-årene. I 1995 regnet de med å tjene 20-25 millioner dollar på innsamling og salg av avispapir. Store konsern kjøper

Forskriften omfatter:

bly kobber sink krom

(Pb) (Cu) (Zn) (Cr)

nikkel arsen beryllium barium

(Ni) (As) (Be) (Ba)

og enkelte rene metaller

10

Avfall som inneholder cyanider

11

Plantevern- og bekjempningsmidler

12

Isocyanater og andre sterkt reaktive stoffer

13

Etsende stoffer og produkter - syrer, baser m.m.

14

Ilandført avfall fra oljeboring/produksjon

15

Annet meget giftig, giftig eller miljøskadelig avfall

Figur 7.12 Noen viktige typer spesialavfall inndelt i grupper. Kilde: Forskrift om spesialavfall (av 19.05.94) fra Miljøverndepartementet

278

Miljølære, kapittel 7

Flere av de nevnte stoffene er meget farlige. Der­ som de havner i et vanlig avfallsdeponi eller i et for­ brenningsanlegg, kan de, eller deres nedbrytningsprodukter, bli spredt i naturen. På sikt kan de gi meget alvorlige skadevirkninger. Dessverre skjer dette fort­ satt. Tilstanden I USA Likegyldig og uvettig bruk og deponering av spesial­ avfall kan få alvorlige konsekvenser. Vi har mange eksempler på det, særlig fra USA. Best kjent i denne sammenhengen er boligområdet Love Canal nær Niagarafallene. En kjemisk bedrift fant at kanalen var et egnet sted for å kvitte seg med avfall. Avfallet ble overdekket, og det ble senere bygd en skole og boliger på stedet. Men etter hvert begynte giftige damper og væsker, noen av dem anses for å være kreftframkallende, å trenge opp av grunnen. Barn i området ble syke. Astma var spesielt utbredt. Aborter og fødselsskader var langt mer vanlig blant folk som bodde på og nær den gamle fyllingen. Studier viste et høyt nivå av genetiske skader. Skolen ble til sist nedlagt, og nær 1000 familier ble flyttet fra hjemmene sine [ 13]. Totalt er det blitt anslått at USA har 10 000 fyll­ plasser som utgjør en alvorlig trussel mot helsen. Opprenskingen blir antatt å ville koste rundt 5000 mil­ liarder kroner [13], For å finansiere det såkalte «Superfund», for rehabilitering av gamle deponier, er all olje i USA belastet med en mindre avgift.

I Norge Forholdene er langt bedre i Norge. Det mangler like­ vel mye på at de er slik de burde være. Går vi noen år tilbake (til 1989), forsvant rundt halvparten av alt spesialavfall i Norden uten at vi vet hvor det ble av. Dessverre er det fortsatt flere som kaster spesialavfall på en ulovlig måte, dels av uviten­ het. dels med hensikt fordi det er enklest og billigst. I 1997 havnet 20 000 tonn spesialavfall på feil sted, eller sagt med andre ord: det forsvant. Total mengde spesialavfall var dette året 656 000 tonn. En stor del av dette avfallet tok bedriftene selv hånd om (vel 45 000 tonn ble eksportert). Avfalls­ mengden som er blitt behandlet i spesialavfallssystemet, og som det ofte refereres til når det er tale om spesialavfall, var 156 000 tonn4. Av figur 7.13 ser vi 4 I tillegg behandlet NOAH vel 194 000 tonn etsende avfall fra KronosTitan.

Figur 7.13 Innlevert spesialavfall, etter hovedfraksjoner. NORSAS 1999

at mengden innlevert spesialavfall har økt i de siste årene. Det henger dels sammen med at nye typer avfall blir regnet som spesialavfall (ifølge forskrift om spesialavfall av 1996). Tidligere ble ofte alle forsiktighetsregler skjøvet til side. Det er grunnen til at et stort antall deponier nå karakteriseres som potensielle miljøbomber. Utført kartlegging tyder på at det er nødvendig med oppryd­ dingsarbeider i et stort antall områder. Det gjelder blant annet fabrikker og gassverktomter hvor det har vært lekkasje av miljøgifter til jord, eller hvor gifter er blitt gravd ned. Deponering av miljøgifter har også funnet sted på fyllinger. Og vi har nevnt at det i mange fjorder fins sedimenter som er sterkt forurenset av miljøgifter (s.236). Oppryddingsarbeidet er nå i gang. Det ventes å medføre utgifter som må regnes i milliar­ der kroner. Stortingets målsetting er at «faren for alvorlige forurensningsproblemer som følge av tidli­ gere tiders feildisponering av spesialavfall skal være redusert til et minimum innen år 2000» [7]. Dette synes å være en altfor optimistisk målsetting. Det bør være en selvfølge at spesialavfall blir levert til godkjent mottak.

Mottak og innsamling av spesialavfall Innsamling fra husholdninger og småvirksomheter Alle som har spesialavfall, er selv ansvarlige for at det blir levert til godkjent mottak eller behandling. For spesialavfall fra husholdninger og mindre leverandø­ rer skal det eksistere et tilfredsstillende tilbud, som kommunene er ansvarlig for. Ved innlevering av dette avfallet bør det om mulig leveres i originalemballasje, og forskjellige stoffer bør

279

Avfall og avfallsbehandling

ikke blandes. Innblanding av mindre mengder spesial­ avfall i vanlig avfall kan føre til at alt avfallet blir betraktet som spesialavfall, og det kan bli kostbart for den som leverer avfallet. I dag er det mange forskjellige former for innsam­ ling av spesialavfall. Avfallet som kommunene har ansvar for, blir levert til - miljøstasjoner, som ofte er lagt til brannstasjoner og bensinstasjoner - miljøbusser som følger en oppsatt rute. Stoppe­ steder og rutetider blir det opplyst om på forhånd - miljøesker/miljøbokser. Dette er esker eller bokser med lokk som blir levert ut til husstandene. De blir hentet en til to ganger om året Innsamling fra bedrifter og transport Et halvstatlig selskap, A/S NORSAS (Norsk kompet­ ansesenter for avfall og gjenvinning)5, er ansvarlig for organiseringen av spesialavfallssystemet, se figur 7.14. De oppretter samarbeidsavtaler med firmaer som skal stå for transport og innsamling fra næringsliv og industri. Innsamlerne (operatørene) må ha nødvendig kompetanse og utstyr for å bli godkjent.

Figur 7.14 Avfallsstrømmen for spesialavfall

NORSAS

5 Tidligere (AS Norsk 5pesialavfallselskap).

ifølge

Utviklingsland som mottakere av miljøfarlig avfall fra industriland

Det er ofte kostbart å kvitte seg med spesialavfall i industrilandene (f.eks. mange tusen kroner per tonn). Derfor har mange latt seg friste til å eksportere avfal­ let til utviklingsland. Ytterst sjelden blir avfallet i slike mottakerland oppbevart og destruert på en miljøog helsemessig forsvarlig måte. I landdistrikter i Romania har det for eksempel dukket opp tonnevis med gamle, meget giftige pesticider som stammer fra Tyskland. Det er ikke lov til å eksportere farlig avfall ut av OECD-området fra Norge, og vi har fremmet et for­ slag om at dette også skal gjelde for de andre OECDlandene. EU har utformet et direktiv som gjelder over­ våking og kontroll med transport av farlig avfall (spesialavfall) inn og ut av EU. Hensikten er å unngå at industrilandene kvitter seg med miljøfarlig avfall i mindre utviklede land.

Behandling av spesialavfall Vi har sett at en del av det norske spesialavfallet for­ svinner, noe blir gitt en forsvarlig destruksjon i utlan­ det, og mye blir tatt hånd om i vår industri. All inn­ samlet spillolje blir brent, for eksempel i sementovner, og utnyttet som energikilde. Spesialavfall i grunnmasser Tungmetaller og andre miljøgifter foreligger som nevnt i grunnmasser og i sedimenter mange steder. For flere forekomster av forurenset grunn kan det være aktuelt først å separere massen i én forurenset og én ren fraksjon. Rene masser kan deretter legges til­ bake. Den forurensede fraksjonen blir behandlet for seg. eventuelt fraktet til et eksternt behandlingsanlegg. Dersom fraksjonen inneholder organiske miljøgifter, kan den bli varmet opp slik at giftstoffene destrueres ved forbrenning. Biologisk behandling av fraksjonen kan også komme på tale. Masser som inneholder tungmetaller (f.eks. Pb, Cd eller As), kan bli behand­ let på en slik måte at de inngår i en slags betong. «Betongen» blir deponert i berghaller i Mo i Rana eller på Langøya (omtales senere). Berghallene eller gruvegangene er spesielt tørre og har stabil tempe­ ratur. Enkelte typer bakterier har evne til. ved hjelp av enzymer, å bryte ned miljøgifter i jord (f.eks. PCB, PAH og klorerte organiske stoffer). Fordi de har pro­ blemer med å spre seg og overleve i grunnen, må foru-

280

renset jord graves opp og behandles ved tilsetting av bakterier i spesielle anlegg. Renseprosessen er kostbar og energikrevende. Organisk spesialavfall. Nytt anlegg i Brevik

I 1991 ble det halvstatlige behandlingsselskapet NOAH (Norsk Avfallshandtering A/S) opprettet. Det fikk i oppgave å sørge for at vi snarest (innen 1995-96) hadde muligheter til å lagre eller behandle (disponere) alt spesialavfall i Norge. Organiske stoffer, som vanligvis har høy brennverdi, utgjør en betydelig del av spesialavfallet. Mange av stoffene er ekstremt giftige. Et nasjonalt anlegg for behandling av dette avfallet er nå blitt bygd i Brevik. Forbehandlingsanlegget stod ferdig våren 1999. Avfallet fra dette anlegget skal brennes i sementovnen til Norcem. I denne ovnen er temperatu­ ren høy (2000-2500 °C), det er god turbulens, og opp­ holdstiden er relativt lang. Det sikrer at stoffene blir godt destruert (destruksjonsgraden for PCB er 99,9999 %). Energien i avfallet erstatter kull, og blir godt utnyttet, og det dannes ingen reststoffer som må deponeres. Samtidig blir det bygd et bedre rensean­ legg for fjerning av støv fra sementovnen. Anlegget vil sikre at de strenge kravene til utslipp fra brenning av spesialavfall blir oppfylt. Det er blitt søkt om å for­ brenne 31 000 tonn spesialavfall i ovnen. I tillegg til­ føres ovnen kull, spillolje og bildekk. 1 utlandet blir ofte spesialavfallet brent i egne spe­ sialkonstruerte ovner. Forbrenningen foregår ved langt lavere temperaturer enn i sementovnen. Men den er vanligvis så høy (> 1300 °C) at «asken» omdannes til en glassaktig smelte. I glassmelten blir tungmetal­ lene bundet med sterke bindinger. Når glasslagget blir avkjølt med vann, sprekker det til grus, som blir depo­ nert. Uorganisk spesialavfall. Anlegget på Langøya Tungmetallene i naturen finnes som mineraler eller malmer. Ofte er de bundet som svært tungtløselige sulfider eller silikater. Ideelt sett bør giftige metaller som foreligger i avfallet, føres tilbake til den naturlige tilstanden, altså bundet som stabile og svært tungtlø­ selige forbindelser. I en saltløsning kan en få til dette ved å tilføre sulfidioner, S , som med mange tungmetallioner gir tungt løselige sulfider. Disse kan støpes inn i betong for deponering. Tungmetallene kan også bindes i en struktur av silikater. Det kan blant annet skje ved at metallforbindelser i tørket tilstand blir tilsatt til en

Miljølære, kapittel 7

glassmelte for eksempel i en elektrosmelteovn, slik at metallene blir bundet til glasset. På Langøya utenfor Holmestrand blir tungmetaller utfelt som tungtløselige hydroksider og sulfider eller overført til silikater. Ved oksidasjon eller reduksjon blir giftige ioner eller forbindelser omdannet til ufar­ lige eller mindre skadelige stoffer. Syrer og baser blir nøytralisert. Avfallet etter behandling blir deponert i et stort krater som har oppstått etter mange tiårs uttak av kalkstein. Krateret, som går dypt ned under havfla­ ten (til -50 m), har tette vegger. Sjøvann trenger ikke inn, og sigevann siver ikke ut i havvannet. Deponiet anses å være et av de sikreste i Nord-Europa. Når nå anlegget i Brevik står ferdig, vil dette, sam­ men med anlegget på Langøya, kunne ta imot og behandle det aller meste av spesialavfallet i Norge. Derved ventes myndighetenes målsetting å være opp­ fylt: Praktisk talt alt miljøfarlig avfall som oppstår i Norge vil innen år 2000 bli behandlet i godkjente nor­ ske behandlings- og deponeringsanlegg.

7.6 Avfallsreduksjon Vårt hovedsiktemål må være å unngå at det oppstår mer avfall enn nødvendig. Det bør man ha i tankene allerede når man planlegger et nytt produkt. Hvordan kan produktet produseres med minst mulig forbruk av ressurser, og slik at det dannes minst mulig avfall? Emballasje utgjør en for stor andel av hushold­ ningsavfallet (opp mot 1/3 i enkelte land [16]). Vi kan redusere innpakningen. Både innpakning og rester som produksjonen gir, bør kunne tilbakeføres i et kretsløp. Muligheter for resirkulering avhenger av råstoffer og tilsatsstoffer. Inngår det skadelige stoffer? Kan de i tilfelle bli erstattet med mindre farlige eller ufarlige stoffer? Kan du som kunde påvirke leveran­ døren til å utvikle slike stoffer? Vi bør unngå engangsartikler, og produktenes levetid må økes, blant annet ved å gjøre det lettere å reparere dem. Moter, både når det gjelder klær og andre forbruks­ artikler som møbler, styrer våre innkjøp og fører til at gjenstander som er fullt brukbare, blir kastet. Hva kan vi gjøre for å bli mindre styrt av motene slik at pro­ duktene får lengre levetid? Mye tyder på at vi er på vei inn i en tid da kunden er villig til å betale noe mer for varer som økologisk sett er å foretrekke. Det er en oppgave å påskynde denne utviklingen. Eksperter hevder at «90 % av all forurensning strengt tatt er unødvendig. Ofte kjøres dessverre unød-

281

Avfall og avfallsbehandling

vendig mye råstoff og energi gjennom en ikke optimal prosess» (fra lederen i Teknisk Ukeblad nr. 29, 1991). «Renere produksjon» er blitt et nytt satsningsområde. Ved å gå kritisk igjennom prosesser og driftsrutiner i etablert industri er det ofte mulig å kutte råstoff- og energiforbruket drastisk, redusere eller kutte ut bruken av miljøfarlige stoffer, redusere forurensningen og avfallsgenereringen, forbedre produktkvaliteten - og i tillegg oppnå økonomisk gevinst (s. 179). I USA er det for eksempel anslått at industrien ved slike midler kan redusere eller forhindre nasjonens produksjon av spesialavfall med mer enn 50 % på kort sikt. Norges Naturvernforbund og Greenpeace Norge la i mai 1992 fram en plan som ved minimering, gjenvinning og forbehandling vil redusere mengden av organisk spesial­ avfall med mer enn 90 %.

11 Miljøverndepartementet (MD): Miljøspesial. Fra avfall til ressurs. Informasjonshefte fra MD om avfall, 1995 12 Ot.prp. nr 66 (1992-93) 13 D.D. Chiras: Environmental Science, kap. 24: «Hazardous and Solid Wastes: Sustainable Solutions», Wadsworth, 1998 14 L.R. Brown m.fl., Jordens tilstand 1998, Kap. 6: «Resirku­ lering av organisk avfall» 15 L.R. Brown m.fl., Jordens tilstand 1995, Kap. 5: «En bære­ kraftig bruk av materialer». Aschehoug 16 L.R. Brown m.fl., State of the World 1991, kap.3 Mindre søppel, mer gjenvinning. Scanbok forlag A/S 1991 17 N. C. Boye (red.), Miljøkunnskap. Universitetsforlaget 1994 18 SFT, Avfall - vårt felles miljø. 1993 19 G. Værnes, Avfallshåndbok. Oslo Renholdsverk 20 SSB (Statistisk Sentralbyrå) Naturressurser og miljø 1999

Spørsmål og oppgaver

Avslutning De store mengdene avfall i industrilandene er et alvor­ lig problem. Det fører til utarming av ressursene og betydelig forurensning. Og avfallsmengden er sterkt økende både i industriland og utviklingsland. Det har sammenheng med økt folketall, velstandsveksten, vår livssti] og våre forbruksmønster. Problemet forsterkes ved at et økende antall mennesker samles i byene. I mange utviklingsland blir det ikke bygd ut tilfredsstil­ lende avfallsbehandling. Avfallet utgjør i så fall en økende trussel mot folks liv og helse.

7.7 Litteratur 1 T. Fjeldberg, En innføring i avfallshandtering. Høgskolen i Agder 1998 2a T. Sivertsen og T.B. Tjelflaat, Renovasjonsteknikk Avfallshåndtering 2b T. Sivertsen og T.B. Tjelflaat, Renovasjonsteknikk Ansvar og virkemidler. Noas kompetansesenter AS, 1998 3 A. Heie, Kom. miljøteknologi - En innføring i avfallshånd­ tering. NTNU, Trondheim des. 1997 4 SSB (Statistisk Sentralbyrå), Naturressurser og miljø 1998 5 SSB (Statistisk Sentralbyrå), Naturressurser og miljø 1997 6 SFT: Forurensning i Norge 1995 7 Deponier med spesialavfall, forurenset grunn og foruren­ sede sedimenter. Rapport nr. 32, 1992 8 Miljøtilstanden i Norge 1996 (SFT og DN 1996) 9 St. meld. nr. 58 (1996-97), Miljøvernpolitikk for en bære­ kraftig utvikling (kap. 15 og 16) 10 St. meld. nr. 44 (1991-92): Om tiltak for reduserte av­ fallsmengder, økt gjenvinning og forsvarlig avfallsbehand­ ling.

1

Råjern blir framstilt fra jernmalm og koks (som blir framstilt fra kull). Både malmen og kullet blir tatt ut i gruver eller dagbrudd. Stål blir framstilt ved å foredle råjern og eventu­ elt tilsette legeringskomponenter. Veien fra råstoffer i natu­ ren til stål innebærer store og oftest ødeleggende inngrep, store mengder avfall og forurensende utslipp til luft og vann. Utdyp denne påstanden (emnet er utførlig belyst i D.D. Chiras: Environmental Science).

2 I stedet for å kaste brukt stål (f.eks. senke gamle fiskebåter eller understell på stålplattformer) kan det bli kuttet opp og smeltet - f.eks. i små elektriske stålverk - og brukt om igjen. Hvilke fordeler medfører dette? (Trekk også trans­ portarbeidet inn i vurderingen.)

3 Nevn punktvis og i prioritert rekkefølge hvilke mål som bør settes når det gjelder avfall og avfallsbehandling. Er ditt oppsett i overensstemmelse med våre myndigheters priorite­ ring? 4 Hva mener vi med kommunalt avfall, forbruksavfall, næringsavfall og spesialavfall? Nevn de viktigste kompo­ nentene i husholdningsavfallet. Hvor stor del utgjør vegeta­ bilsk og animalsk fraksjon?

5 I noen deponier blir avfallet plassert a) uten komprimering b) med komprimering. Hvilke fordeler har metode b framfor metode a? Hva slags teknisk innretning blir benyttet for å oppnå god komprimering? 6 Hvilke komponenter i en kommunal fylling gir ved nedbryt­ ning gasser? Hva er det for gasser som blir dannet? Hvilke av gassene er brennbare og hvilke problemer kan de med­ føre?

7 Gassene (se oppgave 6) kan bli sugd ut etter at det er blitt lagt rør i fyllingen. Hvilke fordeler medfører dette?

282

Miljølære, kapittel 7

8 Hvilke komponenter i en kommunal fylling bidrar til foru­ renset sigevann? Hvilke uheldige følger har det å føre sige­ vannet direkte til en resipient eller til et kommunalt avløps­ system? 9 I et renseanlegg for sigevann blir Fe++ oksidert til Fe3+ av H2O2 i surt miljø. Ta utgangspunkt i følgende reduksjonslikninger:

Fe3+ + c Fe2+ H2O2 + 2 H+ + 2e' -> 2 H2O Start med å finne reduksjonspotensialene i en tabell. Skriv deretter reaksjonslikningen for reaksjonen mellom Fe++ og H2O2 og finn det tilhørende potensialet. Vil reaksjonen gå spontant (dvs. av seg selv) mot høyre? Hvilket stoff blir i dette tilfellet anvendt som oksidasjonsmiddel?

logisk avfall per år, skal samle opp og behandle, og helst utnytte, deponigassen. Hvilken betydning vil slike krav få for graden av resirkulering? Begrunn svaret.

16 Dersom vi vil gjenvinne komponenter fra husholdningsav­ fallet, må det først sorteres. Etter sortering kan avfallet bli hentet ved boligen (hentesystem) eller bli brakt av avfalls­ besitter til sentralt plasserte beholdere (bringesystem). Hvilke fordeler og ulemper har de to systemene? Hva bør vi etter din mening satse på for framtiden? 17 Fiske- og slakteriavfall er verdifulle ressurser. Mye av dette avfallet blir i dag benyttet. Men fortsatt blir betydelige mengder fiskeavfall kastet på sjøen. Hva kan dette avfallet bli nyttet til? 1 8 Hva bør vi gjøre med rivingsavfall?

10 pH øker når CO2 drives ut ved å blåse luft gjennom sigevan­ net. I vannet kan vi for enkelhets skyld anta at likevekten: CO2(g) + H2O # H2CO3(aq)

er innstilt. Hvorfor vil pH øke? Forklar ved å nytte Le Chåteliers prinsipp. Husk at H2CO3 er en syre som er mer eller mindre dissosiert i vann. Ved å øke pH i sigevannet utfelles metallhydroksider:

Men+ + n OH- -» Me(OH)n

Hvordan kan dette forklares? Ta igjen utgangspunkt i Le Chåteliers prinsipp og løselighetstabeller (som viser at alle de vanlige tungmetallene har tungtløselige hydroksider).

11 Kunne du tenke deg å anbefale bygging av et forbrennings­ anlegg for avfall? Lag en oversikt over fordeler og ulemper ved slik avfallsdestruksjon. og forsøk på dette grunnlaget å foreta en avveining. 12 Hvor mye hydrogenklorid kan bli dannet fra PVC i et for­ brenningsanlegg som brenner 100 000 tonn avfall per år? Det forutsettes at avfallet inneholder 8 vektprosent plast, og at PVC utgjør 10 % av plastfraksjonen. (Bruk formelen for PVC, (-C2H3Cl-)n, til å finne % klor i forbindelsen). Hvor mye hydrogenklorid kan maksimalt bli dannet der­ som en forutsetter at all klor blir til HCI? Litt klor i PVC reagerer til andre stoffer enn HCI. Hvilke andre stoffer dan­ nes, og hvilke egenskaper har disse? 13 I flere kommuner er det plassert ut egne beholdere for matog hageavfall. Dette avfallet blir kompostert. Hva skjer med avfallet ved kompostering? Hvordan ser produktet ut, og hva kan det brukes til?

14 Hvilke fordeler har kompostering sett i forhold til depone­ ring i et moderne avfallsdeponi? Er kompostering den ide­ elle anvendelse av matavfall? Begrunn svaret. 15 I EU-direktiver som gjelder utforming av deponier, blir det stilt svært strenge krav til tetting av bunnen for å unngå lek­ kasje fra fyllinger - minst tre meter leire med spesifisert, liten gjennomtrengelighet for vann - eller tilsvarende tet­ ting. Og deponier som tar imot mer enn 10 000 tonn bio­

19 Det blir hevdet at resirkulering gir arbeidsplasser lokalt. Hvilket grunnlag er det for en slik påstand? 20 Nevn noen typer spesialavfall. Hva inneholder spesialavfal­ let som kommer fra husholdningene? Nevn noen spesielle ordninger for innsamling av spesialavfall fra husholdning­ ene.

21 Blir alt spesialavfall som oppstår i Norge samlet inn? Er vi i stand til å ta i mot og behandle alt det dette spesialavfallet? Hvilke store anlegg for spesialavfall har vi i dag i Norge?

Dagens industrisamfunn er helt avhengig av en konti­ nuerlig tilførsel av energi. Dette fikk vi føling med i 1973 da Organisasjonen av oljeeksporterende land, OPEC, skrudde litt igjen på kranene. I Norge førte det til bilfrie søndager, og i USA til lange køer foran ben­ sinstasjonene. I 1979 inntraff en ny oljekrise. Knapp­ het på olje i oljemarkedet førte til at oljeprisen for rett til værs i 1970-årene (fra under 3 $ til 35 $ per fat). Verdensøkonomien kom i ubalanse; inflasjonen økte, den økonomiske veksten ble lavere, og flere ble arbeidsledige. For utviklingslandene, som var begynt å bli avhengig av olje, ble prisøkningen særlig ødeleg­ gende. Mange av landene kom i stor gjeld til rike land. Denne gjelden har siden hemmet utviklingen i disse landene. Men krisene brakte også noe godt med seg. I mange land ble arbeid satt i gang for å utnytte ener­ gien bedre og utvikle fornybare energiressurser. I 1986 falt energiprisene drastisk. Det hadde sam­ menheng med at de oljeeksporterende landene ikke ble enige om å begrense produksjonen. Lave oljepri­ ser førte til markert økning i oljeforbruket og sterk økonomisk vekst i de fleste land. Utviklingen i retning av bedre utnytting av energi og bruk av fornybare energikilder ble mindre interessant. Prisene på olje og gass har svingt noe, men er våren 1999 lave. De rike lands avhengighet av oljetilførsler ble også demonstrert i 1991. Iraks angrep på Kuwait ble omtalt som en krenkelse av menneskerettigheter. Dette ble sagt å være grunnen til at FN - anført av USA - gikk inn i krigen. Mange vil hevde at den virkelige årsaken var behovet for å sikre en jevn, sikker strøm av olje fra Midtøsten. Hva inneholder kapitlet? Vi begynner dette kapitlet med å si noe om begrepet energi, de store energistrømmene på jorda og energi­ forbruket. Ikke-fomybare energikilder blir et sentralt

tema, fordi verdens forbruk av energi i hovedsak blir dekket av disse energibærerne. Men forekomstene er begrensede, og bruken medfører alvorlige miljøbe­ lastninger. Vi har altså både et ressursproblem og et forurensningsproblem. Disse kan bli redusert ved å ta i bruk fornybare energikilder og ved å utnytte ener­ gien bedre (energiøkonomisering, enøk) Bruk av atomkraft er kontroversielt og vil bli drøf­ tet. Den største økningen i energiforbruket bør komme i utviklingslandene. Deres valg av energikilder vil få betydning for oss.

Kull

0 1972 -74 -76 -78 -80 -82 -84 -86 -88 -90 -92 -94 -96

Figur 8.1 Verdens energiforbruk 1972-1997 i millioner tonn oljeekvivalenter per år. [6]

284

8.1 Termodynamikkens to hovedsetninger Med energi forstår vi evnen til å utføre arbeid eller produsere varme. Bensin er eksempel på en energibæ­ rer, og energien er lagret i molekylene som kjemisk energi. Når bensin forbrenner i en bilmotor, blir den kjemiske energien dels omdannet til mekanisk energi som driver bilen framover og gir et arbeid, dels blir den til varme som blir tatt opp av kjølevannet, og som avgis til luft. Varmelærens første hovedsetning sier at energi ikke kan forsvinne eller oppstå, men bare bli omdan­ net til andre former. Den kjemiske energien som blir omdannet i en bensinmotor, blir til mekanisk energi pluss varme. Den andre hovedsetningen sier at verdien av ener­ gien reduseres ved hver naturlig omforming. Når vi bruker energi, reduseres kvaliteten, dvs. dens anven­ delighet. Det henger sammen med at graden av uorden på molekylnivå (entropien) øker. Hva skjer for eksempel med stillingsenergien (den potensielle energien) som vann har på oversiden av en foss, dersom vannet får falle fritt utfor fossen? Energien blir da til varme. Vannet på nedsiden av Niagarafossen er for eksempel ca. 0,5 °C varmere enn på oversiden av fossen. Det vil si at vannmolekylene har fått mer uordnede bevegelser, men energien som er knyttet til denne lille temperaturforskjellen, er det ikke mulig å utnytte. Men vannet kan bli lagt i rør forbi fossen. Vannets stillingsenergi blir da omformet til økt hastighet hos vannmolekylene. Økt hastighet gir molekylene økt bevegelsesenergi (også kalt kinetisk energi). Når vannstrømmen treffer en turbin, får denne energien en aksling til å rotere (blir til mekanisk energi). Via en dynamo blir mekanisk energi omformet til elektrisk energi, se figur 8.19. Tilsvarende blir en del av ener­ gien i et trillende sykkelhjul omformet til elektrisk energi i en sykkeldynamo. Vi kan si at energi inneholder to komponenter, eksergi og anergi:

Energi = eksergi + anergi Eksergien er den verdifulle delen av energien. Det er denne delen som kan omformes til for eksempel mekanisk energi. Ved naturlige omforminger avtar eksergien, og anergidelen øker inntil det bare er anergi igjen. For eksempel kan mekanisk energi ved friksjon

Kjemi, kapittel 8

bli omformet til varme ved lav temperatur. Denne var­ men kan vi ikke nyttiggjøre oss. Hele energiinnholdet er blitt til anergi. Ved omdanning av en varmemengde (Q) i form av damp med temperatur T2 til arbeid (W) gjelder uttryk­ ket

W = Q • (1-T,/T2) Her er T] temperaturen i omgivelsene. Fordi T( < T2, blir parentesen positiv og mindre enn 1, og følgelig blir W mindre enn Q. Med økende T2 (minkende T]/T2) øker W. En større del av Q omformes til arbeid (eksergiandelen øker). Dersom Tj er tilnærmet lik T2, blir W tilnærmet lik 0. dvs. at vi ikke får omformet varme til arbeid. Energiformer som inneholder en stor andel eksergi, er spesielt verdifulle og sies å ha høy energikvalitet (f.eks. elektrisitet). 1 Norge blir mye elektrisk energi (ca. 29 TWh) brukt til direkte oppvarming av boliger. En nylig utgitt rapport (fra NVE) peker på at en så høyverdig energiform som elektrisitet ikke bør brukes til et lavverdig formål som oppvarming. For å redu­ sere bruken av elektrisitet til oppvarming foreslår de å øke avgiften på denne energiformen og gi forbud mot å varme opp statlige nybygg over en viss størrelse (over 1000 m2) med elektrisitet.

8.2 Energienheter og effekt Det fleste har en forestilling om hvilken nytte vi kan ha av en watt. Kanskje har du en elektrisk ovn som kan gi 250, 750 og 1500 watt. Vi betaler for strømmen etter hvor mange watt vi bruker, og hvor lang tid den står på. Standardenheten for energi er 1 W • s (= 1 watt i ett sekund). Denne enheten blir betegnet J joule (/ J

1 1 1 1 1 1

kJ, kilojoule MJ, megajoule GJ, gigajoule TJ, terajoule PJ, petajoule EJ, exajoule

= = = = = =

103 106 109 1012 1015 1018

J J J J J J

= = = = = =

1 tusen J 1 million J 1 milliard J 1000 milliarder J 1 million milliarder J 1 milliard milliarder J

For elektrisk energi brukes blant annet også:

1 1 1 1

kWH, kilowattime MWh, megawattime GWh, gigawattime TWh, terawattime

Figur 8.2 Energienheter

= = = =

103 106 109 1012

Wh = 1 kWh Wh = 103kWh Wh=106kWh Wh = 109 kWh

285

Energi

GJ

MWh

tke

toe

Goal

1 GJ, gigajoule

=

1

0,278

0,0341

0,0236

0,24

1 MWh, megawattime

z=

3,60

1

0,123

0,085

0,85

1 tke, tonn kullekvivalent

= = -

29,3

8,14

1

0,69

6,9

42,3

11,788

1,44

1

1 toe, tonn oljeekvivalent 1 Goal, gigakalori 1 MBtu (Btu: Britisk thermal unit)

4,19

1,16

0,144

1,05

0,29

0,036

MBtu

0,95

3,41 27,39

10

39,69

0,1

1

3,97

0,025

0,25

1

Figur 8.3 Omregningsfaktorer for energimengder

= / IVy , dvs. 1 joule = 1 watt i 1 sekund). Dette er en svært liten enhet, derfor nyttes vanligvis en av enhe­ tene på figur 8.2. I praksis er mange andre enheter i bruk: kilowattime (kWh - Zdlowatt-Aour), tonn oljeekvivalent (toe), kalori (cal) og flere. Omregningen mellom energienhetene framgår av figur 8.3. Effekt er et uttrykk for styrken i en elektrisk ovn, en maskin eller en annen innretning. Den blir uttrykt i W

(watt). Sammenhengen mellom effekt og energi er gitt ved effekt = energi/tid (W = J/s = Ws/s)

Oppgave Du har en ovn i stua som gir en effekt på 2500 W (du har innstilt bryteren på 2500 W). Den står på dag og natt i fire måneder vinterstid. Hva vil dette koste der-

Sola er vår dominerende energikilde direkte gjennom lys- og varmestråling og indirekte gjennom elver, vind, bøl­ ger og havstrømmer. Foto: Samfoto

286

Kjemi, kapittel 8

som du må betale 50 øre per kWh? Hva vil du spare dersom ovnen blir slått over på 1000 W i rundt 14 timer i døgnet (f.eks. mens du sover, er på arbeid e.l.)? Regn at en måned har 30 dager.

Løsning Totalt energiforbruk: 2500 W • 24 h/døgn • 30 døgn/måned • 4 måneder = 7 200 kWh Dette koster: 7200 kWh • 0,50 kr/kWh = 3600 kr Redusert energiforbruk: 1500 W • 14 h/døgn • 30 døgn/måned • 4 måneder = 2 520 kWh Du sparer: 2520 kWh ■ 0,50 kr/kWh = 1260 kr

8.3 Jordas energibalanse Figur 8.4 gir en oversikt over energistrømmene på jorda. Vi ser at så godt som all energien kommer fra sola. En betydelig del av solenergien bli reflektert til­ bake til verdensrommet fra partikler i atmosfæren. Disse partiklene stammer dels fra menneskelige utslipp og dels fra prosesser i naturen som vulkan­ utbrudd. En stor del av energien blir fanget opp av molekyler i luft, på jordoverflaten eller i vann. Deretter blir energien avgitt som varmeenergi (som

Sollys

Reflektert sollys

Varmestråling

infrarød stråling) (s. 12). Betydelige mengder sol­ energi går også med til å fordampe vann og smelte is. Denne energien blir avgitt når damp går tilbake til vann eller vann til is. Noe damp blir til regn som faller ned over land. På vannets vei tilbake til havet kan dets stillingsenergi utnyttes i vannkraftverk. Forskjeller i soloppvarming fra ekvator mot polene er i stor utstrekning årsak til vind, havstrømmer og bølger som utjevner temperaturforskjellene på jorda. Bølge- og vindenergi gir mulighet for elektrisitetspro­ duksjon. Av figur 8.4 ser vi videre at en liten del av solenergien blir fanget opp i de grønne plantene som lagrer energien som kjemisk energi i form av bio­ masse. Biomasse blir brukt som brensel og råstoff i industrien. Over lang tid og under trykk har biomasse blitt omdannet til kull, olje eller naturgass (fossile brenn­ stoffer). Fossile brennstoffer som vi utnytter i dag, er dannet gjennom flere millioner år. Høyst sannsynlig vil de være brukt opp i løpet av noen hundre år. Solenergi kan bli utnyttet direkte, solenergi gir indirekte bølge- og vindenergi, og solenergi er lagret i biomasse og i fossile brennstoffer. Uran og thorium er radioaktive stoffer som finnes i berggrunnen. Ved spalting avgir de varme som kan utnyttes i reaktorer. Geotermisk energi blir produsert nede i jorda og gir varme som vi kan utnytte. Tidevannet skyldes i første rekke månens innfly­ telse på vannmassene i havet.

8.4 Energiforbruk i Norge Figur 8.5 gir et bilde av energiflyten i Norge. Den for­ teller oss hvor mye vi produserer av energibærere (innenlands tilgang), og dessuten hvor mye vi impor­ terer, eksporterer og forbruker. Når det er snakk om energiforbruk, må vi ha klart for oss hvilket snitt i dette skjemaet vi refererer til. De siste årene har energiforbruket økt. Det har sammenheng med økt produksjon i industrien og økt velstand og privat forbruk.

8.5 Energiressurser Figur 8.4 Jordas energibalanse (TW) (1 TW = 31,5 EJ/år)

En forekomst av et fossilt brennstoff angis som ressurs eller som reserve Den totale ressursen angir hvor mye det totalt fin-

287

Energi

Gass 1 732 18

Petroleumsprodukter 662

Snitt 1: Netto innenlandsk tilgang 1 132

53 -241 484

Snitt 2: Netto sluttforbruk 776

57 279

_L____

______ g

Kull og koks

Annet

372

172

616

21

48

48

Figur 8.5 Energibalanse for 1997 i PJ (1015 J). (Tallene i parentes over snitt 1 viser endring i lagerbeholdning

(totalt 39 PJ)). Kilde: NVE 1998

nes av et materiale eller et stoff. Det er stor usikkerhet knyttet til angivelse av denne størrelsen. Reserven er et anslag over den mengden som er påvist, og som kan utvinnes med lønnsomhet med dagens teknologi og pris. I dette tilfellet er usikkerhe­ ten mindre. Dersom vi blir villige til å betale mer for et stoff og/eller utvikler bedre teknologi, vil reserven utgjøre en økende andel av ressursen.

Inndeling av energiressurser

Figur 8.6 Innenlands energibruk etter forbrukergruppe. Kilde: SSB 1999.

Energiressursene blir inndelt i to hovedgrupper; ikkefornybare og fornybare ressurser, se figur 8.7. Biomasse er en betinget fornybare ressurser. Vi er vant med at når trær hogges, så vokser det etter en tid opp nye trær. Men det er ingen selvfølge. Når store områder avskoges i høyereliggende strøk eller i tro­ pene, risikere vi at skogen forsvinner for alltid. Skog

288

Kjemi, kapittel 8

- Gass

produksjon - Biomasse - Vind - Bølger

Figur 8.7 Ikke-fornybare og fornybare energiressurser

er en fornybar ressurs når det dannes like mye trevirke som vi tar ut. Da er systemet i balanse. Fornybare energiressurser omfatter i første rekke utnyttelse av solenergi for varme- eller elektrisitets­ produksjon. Men det dreier seg også om energiformer som solenergien gir opphav til: vann-, vind- og bølge­ energi. Vi kan utnytte disse energiressursene uten at ressursen reduseres. Ikke-fornybare ressurser er i første rekke de fossile brennstoffene. Når de blir brent omdannes de til CO2 og H2O ved reaksjon med oksygen (i luft). I praksis er det utenkelig å få reaksjonen til å gå den motsatte

BH Olje

Q Fast brensel

veien. Reaksjonen er irreversibel, og stoffene er tapt for alltid. Uran og thorium, som kan nyttes som drivstoff i kjernereaktorer, er andre former for ikke fornybare ressurser. Tre hovedspørsmål er knyttet til utnyttelsen av disse energiråstoffene: Hvor store er forekomstene (ressursene/reservene)? Hvor lenge vil de vare? Hvor stor miljøbelastning medfører bruken av disse stoffene? Figur 8.8 gir et anslag over totale reserver og årlig forbruk av de fossile brenstoffene. Dersom vi divide­ rer reserve med produksjonen per år, får vi fram en størrelse som vi kaller statisk levetid (på figuren kalt gjenværende levetid). Den angir hvor lenge en fore­ komst vil vare forutsatt at forbruket ikke endres (det er statisk).

8.6 Ikke-fornybare ressurser Fossile brennstoffer Av de kommersielle energibærerne utgjorde i 1997 [6]:

- olje (ca. 40 %) - kull (ca. 27%) - naturgass (ca. 23 %)

Vann og kjernekraft utgjorde resten (ca. 10 %). Bio­ masse blir ikke regnet med blant de kommersielle energibærerne. Det henger sammen med at statistik­ ken over forbruket er mangelfull. Flere kilder oppgir at biomasse dekker ca. 15 % av det totale energifor­ bruket [16]. Av det ovenstående framgår det at de fossile brenn­ stoffene dekker den altoverveiende delen av verdens energiforbruk. Fordi disse stoffene spiller en sentral rolle, vil vi omtale dem her.

□ Gass

Olje

levetid Figur 8.8 Oversikt over verdens totale reserver av fos­ sile brensler ved slutten av 1997, årlig forbruk og gjen­ værende levetid. [6]

Olje består av en blanding av et stort antall hydrokar­ boner og inneholder også svovel og små mengder tungmetaller. Sammensetningen varierer sterkt fra kilde til kilde. Vanligvis inneholder oljen hovedsake­ lig langkjedede hydrokarboner, men den kan også inneholde en betydelig andel ringformede eller sykliske forbindelser. Olje er i dag det viktigste energiråstoffet, se figur 8.1. Det dekker rundt regnet en tredel av verdens totale energiforbruk og er nesten enerådende på transport­ sektoren, dvs. når det gjelder drift av biler, fly og skip.

289

Energi

Store mengder blir også brukt til å produsere elektrisi­ tet i varmekraftverk (s. 307) og i industrien. Olje er relativt billig å utvinne og transportere. Men forekomstene er konsentrert til enkelte områder som ofte ligger langt fra de viktigste forbrukssentrene. Følgelig må oljen transporteres over lange avstander, og har strategisk betydning. USA er i ferd med å tømme egne forekomster. De importerer mer enn 50 % av oljen, og andelen ventes å øke. Det innebærer avhengighet av andre land, og deres økonomi vil i betydelig grad bli påvirket av endringer i oljeprisen. Dersom Nord-Amerika (eller Europa) måtte dekke sitt forbruk fra egne reserver, ville de hatt olje i mindre enn ti år [6]. I de siste årene har det vært små endringer i det totale oljeforbruket i verden. Det har økt i de fleste land (mest i asiatiske land med sterk økonomisk vekst), men veksten er til dels blitt kompensert av et sterkt avtakende forbruk i landene i østeuropa. I et forsøk på å oppnå større uavhengighet av Organisasjonen av oljeeksporterende land, OPEC - etter oljekrisene i 1970-årene - er oljeproduksjonen trappet opp i land som ikke er tilsluttet organisa­ sjonen. Det fører til at disse landenes begrensede forekomster raskt tømmes, mens OPEC fortsatt rår over store gjenværende ressurser

av olje, se figur 8.9. Følgelig er verden igjen i ferd med å bli mer avhengig av denne mektige organisasjonen. Det er fortsatt uro i midt-østen, og vi kan ikke se bort fra at nye oljekriser kan inn­ tre, kriser som kan sende nye sjokkbølger gjennom verdensøkono­ mien.

Hvor lenge vil oljen vare? Anslag utarbeidet av oljeselskapet BP, se figur 8.8, angir en statisk levetid for olje på vel 40 år basert på reserven [6j. Det er imidlertid liten grunn til å regne med et sta­ tisk uttak. Folketallet i verden er i sterk vekst og øker med ca. 800 millioner mennesker per tiår. Samtidig må vi vente at de fattige i verden vil få en høyere levestandard. Det skjer for eksempel i Kina, som har godt over 1 milliard innbyggere, og som i 1990-årene har opplevd en uvanlig sterk økonomisk vekst. Selv om industrilandene makter å redusere forbruket, vil derfor høyst sannsynlig totalforbruket øke. Disse for­ holdene tilsier at levetiden blir kortere enn angitt over. På den andre siden øker utvinningsgraden av kjente forekomster. Mens det tidligere ble ansett som bra dersom vi kunne få ut 25 % av oljen, er uttaket nå opp i mot 40-60 %. Økt utvinning blir oppnådd ved å føre vann, damp, gasser eller kjemikalier ned i det olje-

□ Olje i milliarder fat □ Kull i milliarder tonn □ Gass i billioner m3

Figur 8.9 Påviste reserver av olje, kull og gass ved utløpet av 1997. [6]

290

førende sjiktet. Mer olje blir da fortrengt i strukturen. Og nye oljekilder vil bli oppdaget. Selv om kartleg­ ging og geologiske undersøkelser er omfattende, er det fortsatt grunn til å vente endringer i ressursanslaget. Disse forholdene tilsier en lengre levetid for oljen. Oljeproduksjonen er muligens allerede i ferd med å flate ut, for deretter trolig å falle. Oljealderen (basert på råolje) synes å være på hell. Det kan på sikt føre til knapphet og dermed stigende priser. Industrien vil imidlertid høyst sannsynlig være villige til å betale relativt nye for dette verdifulle råstoffet, som nyttes til framstilling av kunstgjødsel, plast, medisiner m.m. Men oljen kan komme til å bli for kostbar som driv­ stoff. Andre oljeråstoffer I tillegg til å utnytte vanlig råolje finnes det betydelige muligheter til å utvinne olje fra oljeskifer (USA) og tjæresand (i Canada, Venezuela m.fl.). Særlig i USA har det vært satset på å utnytte disse råstoffene, men kostnadene har hittil vært for høye. Det går med betydelig mengder energi per produsert fat olje, og utvinningen gir betydelige utslipp til luft. Skiferen som inneholder oljen, sveller når oljen blir tatt ut ved oppvarming, og det resulterer i store mengder avfall. Prosessen krever også tilgang på vann, som blir forurenset. Regnvann løser ut olje og andre stoffer fra avfallshaugene. De mil­ jømessige konsekvensene er betydelige.

Kull Kull inneholder i hovedsak karbon. Karbonatomene er knyttet sammen i kjeder og ringer i kompliserte struk­ turer, se figur 8.10. Til karbonatomene er det bundet

hydrogen og mindre mengder oksygen, svovel og nitrogen. Kullet stammer hovedsakelig fra plantemateriale som er blitt omdannet til kull under høyt trykk. Det finnes forskjellige kvaliteter. Brunkull, som er den simpleste kvaliteten, har en brennverdi som bare er halvparten av steinkullets. Antrasitt (hardt kull), er den reneste og mest energirike formen. Forekomstene er store, og de finnes mange steder på jorda, se figur 8.9. De fleste store industrilandene, bortsett fra Japan, har betydelige egne forekomster. Spesielt Kina, men også SUS og USA, har store kull­ reserver. Den internasjonale handelen med kull er der­ for av mindre betydning enn oljehandelen. Store mengder kull blir brukt i varmekraftverk til å produsere elektrisitet. I USA står kull for mer enn halvdelen av elektrisitetsproduksjonen. Industrien har et høyt forbruk av koks1 som reduksjonsmiddel og 1 Når kull oppvarmes i fravær av oksygen, dannes koks, gasser og tjærestoffer

Kjemi, kapittel 8

Figur 8.10 Deler av molekylstruktur i kull. Hovedskjelettet består av karbonatomer i kjeder som er bun­ det til hverandre. I kjedene inngår ringformede eller sykliske delstrukturer. Til karbonatomene er det hovedsakelig bundet H- og O-atomer. Men det inngår også en del S- og N-atomer som ved forbrenning gir sure gasser.

energikilde, for eksempel inngår koks som elektrodemateriale i aluminium- og ferrolegeringsovnene. Med dagens produksjon vil ressursen vare i noen hundre år framover, se figur 8.8. Kull kan omdannes til produkter som er enklere å håndtere og som gir mindre forurensning:

- Kull kan omdannes til olje i prosesser hvor kull blir tilført hydrogen. Ved å destillere reaksjonsblandingen får vi motordrivstoffer. Flere slike prosesser er kjent. - Kull kan omdannes til gass. Gassen kan sendes ut på nettet som er bygd for transport av naturgass, og bli brukt i industri, i transportsektoren og for opp­ varming. Bygass, som tidligere ble benyttet til belysning og koking, ble framstilt fra kull i fravær av luft (oksygen).

Så langt er produktene fra de nevnte prosessene for kostbare til å kunne konkurrere i energimarkedene. Naturgass Naturgass består hovedsakelig av metan, men inne­ holder også andre hydrokarboner i gassform. De viktigste komponentene er metan (80-95 %), etan (2,5-7 %), propan og butan (1-3 %). I tillegg kan den inneholde nitrogen (< 10 %) og små mengder karbon­ dioksid. Gass som ble funnet sammen med råolje, ble tidli­ gere ansett som avfall og sluppet ut til luft eller brent

291

Energi

Naturgass blir til mat Det første anlegget for produksjon av for fra naturgass er nå startet opp i Norge. Bakterier (Methylococcus Capsulatus) blir benyttet til å omdanne naturgass til bio­ masse. Produktet er et brunlig pulver som er rikt på proteiner, og det er godkjent av EU til bruk i fiske- og dyrefor. Produktet blir i første rekke benyttet som tilset­ ning i for for fiskeoppdrett. Ved senere utvidelse (til 40 000 tonn per år) er det aktuelt å benytte det også til hunde- og kattefor. Det selges ferdigmat til disse kjæle­ dyrene for nær 50 milliarder kroner i Europa. Foretaket (Norferm) forbereder en søknad om å få markedsføre det verdifulle bioproteinet som menneskemat. Vi trenger altså ikke engste oss for at olje og naturgass skal bli verdiløse råstoffer. Kilde: Teknisk Ukeblad nr. 6 1998 og

Stavanger Aftenblad 17.12.1998

til ingen nytte. Fortsatt skjer dette, og store mengder verdifull energi er på denne måten gått til spille. De største forekomstene finner vi i SUS og innenfor OPEC-området, se figur 8.9. Europa får det meste av tilførslene fra Nordsjøen, Sibir og Nord-Afrika. Gassen blir i hovedsak distribuert i rørledninger. Den kan også bli fraktet med spesialskip, som LNG (Liquid Vatural Gas) - i flytende form ved -162 °C. Japan har stor import av LNG fra land i Sørøst-Asia. Naturgass blir brukt til koking og oppvarming av boliger, til industriformål og til produksjon av elektri­ sitet. Av miljøhensyn er gass å foretrekke framfor olje og kull (mer om dette s. 306), og gassen er relativt bil­ ligLevetiden for naturgass, basert på den idag kjente ressurs, er anslått til ca. 65 år [6]. Relativt lite er imidlertid blitt gjort for å kartlegge ressursen. Økt inn­ sats i de senere årene har ført til at reserven stadig øker. Store nye forekomster er blitt oppdaget, dels på store havdyp. Levetiden for gass vil derfor sannsyn­ ligvis forlenges. Anslag antyder at vi kan ha gass for 120 år med nåværende forbruk [5].

Miljøkonsekvenser knyttet til bruk av fossile brennstoffer Fossile brennstoffer er en hovedkilde til den forurens­ ningen som i dag truer vårt miljø. Emnet er behandlet tidligere (s. 189). Her vil vi bare ta med en kort over­ sikt over de viktigste forurensningskomponentene og berøre en del punkter som har med selve forbrenningsprosessen å gjøre.

Miljøødeleggelse knyttet til uttak For det første bør vi være klar over at uttak av fossile brennstoffer er forbundet med betydelige miljøproble­ mer. Det gjelder i særlig grad for kull. Mange steder blir kull tatt ut i dagbrudd. Det innebærer at store mengder jord og stein blir fjernet fra overflaten for å nå ned til det kullførende laget. Det fører til store og skjemmende sår i naturen. Mange mennesker må flytte, i noen tilfeller blir hele landsbyer jevnet med jorda. I USA blir det krevd at skadene i størst mulig grad skal utbedres. Mye kull blir fortsatt tatt ut ved gruvedrift dypt nede i jorda. Det er en farlig virksomhet. Det har ofte skjedd ras, eksplosjoner og branner (på grunn av metan i gruvegangene). Mange gruvearbeidere har fått skadet lungene («svart lunge»), med uførhet og død til følge. Store hauger med avfall kjennetegner gruveom­ rådene, og surt og jernholdig vann som tas opp av gru­ vene, skaper problemer i omgivelsene. Utslipp til luft

Som nevnt inneholder kull og olje i hovedsak karbon, varierende mengder hydrogen og vanligvis mindre mengder oksygen, svovel og nitrogen. De kan inne­ holde klor og små mengder tungmetaller (Hg, Cd. Pb, Ni, m.fl.). Naturgass inneholder som regel verken svo­ vel eller tungmetaller.

Ved brenning av kull og olje dannes

- gasser. Karbon blir til karbondioksid (CO2), hydro­ gen til vann (H2O), svovel til svoveldioksid (SO2) og nitrogen til nitrogenoksider (NOX). CO2 er den viktigste antropogene kilde (s. 190) til drivhusef­ fekten. SO2 og NOX gir sur nedbør. NOX bidrar i til­ legg til produksjon av oksidanter og smog (s. 213) - farlige tungmetaller i form av damper. Dampene kondenserer i utløpsgassen som eller på fine parti­ kler. Kvikksølv anses som det alvorligste proble­ met - sot (uforbrent karbon) og en del aske. Aske blir tatt ut i bunnen av brenneren sammen med slagg. Farlige metaller og andre skadelige stoffer - som foreligger som partikler eller bundet til partikler kan bli delvis fjernet i et renseanlegg. Støvet fra dette anlegget er spesialavfall som må deponeres på en forsvarlig måte. PAH og dioksiner

Til partiklene i avgassen fester det seg også polysykliske aromatiske hydrokarboner, PAH. Enkelte

292

PAH-er er som nevnt kreftframkallende. Dioksiner som dannes i svært små mengder, er ekstremt giftige stoffer (s. 268). PAH og dioksiner dannes særlig ved dårlig forbrenning, dvs. ved underskudd på luft og lav temperatur. Ved tilstrekkelig høy temperatur (>1000 °C) blir disse stoffene brutt ned, men da blir det som kjent til gjengjeld dannet NOX. Ved fordamping under transport og oppbevaring av olje og gass, og ved ufullstendig forbrenning av fos­ sile brennstoffer, slipper organiske stoffer ut i lufta. Disse stoffene omtales som VOC (volatile organic compounds, se s. 212). Utslipp av karbonmonoksid, CO

Ufullstendig forbrenning gir utslipp av giftig COgass, se side 139. Utslippet reduseres ved å sørge for fullstendig forbrenning. CO i luft omdannes etter noen tid til CO2. Fordi bilene er den viktigste kilden til CO, er dette i første rekke et storbyproblem, særlig knyttet til sterkt trafikkerte gater. Gassen blir fjernet i bilkatalysatoren. Hvordan redusere utslippene av SO2 og NOX?

Svovel kan bli fjernet fra energiråstoffene kull, olje og gass. SO2 og NOX kan bli fjernet i forbrenningsprosessen eller fjernet fra avgassene. Avgassrensing ble omtalt på side 221. Fjerning av svovel fra kull En del svovel i kull er av organisk opprinnelse, dvs. det stammer fra planter som er blitt omdannet til kull. Men vanligvis foreligger det meste av svovelet som uorganisk svovel (40-80 %), som regel bun­ det til jern som pyritt, FeS2. Etter at en har knust det urene kullet til fine partikler, kan mineralkomene som inneholder jern, tas ut med magnet. Ved flotasjon blir finknust kull tilsatt en væske. Kullpartiklene synker til bunns, mens svovelholdige partikler fester seg til luftblærer som blir blåst inn i karet. Med luftblærene løftes de til overflaten og blir fjernet sammen med skummet som dannes.

Fjerning av svovel fra olje og gass Svovel kan fjernes fra olje ved å tilføre hydrogen i nærvær av kata­ lysator. Del dannes hydrogensulfid. Metoden gir god svovelfjeming for lette oljefraksjoner2, men kan ikke brukes for tungoljer. Naturgass inneholder vanligvis ikke svovel. Men i enkelte forekom­ ster inngår H2S, som imidlertid lett kan fjernes.

Fjerning av SO2 og NOX i forbrenningssonen Svoveldioksid, SO2, kan i renseanlegg bli fjernet ved å tilsette for 2 I destillasjonstårn blir oljen separert i flere fraksjoner. Frak­ sjonene som inneholder stoffer som koker relativt lett, blir kalt lette fraksjoner.

Kjemi, kapittel 8

eksempel CaO. De to stoffene reagerer til CaSO3, som i nærvær av oksygen omdannes til CaSO4 (s. 221). Denne reaksjonen kan vi få til å skje i forbrenningssonen og best i en virvelsjiktovn (fluidized bed). Dette er en type ovn der sand, tilført brennstoff (f.eks. kullpartikler) og tilsatt finknust CaO blir holdt svevende og virvles rundt i en kraftig luftstrøm hvor forbrenningen foregår. Uansett brennstoff gir disse ovnene en god svovelfjeming (opptil 90 %). Nitrogenoksider, NOX, kan bli dannet i forbrenningsreaksjonen, ved at N2 og O2 (som begge foreligger i luft) reagerer med hver­ andre. Dette skjer imidlertid i liten grad dersom temperaturen blir holdt under 1000 °C i brennsonen. Slike forhold kan vi oppnå ved forbrenning av olje og gass, ved å gi brenner og luftinntak en spesi­ ell utforming (lav-NOx-brennere). Fordi temperaturen i virvelsjiktovnen er relativt lav og tilnærmet den samme i hele brennsonen (850-950 °C), gir også disse ovnene lave NOx-utslipp. (Ved bren­ ning av kull, som inneholder nitrogen, er det vanskeligere å redu­ sere utslippene av NOX.) Utslippet av NOX kan også reduseres ved at forbrenningen skjer i to kamre. I det første kammeret er det underskudd på oksygen ved høy temperatur. Da vil alt oksygenet gå med til å danne CO og CO2. I et etterforbrenningskammer der temperaturen er for lav til at N2 vil reagere, blir det tilført mer oksygen slik at CO omdannes til CO2.

Kjernekraftverk Fisjon Kjernekraft dekker 16 % av elektrisitetsforbruket (men bare ca. 7 % av det kommersielle energiforbru­ ket) i verden. Det viktigste råstoffet er uran, men reserven er begrenset. Med det forbruket og de fisjonsreaktorene vi har i dag, vil den sannsynligvis vare i ca. 100 år. Naturlig forekommende uran inne­ holder bare 0,7 % U-235. Det er denne isotopen som nyttes som brensel i fisjonsreaktorene. Uranet inne­ holder i hovedsak U-238, en isotop som ikke er spaltbar, men som i såkalte formeringsreaktorer kan om­ dannes til et spaltbart materiale. Dersom denne typen reaktor kan tas i bruk, vil kjernebrensel dekke elektri­ sitetsforbruket i svært lang tid framover (regnes i 1000 år). Hva skjer i et fisjonskraftverk?

Enkelte atomkjerner, som U-235, blir spaltet, de fisjo­ nerer, når de tar opp ett nøytron. Det blir dannet to nye kjerner, se rammetekst neste side, og samtidig to til tre nøytroner. Hvilke nye kjerner som dannes, vari­ erer. Totalt dannes mange forskjellige kjerner, og van­ ligvis er de radioaktive, dvs. at de sender ut radioaktiv stråling. Samtidig blir det dannet svært store energi­ mengder. Fullstendig fisjon av 1 g U-235 gir like mye energi som 2000 tonn kull! Ved kjernereaksjoner avtar massen, dvs. at massen av produktene (de to kjernene og nøytronene) er mind-

Energi

293

Hva skjer ved fisjon? Når et nøytron trenger inn i en atomkjerne, kan det skje en spaltning - en fisjon - av denne kjernen. Ved fisjonen blir det dannet to nye kjerner og to eller tre nøytroner. I vanlige reaktorer blir U-235 brukt som brennstoff. En mulig fisjonsreaksjon er:

Hva skjer i en formeringsreaktor? I en formeringsreaktor blir U-238 nyttet som brensel: 238 g2U U 4+ q1 n H — —a> 239 92iUi

239Np 2» 239pu

2glU + on —» låSr + ^Xe + 29n + energi

Dannet plutonium (Pu) gir ved fisjon energi.

Ved reaksjonen blir det dannet radioaktive spaltningsprodukter, for eksempel Sr-90 og Xe-144.

+

O

+ energi

O

nøytron

U-235 kjerne

spaltningsprodukter

nøytroner

re enn massen av reaktantene (U-235-kjernen og det ene nøytronet). Tapet av masse (massedefekten, Am), blir omdannet til store mengder energi, E. Det skjer ifølge den kjente likningen E = m • c2, der massen m må erstattes av Am. og c er lysets hastighet. Dersom vi forutsetter at tre nøytroner blir dannet ved spalting av en U-235-kjerne, vil de tre nøytronene kunne spalte tre nye U-235-kjerner, se figur 8.11. Derved dannes ni nøytroner, som i sin tur kan spalte

Figur 8.11 Når et nøytron får en U-235-kjerne til å spaltes, dannes to nye kjerner og i dette tilfellet tre nøytroner. Disse kan teoretisk spalte tre nye U-235kjerner, som deretter kan føre til at ni U-235-kjerner spaltes, osv. Det oppstår en kjedereaksjon.

ni nye kjerner, osv. Vi får en kjedereaksjon. Reak­ sjonene skjer svært fort og gir en enorm energiutvik­ ling. Det er dette som skjer i en atombombe. I en atomreaktor finner den samme reaksjonen sted, men nå under kontrollerte forhold. For å oppnå jevn varmeproduksjon må hver spalting av en U-235-kjerne føre til en ny spalting. Overskudd av nøytroner må derfor fanges opp. Det skjer i kontrollstaver som føres inn mellom brenselsstavene (som inneholder U-235). Jo lenger kontrollstavene blir kjørt inn i reaktoren, desto flere nøytroner blir fanget opp; reaksjonen går langsommere. Varmen som utvikles ved spalting av U-235, blir vanligvis tatt opp av vann som omspyler brensels­ stavene. I en type reaktor (kokevannsreaktoren) blir vannet til damp, se figur 8.12. Dampen, som står under trykk, får en turbin til å rotere (på tilsvarende måte som strømmende vann får et vannhjul til å gå rundt). Turbinen er koblet til en generator som produ­ serer strøm. Dampen fra turbinen må avkjøles til fly­ tende fase før vannet føres tilbake til reaktoren. Bare en mindre del av energien som blir dannet i reaktoren, blir til elektrisitet (ca. 35 %). Resten av energien blir vanligvis tapt med kjølevannet. Kjøle­ vannet. som vanligvis tas fra en elv eller fra havet, blir oppvarmet og deretter ledet tilbake til vannforekoms­ ten. Der fører den til en temperaturøkning i vannet som kan resultere i at den biologiske balansen blir endret. Dette blir kalt termisk forurensning.

294

Damp----Kontroll- — staver Brensel- elementer Vann ----(kjølemedium)

Figur 8.12 Kokevannsreaktor

Spredning av radioaktive stoffer kan føre til kreft og skader på arveanleggene hos mennesker og dyr. Derfor er sikkerhetstiltakene ved kjernereaktorene omfattende. Reaktoren er innesluttet i en beholder, for eksempel en tykkvegget betongbeholder som er inn­ vendig foret med tykke stålplater. Ved uhell skal beholderen fange opp og holde tilbake eventuelle utslipp. Fordeler og ulemper ved kjernekraft

Fordeler De store utslippene av CO2 ved forbrenning av fossile brennstoffer anses som et av våre største miljøproble­ mer. Fisjon (kjemespalting) gir ingen utslipp av driv­ husgasser. Mange mener derfor at vi bør satse på denne formen for produksjon av elektrisitet. Det blir heller ikke dannet nevneverdig annen luft- eller vann­ forurensning ved normal drift. Utslippene av radioak­ tive stoffer til luft fra et kullkraftverk kan være høyere enn fra et normalt drevet kjernekraftverk. Det skyldes at kull kan inneholde små mengder radioaktive stof­ fer. Ulemper De største ulempene ved bruk av kjernekraft er:

høy kostnad fare for reaktoruhell problemer knyttet til lagring av radioaktivt avfall deponier ved urangruver og anlegg for oppkonsentrering av uran, som gir forurensning - økt fare for spredning av atomvåpen, sabotasje

-

Kjemi, kapittel 8

Høy kostnad Når atomkraft i dag er på vei ut i mange land, skyldes det i stor grad at prisen blir for høy. I USA er kjerne­ kraft ca. dobbelt så dyrt (rundt 70 øre per kWh) som kraft fra kullfyrte verk. Det skyldes strenge krav til sikkerhet, lang byggeperiode, problemer med driften osv. Kjernekraftverk har en levetid på 20-40 år. Deretter bør de rives, og materialer som er blitt radio­ aktive, tas forsvarlig hånd om. Det fører til store kost­ nader som tradisjonelt ikke er blitt innkalkulert i pri­ sen for kjernekraft. De høye kostnadene og usikkerheten som er knyt­ tet til kjernekraftverkene, har ført til at bankene i USA avslår lån til bygging av slike kraftverk, og forsik­ ringsselskapene er tilbakeholdne når det gjelder å for­ sikre anleggene. Fare for reaktoruhell Til tross for meget avanserte sikkerhetstiltak kan det skje uhell. Stor betydning for synet på kjernekraft fikk uhellet i Three Mile Island anlegget i USA (i 1979). Uventet hydrogenutvikling i anlegget hadde nær ført til en kraftig eksplosjon med spredning av radioaktivt materiale. Til alt hell lyktes det eksperter å redusere trykket før det utviklet seg til en katastrofe. Ulykken i Tsjernobyl i april 1986 økte mistroen til kjernekraft. Der førte menneskelig svikt til nedsmelting av en reaktorkjerne. Store mengder radioaktivt støv ble spredt over den nordlige delen av kloden. Flere områder i Norge mottok store mengder nedfall. I mange år etter utslippet ble det ikke ansett tilrådelig å spise fisk, villdyr eller sau som kom direkte fra de områdene som hadde fått mest nedfall. Rundt Tsjernobyl ble 135 000 mennesker evakuert. Til å begynne med fikk vi ingen informasjon fra Sovjetunionen om uhellet. Senere er det blitt oppgitt at 31 mennesker døde av akutte strålingsskader. Myndighetene i Ukraina anslår nå at 6000-8000 er døde av senskader i de nærmeste omgivelsene til an­ legget (innenfor en 30 km radius). Det totale antallet døde må regnes i titusener og representerer store lidel­ ser. I tillegg er store, fruktbare arealer så alvorlig foru­ renset at de ikke kan brukes til dyrking av mat. Det er ikke bare produksjon av atomkraft som fører til ulykker og død. Også uttak av kull i gruver og olje i Nordsjøen krever menneskeliv. Men uhell knyttet til atomenergi påvirker i særlig grad opinionen. Det skyl­ des dels at konsekvensene i slike tilfeller kan bli svært store, dels at tanken på kreft og ødeleggelse av arve­ anlegg er særlig skremmende.

295

Energi

Deponier ved urangruver gir forurensning Uran forekommer i fjellgrunnen i lave konsentrasjo­ ner. Det kan kanskje dreie seg om bare noen tidels gram per tonn. For å få tak i uranet må fjellet finknuses og uranet skilles fra. Følgelig blir det produsert store mengder verdiløs steinmasse, som blir lagt i hauger. Dette avfallet inneholder tungmetaller og noe radioak­ tivitet som med vann og vind kan bli spredt i naturen. Naturlig uran inneholder som nevnt bare 0,7 % U235. Det blir konsentrert i oppkonsentreringsanlegg (til ca. 3 % U-235) før det blir nyttet i brenselsstaver i kjernekraftverkene. Oppkonsentreringsanleggene gir avfall som inneholder radioaktivt uran.

Problemer knyttet til lagring av radioaktivt avfall Brukte brenselsstaver blir tatt ut av reaktoren. De inneholder da fortsatt noe U-235 og store mengder radioaktive spaltningsprodukter. Det inngår også en del av det meget farlige stoffet plutonium, Pu-239. Radioaktiviteten i plutonium avtar til det halve i løpet av 24 000 år, dvs. halveringstiden er 24 000 år. Stoffet blir betraktet som ufarlig etter 200 000 år [3]. Det radioaktive avfallet fra atomkraftverkene blir oppbevart midlertidig, til kjernene med kortest halve­ ringstid er blitt omdannet til mindre farlige kjerner. Deretter burde det blitt permanent lagret som høyaktivt avfall. Eller det kan bli sendt til et gjenvinningsanlegg. I anlegget blir plutonium tatt ut og lagret i påvente av å kunne utnyttes i formeringsreaktorer (se senere). Rester av U-235 blir skilt ut til bruk i nytt brensel. Det som er igjen, blir separert i lavt til middels aktivt avfall og høyaktivt avfall3. Denne framgangsmåten sparer ressurser og gir en liten mengde høyaktivt avfall. Gjenvinningsanleggene har utslipp av radioak­ tive stoffer til omgivelsene. Erfaringene så langt når det gjelder lagring av høy­ aktivt avfall, er langt fra bare gode. Ved flere atom­ kraftverk og anlegg for kjernefysiske våpen blir farlig avfall lagret uforsvarlig. I flere tilfeller har store mengder radioaktivt materiale lekket ut i grunnen eller havet. Selv USA har ikke akseptable anlegg for lag­ ring av høyaktivt avfall. I Norge frykter vi utslipp til Barentshavet fra utrangerte russiske atomubåter og andre kilder i Murmanskområdet. Det høyaktive avfallet kan smeltes inn i glass som oppbevares i beholdere av rustfritt stål. Disse kan videre innkapsles i for eksempel bly- eller titanbehol3 Som er sterkt radioaktivt og av den grunn meget farlig.

dere. Beholderne kan bli deponert dypt nede i ganger i grunnfjell, hvor de må lagres sikkert i titusener av år. Selv om slike tiltak blir iverksatt, vil mange hevde at stoffene likevel ikke er godt nok sikret.

Økt fare for spredning av atomvåpen Som nevnt blir det i atomkraftverkene dannet pluto­ nium (Pu-239) som kan brukes til å produsere atom­ bomber. Bygging av atomkraftverk fører til at stadig flere nasjoner produserer råstoffet som trengs for å lage slike bomber. Og drift av kraftverkene gir i til­ legg brukerne økte kunnskaper som kan komme til nytte når de skal lage atomvåpen. Krig og sabotasje kan føre til at atomkraftverk blir ødelagt (bombet i stykker), eller at plutonium blir stjå­ let og kommer på avveier. Formeringsreaktor I formeringsreaktoren er brenslet en blanding av plutonium og uran. Som nevnt er U-238 hovedkomponenten i naturlig uran. Denne kjernen er ikke spaltbar, men kan bli utnyttet indirekte i for­ meringsreaktoren. Dersom et nøytron har riktig energi, vil det bli tatt opp i en U-238-kjeme som omdannes til plutonium. Pu-239, se rammetekst. Dannet plutonium blir spaltet i formeringsreaktoren og avgir energi. Betegnelsen formering (eller breeder) henspiller på at det dannes mer plutonium enn det blir spaltet. Formeringsreaktoren utnytter energien i uranet langt bedre enn fisjonsreaktoren. (Vi får rundt 50 ganger mer energi ut av uranet.) Anleggene er kostbare, og det blir hevdet at miljø- og sikkerhets­ messig er det knyttet større risiko til disse anleggene enn til fisjons­ reaktorene. Store forskningsmidler er satt inn i utviklingen av denne typen reaktorer. Det første anlegget («Super Phenix») ble startet opp i Frankrike. Et nytt anlegg i Japan hadde en større ulykke ved teststart (i 1995). Store tekniske problemer og dårlig økonomi ved anlegget i Frankrike førte til at det ble stengt i 1998. Dette anses som et stort tilbakeslag for denne teknologien.

Framtidsutsikter

Det er i første rekke land i Asia (Kina, Taiwan og SørKorea) som fortsatt satser på atomkraft og har nye anlegg under bygging. I Vest-Europa er det bare Frankrike som bygger nye kjernekraftverk. Stor mot­ vilje i opinionen i mange land, i tillegg til høy pris på produsert kraft, gjør at framtidsutsiktene for atom­ kraftverk er mindre lyse. USA, som har vært ledende på atomkraft, er negativt innstilt til bygging av nye anlegg. Svenskene har ved folkeavstemning gått inn for at alle kjernkraftverkene deres (12 reaktorer) skal avvikles innen 2010.

296

Kjemi, kapittel 8

Hva skjer ved fusjon? Ved fusjon smelter lette atomkjerner sammen til tyngre kjerner. Et eksempel på en slik reaksjon er:

+

iH

-»

^He

+

Jn

+

energi

Her har deuterium (^H) reagert med tritium (,H) og dan­ net helium (^He) under avspaltning av et nøytron (Jn). Dette er en av reaksjonene som foregår på sola. Den gir meget store energimengder.

Fusjonsreaktor Med fusjon mener vi en sammensmelting av lette atomkjerner til tyngre kjerner. For eksempel kan en deuteriumkjeme (H-2) (se s. 15) bli smeltet sammen med en tritiumkjerne (H-3) og gi en heliiimkjerne (He-4) og ett nøytron (n). Det er slike reaksjoner som finner sted på sola, og de gir store energimengder. Ved tilstrekkelig høy temperatur foreligger atom­ kjernene frie, dvs. at de ikke er bundet til elektroner. Økt temperatur fører til at de får økt hastighet og der­ ved økt energi. For at to positivt ladede hydrogenkjer­ ner (H-2 og H-3) skal støte sammen - og overkomme den sterke frastøtningen mellom dem - må de gis svært stor energi. Temperaturen må opp i størrelsesor­ den 100 millioner °C. Allerede ved noen tusen grader fordamper alle metal­ ler og legeringer. Stoffene som skal reagere kan derfor ikke bringes til å reagere på vanlig måte i en beholder. En mulighet er å inneslutte reaktantene ved hjelp av kraftige magnetiske felter. Flere eksperimentreaktorer er blitt bygd. Men til tross for intens forskning i 40 år har det ennå ikke lyktes å produsere mer energi i forsøksanleggene enn de blir tilført. Det hersker fortsatt uvisshet om hvorvidt forskerne vil lykkes i å få til kontrollert fusjon. Dersom det skjer, kan vi produsere nesten ubegrenset med energi. Råstoffet (H-2) foreligger i svært store mengder og kan tas ut av havet. Derfor blir denne energiformen av mange regnet med blant de fornybare energikildene. Anleggene vil bli svært kostbare. Produktene fra reaksjonen er ikke radioaktive, men den svært energi­ rike nøytronstrålingen som oppstår, vil svekke metal­ liske materialer i reaktoren og gjøre dem radioaktive. Det ventes at materialer må skiftes ut med jevne mel­ lomrom (2-10 år [3]). Utskiftningene vil i så fall bli meget kostbare.

8.7 Fornybare ressurser Ressursene av fossile energibærere vil som nevnt vare i et begrenset tidsrom før de er uttømt. Dessuten er miljøkonsekvensene alvorlige i forbindelse med uttak og bruk. Betydelig usikkerhet er knyttet til drift av kjernekraftverk, og særlig til lagring av radioaktivt avfall. Andre energikilder må overta på lengre sikt. Over­ gangen bør skje gradvis slik at vi har styring med utviklingen. Det er ikke ønskelig at den blir fram­ tvunget av kriser som skyldes prishopp eller stans i leveranser. Følgende fornybare energikilder har et betydelig potensial:

-

solenergi biomasse vannkraft vindkraft geotermisk energi

Biomasse er en betinget fornybar ressurs (s. 287). Geotermisk energi kan betraktes som en ikke-fornybar ressurs.

Solenergi Store mengder solenergi strømmer inn mot kloden vår. En meget liten andel (1/21 000) vil være nok til å dekke menneskenes totale energiforbruk [15]. Denne energikilden bør vi satse på i framtiden. Solenergi kan utnyttes til å produsere varme eller elektrisitet. Vi vil skille mellom: -

passiv soloppvarming aktiv soloppvarming generering av elektrisitet i solceller generering av elektrisitet i solkraftverk

Passiv soloppvarming kan gi et viktig bidrag til oppvarming av boliger. Det innebærer at boligen plasseres riktig i terrenget og utformes slik at solenergien kan utnyttes til å gi mest mulig lys og varme i vinterhalvåret. Huset bør ha store vinduer mot syd. Massive gulv og vegger, av betong eller murstein, fungerer som varmelagre. Solvarmen som strømmer inn om dagen, lagres og avgis utover kvelden og natten. Gulvet kan være dekket av fliser. Taket eller annet framspring bør gå et stykke ut over vinduene. Om vinteren, når sola står lavt, vil solstrålingen nå inn i og varme opp rommene. Men om som-

Energi

297

Norsk solenergisystem gjør seg internasjonalt bemerket Det lille norske selskapet SolarNor AS produserer solenergisystemer som er et resultat av mer enn 15 års forskning og utvikling ved Universitetet i Oslo. Selskapet har i samarbeid med andre laget en solfanger i plast, som er utformet som et bygningselement som kan erstatte vanlig tak eller fasadekledning. Solfangeren har lav vekt, og koster litt mer enn tradisjonelt benyttede takmaterialer. Til gjengjeld kan det levere opptil 500 kWh/m2 per år under gode norske forhold. Prinsippet er at vann fra et varmelager sildrer gjennom et lag av keramiske partikler som er innelukket i solfan­ geren. Vannet opptar og transporterer varmen fra den absorberte solstrålingen. Det varme vannet blir levert til­ bake til varmelageret. Ved underskudd på sol kan vannet bli varmet opp ved bruk av andre energikilder - systemet er energifleksibelt. Fra varmelageret ledes vannet inn i rør i gulvene for oppvarming av rommene. Denne form for oppvarming bidrar til et godt inneklima og maksimal varmekomfort. Den originale solfangerløsningen er gjenstand for stor internasjonal oppmerksomhet. For SolarNor har det resultert i samarbeidsavtaler med store utenlandske sel­ skaper om produksjon og markedsføring. Merkost­ nadene ved installasjon av solfangere til mindre privatanlegg er vanligvis under 20 000 kroner som nedbetales i løpet av få år.

meren, når sola står høyt på himmelen, vil lite sol nå inn i boligen. Det bidrar til et behagelig inneklima og reduserer eventuelle utgifter til luftkjøling. Mange ste­ der i verden går det med mye elektrisk energi til å kjøle oppholdsrom. Bygninger bør være godt isolert, og det bør være få og små vinduer mot nord. Stort varmetap gjennom vinduene om kvelden og natten kan forhindres ved å dekke dem med for eksempel tykke forheng. En variant av det skisserte prinsippet er vist på figur 8.13. Det er blitt bygd såkalte «passive solhus» som nesten ikke bruker energi for oppvarming. Nødvendig varme kommer fra sollyset, utstyr i boli­ gen, belysningen og menneskene. I et hus av denne type i Canada var utgiftene til oppvarming bare 3 % av det som er vanlig for en gjennomsnittsbolig i USA ($ 40 per år kontra S 1400 per år). Og boligen var bare litt dyrere å bygge enn vanlige boliger. Aktiv solvarme krever en konstruksjon som kan fange opp solenergi.

Figur 8.13 Trombevegg. Sola varmer fra utsiden opp deler av veggen (som er av massivt materiale). Utover dagen trenger varmen stadig lenger inn i veggen. Sent på ettermiddagen og om kvelden vil veggen avgi oppmagasinert varme til rommet, mens utsiden gradvis vil avkjøles. Veggen gir en tidsforsinket varmegjennomgang

og vanligvis må det tilføres energi for å drive en pumpe. Den sørvendte delen av taket på et hus kan for eksempel bygges som en solfanger og erstatte taket, se rammetekst. Solfangeren legges da direkte på tak­ bjelkene og dekker to funksjoner; den er tak og ener­ gikilde på samme tid. Derved blir kostnaden lav. En enkel solfanger (eller et solpanel) er en kon­ struksjon som ofte blir plassert på taket og som kan fungere som vist på figur 8.14. Solenergien går gjen­ nom glasset og blir fanget opp i den sortmalte bunnen, der det ligger rør som det vanligvis strømmer vann gjennom. Vannet blir oppvarmet og varmen avgitt i et varmelager, som ofte er en stor vanntank. Varmen blir nyttet til varmtvann i husholdningen, men kan også nyttes til husoppvarming ved å lede varmtvannet gjen­ nom rør som er lagt inn i gulvene. Drar man til sørlige områder, legger man merke til at solpaneler er plassert på takene. I særlig grad er

Figur 8.14 Solpanel for varming av vann. Panelet kan fange opp 35-40 % av den totale solenergien

298

slike paneler vanlige på Kypros og i Israel (hvor hen­ holdsvis 90 % og 65 % av husstandene har solpane­ ler). I Egypt er det påbudt å installere slike paneler i nybygg. De er også i vanlig bruk i land som ligger lenger mot nord. I for eksempel Japan er det mer enn 4 millioner solpaneler. Panelene må holde mål når det gjelder kvalitet, slik at en for eksempel unngår lekkasjer. Det kan bety at kostnadene synes for høye i forhold til hva en får til­ bake. Det gjelder blant annet i USA, hvor panelene kunne gitt et viktig energibidrag. Økt etterspørsel fører til masseproduksjon av paneler og lavere priser. Ofte blir det bygd glassoverbygninger (drivhus) i til­ knytning til et bygg. Den ekstra solvarmen i glasshu­ set kan nyttes til oppvarming av den øvrige bygnings­ massen. Det ligger nær å anta at solenergi blir mindre inter­ essant jo lenger nord en kommer, men figur 8.15 anty­ der at en kan ha større nytte av soloppvarming i Tromsø enn i Oslo. Det kommer av at bygg i Tromsø har oppvarmingsbehov også i sommerhalvåret, når det er mye sollys det meste av døgnet.

Kjemi, kapittel 8

En må samtidig ta hensyn til innemiljøet. Siktemålet bør være tiltalende boliger som det er godt å bo i, og der sola bli utnyttet optimalt i kombinasjon med andre energikilder.

Figur 8.16 Fotoceller er laget av silisium [Si], som har fire elektroner i det ytterste skallet. Det ene laget er tilsatt litt fosfor [-F-], og det andre litt bor [B-]. Fra sjik­ tet med fosfor kan solenergien frigjøre elektroner som strømmer inn i den ytre lederen. Fra lederen går elek­ troner inn i sjiktet med bor, der det mangler elektroner. [3]

Generering av elektrisitet i solceller

Figur 8.15 Oppvarmingsbehov og tilgjengelig solstråling i Norge

I Norge bør vi i større grad dra nytte av heide passiv og aktiv solvarme. Solvarmesystemer og god isolasjon må kombineres med estetisk utforming av boligene.

I solcellene blir solenergi omformet direkte til elekt­ risk energi. De vanligste solcellene blir framstilt av rent krystallinsk silisium tilsatt svært små mengder andre grunnstoffer, se figur 8.16. Solceller blir benyttet i mange sammenhenger, til drift av fyrlykter, lysbøyer og værstasjoner, i ur og kalkula­ torer. Kystverket har så gode erfaringer med solceller at de har besluttet at alle fyrlykter som ikke kan knyt­ tes til ledningsnettet, skal forsynes med slike anlegg. I Norge har mange fritidshus (ca. 70 000) solcelle anlegg. Solcellens virkningsgrad er et uttrykk for hvor stor del av solenergien som blir omdannet til elektrisk energi. Den har økt sterkt i løpet av 1980-årene og er nå ca. 20 % for praktisk bruk. Den øvre grensen synes å være 29 % [16]. Det er pris og virkningsgrad som avgjør salget av solceller. Foreløpig er prisen for elektrisitet fra solcelleverk for høy for mange formål (to til fem ganger høyere enn prisen på kraft produsert på tradisjonelt vis [2]).

299

Energi

India, som har egen produksjon av solceller, har inngått avtale om store utbygginger som skal gi strøm til 50-72 øre/kWh. Før 2010 skal prisen være under 50 øre/kWh. Det største kraftverket basert på solceller er i drift i California (med en produksjonskapasitet på 5 000 kW elektrisitet [5]). Et planlagt anlegg i Nevada (på 100 000 kW) forventes å gi strøm til 35^-0 øre per kWh når det omsider står ferdig (om ca. 15 år) [16],

Økt virkningsgrad og masseproduksjon presser pri­ sene på solkraft nedover. Når den, trolig om kort tid, når samme nivå som kraft produsert fra fossile brenn­ stoffer, vil det innebære en revolusjon i elektrisitets­ forsyningen. Til spesielle formål, for eksempel å gi elektrisitet til gårdsbruk som ligger fjernt fra annen bebyggelse, har elektrisitetsverk i USA valgt å satse på solceller. Det blir ofte langt billigere enn å knytte dem til nettet. Solceller er av flere grunner et godt alternativ i utvik­ lingslandene, se side 317, hvor det de siste årene er blitt installert titusener av anlegg. Solceller blir lettere tatt i bruk når de fyller to funk­ sjoner, for eksempel solceller lagt inn i takstein. Eller de kan legges inn i taket for å gi dust overlys samtidig som de produserer strøm. Enkelte foretak ønsker å bruke dem i fasader for å gi bygget et aparte og futu­ ristisk utseende. De kan anlegges som støyskjermer eller tak over parkeringsplasser i varme strøk. Det fin­ nes utallige muligheter. Produksjon av solceller er allerede stor industri med omsetning på mange milliarder kroner per år. Salget av solceller har de siste årene økt sterkt (med 21 % i 1998). Generering av elektrisitet i solkraftverk Solenergi kan konsentreres ved hjelp av speil som føl­ ger solas bevegelse. Hensikten er å konsentrere ener­ gien mot en mindre flate. Det skjer i det såkalte speil­ trausystemet. Sollys blir i disse fokusert mot et oljefylt rør. se figur 8.17. Det gir meget høy tempera­ tur i oljen (ca. 400 0 C). Varmen blir nyttet til å omdanne vann til damp. Dampen driver en turbin som er forbundet med en generator som produserer elekt­ risk strøm. For å dekke etterspørselen etter strøm når det er lite sol, og ved ekstra store belastninger, blir damp også produsert ved å brenne naturgass. An­ legget blir drevet dels på solenergi og dels på natur­ gass (75 % solenergi og 25 % gass). Flere store anlegg av denne typen er bygd i California. I prosessen omdannes 22 % av energien i sollyset til elektrisitet. Ved begynnelsen av 1990-årene var kostnadene knyt­ tet til produksjon av elektrisk strøm ca. 50 øre per

Figur 8.17 I «speiltrausystemet» fokuseres solstrå­ lene mot et oljefylt rør. Varmen utnyttes til å drive en turbin som driver en generator som gir elektrisk strøm. Dette skjer til priser som er lavere enn prisen på elek­ trisk energi fra kjernekraftverk. Naturgass brukes til å drive turbinene når sola ikke skinner.

kWh [16J. Dette er billigere enn strøm fra kjernekraft­ verkene (ca. 70 øre per kWh), men dyrere enn strøm fra kullfyrte verk - forutsatt at miljøkostnadene ikke regnes med. (Et planlagt solkraftverk regner med å kunne levere strøm til ca. 45 øre/kWh.) Andre typer solkraftverk har et stort antall speil som kan dreies om to akser. De følger automatisk sola og fokuserer strålingen mot en beholder som kan pro­ dusere damp. Denne typen anlegg forventes å gi elek­ trisk strøm til en lavere pris enn speiltrausystemet [16]. Det er relativt små miljøproblemer knyttet til bruk av solenergi. Framstillingen av utstyr for aktiv sol­ oppvarming og solceller, i likhet med alt annet pro­ duksjonsutstyr, krever energi. Og det slippes ut foru­ rensning ved framstilling av solceller (forskjellige metallforbindelser, hydrogenfluorid og bortrifluorid [4]). Betydelige arealer blir båndlagt ved produksjon av elektrisitet fra solenergi. Men store anlegg kan bli plassert i for eksempel ørkenområder. Dette er sårbare økosystemer, men områdene blir i liten grad nyttet til andre formål. Mindre anlegg kan bli bygd inn i eller i tilknytning til bygninger.

Bioenergi Med biomasse mener vi plantemateriale som innehol­ der lagret solenergi bundet som kjemisk energi. I praksis tenker vi i første rekke på ved, avfall fra trær,

300

gjødsel og organisk avfall fra husholdninger, landbruk og industri. Biomasse gir ved brenning energi (bioenergi) og utslipp av CO2. Men bruk av biomasse bidrar ikke til drivhuseffekten. Enten treet blir hogd og brent i en ovn, eller treet råtner i skogen under tilgang på oksy­ gen, så dannes det i begge tilfeller samme mengde CO2. CO2-mengden som blir avgitt, vil senere gå med til å bygge opp en tilsvarende mengde nytt plantema­ teriale. Samlet gir biomasse et vesentlig bidrag til dekning av verdens energibehov (rundt 15 %). For milliarder av mennesker, anslagsvis halvdelen av jordas befolk­ ning, er trevirke og avfall fra husdyr den viktigste energikilden. For verden som helhet kan bidraget fra biomasse økes vesentlig. Totalt blir det ved foto­ syntesen bundet en energimengde som tilsvarer ca. ti ganger verdens samlede energiforbruk. Trevirke

Skogen er den viktigste kilden til biomasse. Brenning og snauhogst for å gi plass for jordbruk og beiter, og for stort uttak av brennved, skader skogen. Ofte er til­ veksten lavere enn uttaket. Men i Norge er det omvendt. Vi kan uten å skade skogen ta ut betydelig mer trevirke. Trevirke blir i hovedsak nyttet - i treforedlingsindustrien (tremasse, papir, cellu­ lose) - i sagbrukene - til energiformål (oppvarming, koking)

Hos oss er det treforedling og sagbruk som i hovedsak utnytter denne ressursen. I utviklingslandene derimot går det meste av ved og trekull til tilberedning av mat og til oppvarming (se s. 317). Noe ved blir også brent hos oss. Vedovner skal i Norge være utstyrt med etterforbrenningskammer eller katalysator. Disse ovnene utnytter energien langt bedre enn tradisjonelle ovner (ca. 80% mot 40-50 % tidligere), og de gir langt mindre forurens­ ning. Store bedrifter innenfor skogindustrien, med rike­ lig tilgang på avfallsvirke, benytter avfallet til produk­ sjon av varmt vann og elektrisitet til konkurransedyk­ tige priser. Men fortsatt blir mye avfall fra skogen (som kvist, bark og sagmugg) lagt i deponi og forårsa­ ker forurensning. Avfallet kan bli bearbeidet slik at det blir enklere å håndtere. Flis, bark, sagmugg og avfallsfraksjoner fra husholdningene blir i økende grad presset til briketter

Kjemi, kapittel 8

eller pelleter. Bioenergi i denne formen blir brent for å gi varme og/eller elektrisitet og kan også brennes i mindre ovner. Sverige er langt framme når det gjelder bioenergi. Det er et satsningsområde i EU og USA, og er i ferd med også å bli det hos oss. Energiformen gir i Norge rundt regnet 12 TWh, hovedsakelig som varme. Omdanning av biobrensel

Avfallet kan omdannes til faste, flytende eller gassformige produkter. På denne måten får vi fram produkter som er enklere å transportere, og som gir mindre foru­ rensning. Vi skiller mellom - fast biobrensel i form av trekull - flytende brensel i form av alkoholer - gass som i hovedsak består av metan Trekull blir framstilt ved at oppkuttet trevirke blir oppvarmet uten eller under sterkt begrenset tilgang på luft. I utviklingsland blir trekull mye brukt i byene fordi det er lett å transportere og gir relativt ren for­ brenning. Alkoholer blir vanligvis framstilt med sukker eller stivelsesholdige planter som råstoff (s. 148), i første rekke sukkerrør, sukkerroer eller overskudd av mais eller annet kom. En teknisk prosess som omdanner trevirke til etanol ved hjelp av enzymer, er blitt vide­ reutviklet slik at prisen på produktet (etanol) nå bare er en brøkdel av hva den var tidligere. Ytterligere for­ bedringer ventes å presse prisen nedover [3j. Etanol (som har høyt oktantall) er et velegnet drivstoff for biler og et viktig råstoff i industrien. En stor andel av bilparken i Brasil går på ren etanol. Mye bensin i USA er tilsatt etanol. Ved oppvarming av trevirke eller organisk avfall uten tilgang på luft (pyrolyse) dannes såkalt syntetisk naturgass. Gassen inneholder de brennbare komponentene CO. H2, CH4 og høyere hydrokarbo­ ner. Ny teknologi blir utprøvd for denne prosessen. Biogass (s. 266) blir dannet ved at bakterier bryter ned organisk stoff uten tilgang på oksygen. Det kan skje i biogassanlegg som utnytter avfall fra jordbruket (eller slam fra renseanlegg). Biogassen inneholder hovedsakelig metan og en god del karbondioksid (ofte 40-70 % CH4 ). Små og enkle biogassanlegg blir mye brukt i utvik­ lingsland (s. 317). I Danmark er det i de siste tiårene blitt forsket på dette området, og mange teknisk avanserte anlegg er satt i drift. Som en kuriositet vil vi her nevne gassgeneratorene som busser og andre biler ble utstyrt med under den siste verdenskrigen fordi vi manglet bensin. Disse ble tilført knott, dvs. ved oppkuttet i små stykker. Ved oppvarming i generatorene under liten tilgang på luft steg temperaturen til 1000 °C. Det ble dannet en gass som visstnok ikke var særlig rik på energi. Når bussen skulle opp de bratteste bakkene, hendte det at passasjerene måtte gå av og hjelpe til å skyve. På tilsvarende måte ble tidligere kull omdannet til gass i gass-

Energi

301

verk i byene for å gi såkalt bygass, som via rør ble transportert til forbrukerne. Av visse oljeholdige planter (som rabs, rybs og solsikker) blir det produsert biooljer som kan bli nyttet i dieselmotorer. En spesiell ørkenplante (Euphorbia lathyris) i Mexico gir et oljeholdig stoff som kan raffineres til flytende brensel.

Miljøkonsekvenser Brenning av biomasse gir som nevnt utslipp av CO2 som ikke bidrar til drivhuseffekten. Men i tillegg inne­ holder utslippet NOX, CO og farlige organiske stoffer som PAH. Anlegg for forbrenning av avfall har vært spesielt i søkelyset når det gjelder luftforurensning, og asken som dannes i anleggene, kan inneholde farlige metaller. Energiskog blir vanligvis tilført kunstgjødsel og plantevernmidler, som kan bli transportert til andre områder med vann og vind. Skog- og planteavfall som blir liggende på marka eller pløyd ned i åkeren, tilfører jorda næringsstoffer og humus. Dette er av spesiell verdi dersom jorda er av dårlig kvalitet. Brenning av avfallet for energipro­ duksjon kan av den grunn føre til redusert jordbruksog skogproduksjon. Dessuten er det fare for at det blir mer lønnsomt å anvende arealer for energivekster som gir drivstoff til betalingssterke bileiere, enn å dyrke mat til fattige som sulter.

Figur 8.18 Nyttbar vannkraft per 1. januar 1999. TWh per år. Kilde: NVE 1999.

Status og framtidsutsikter Sverige er blitt et foregangsland på biobrensel. For eksempel økte bruken av biopelleter til det tredobbelte i løpet av tre år (til 900 000 tonn i 1996). Også våre myndigheter ønsker å satse på bioenergi. Denne type brensel, i form av pelleter og briketter, er for tiden i ferd med å vinne innpass på det norske markedet, i første rekke for produksjon av varme. Som nevnt kan det også bli brukt til produksjon av elektrisitet.

Vannkraft I forhold til folketallet har Norge mye vannkraft. Den samlede økonomisk nyttbare vannkraftreserven er anslått til ca. 180 TWh. Under vanlige forhold produ­ serer vi ca. 113 TWh per år, se figur 8.18. Produk­ sjonen varierer noe fra år til år avhengig av tilgangen på vann. En del av det gjenstående potensialet er varig vernet (ca. 35 TWh i 1999). Når vi skal utnytte vannkraft, må vi vanligvis starte med å bygge en demning. Bak den samler vi opp regnog smeltevann fra sommerhalvåret. Dermed lagrer vi nok vann for vinterhalvåret da tilførselen av vann er minst og behovet for kraft er størst. For å sikre nok til-

Figur 8.19 Skisse av et vannkraftanlegg. StilIingsenergien som vannet har i magasinet, blir overført til energi i turbinene. I generatoren blir energien omformet til elektrisk energi. Om lag halvparten av energiforbruket i Norge kommer fra vannkraft.

gang på vann i tørre år har det blitt bygd store såkalte flerårsmagasiner. Demningene blir i vårt land vanlig­ vis bygd i høyfjellet, hvor store områder blir liggende under vann. Hvordan et vannkraftverk virker, framgår av figur 8.19. En norsk oppfinnelse fra 1994 har gjort det mulig å

302 bygge små vannkraftverk til en svært lav pris. Oppmagasinering av vann er i dette tilfellet ikke nød­ vendig. (Generatoren kan gå med varierende turtall og likevel holde stabil frekvens.) Utbygging av vannfall for elektrisitetsproduksjon i industrilandene kulminerte i første halvdel eller om­ kring midten av det 20. århundret. Mange av landene har fortsatt et stort utbyggingspotensial, men en videre utbygging er vanligvis sterkt kontroversiell og fører til konfrontasjon mellom verneinteresser og utbyggings­ interesser. De fleste gjenværende vannfall i industri­ landene vil muligens ikke bli utbygd. Mange småkraftverk ventes imidlertid å bli satt i drift. I utviklingslandene har utbyggingen vært stor i 1980-årene. Potensialet er fortsatt stort og nye pro­ sjekter vil bli fullført i årene som kommer (se s. 317). Miljøkonsekvenser Neddemming av fjellområder i Norge fører til konflikt med natur- og friluftsinteresser. I bassengene vil det

være stor forskjell mellom høyeste og laveste vann­ stand (opptil flere titalls meter). I denne overgangs­ sonen blir jordsmonnet vasket vekk. Overgangsonen blir som et sår i naturen hvor verken planter eller dyr finner livsgrunnlag. Fosser og elvestrekninger blir tørrlagt. På den andre siden gir produksjon av vannkraft ingen forurensning. Miljømessig er det et langt bedre alternativ enn bruk av fossile brennstoffer. Ved riktig landskapspleie kan sårene i naturen bli gjort minst mulig skjemmende. I elver blir det bygd terskler, og utbyggerne kan bli pålagt å sette ut fisk i elver og magasiner for å kompensere for reduserte oppvekst­ muligheter for fisk.

Kjemi, kapittel 8

TWh), og ved utbygging av små kraftverk. Det kan skje uten at det medfører større miljøproblemer. Samtidig bør vi satse massivt på å utnytte energien bedre (s. 310).

Vindkraft Vindmøller har vært brukt i århundrer til å pumpe vann og male kom. På det meste var det mer enn hund­ re tusen vindmøller i Europa, de fleste i Nederland og Danmark. Siden midten av det 20. århundret er det satset store forskningsmidler i Danmark og USA på utvikling av moderne vindturbiner som produserer elektrisitet med lang høyere virkningsgrad enn tidli­ gere. Danmark er blitt verdens største eksportør av vindturbiner. De eksporterer for flere milliarder kro­ ner per år. Vindturbiner er i dag gjennomprøvd og sikker tek­ nologi. For at anleggene skal lønne seg, må de settes opp på steder hvor det er mye vind: langs kyster, i åpne slettelandskap og i fjellpass. Under gode vind­ forhold produserer moderne vindmøller elektrisk energi til en pris som konkurrerer med kraft framstilt fra tradisjonelle energikilder. I de nyeste anleggene i Danmark var produksjonsprisen omkring 25 øre/kWh i 19974. Vindkraft er ny teknologi med potensial for

Nordisk kraftmarked. Framtidsutsikter.

Så godt som all elektrisitet i Fastlands-Norge blir framstilt fra vannkraft. Gjennom et overføringsnett er landsdelene bundet sammen og forbundet med Sverige og Danmark (og Tyskland). Vi er en del av et nordisk kraftmarked. I perioder med underskudd på kraft kjøper vi fra våre naboer, dels kraft produsert fra kull i Danmark eller atomkraft fra Sverige. Når vi har overskudd (mye vann i magasinene), eksporterer vi. I de siste årene har vårt forbruk av elektrisitet økt mer enn produksjonen. Vi har derfor måttet importere mer kraft enn vi eksporterer. Utviklingen tyder på at denne trenden vil fortsette. Vi har imidlertid muligheter for å øke produksjo­ nen ved å utvide og ruste opp gamle kraftverk (10-15

Figur 8.20 Forventet utvikling i produksjonspris for elektrisitet (el) framsstilt fra vindenergi i danske øre/kWh ifølge [2], Produksjonspris for elektrisitet fra et dansk kullfyrt verk var i 1991 ca. 30 øre/kWh.

4 Ifølge tidsskriftet Energi nr. 10 1997.

303

Energi

forbedringer. Det gjelder både turbinenes virkemåte og måten de blir produsert på. Vindkraft ligger an «til å bli den billigste måten å produsere elkraft på. og den mest miljøvennlige» [16, s. 42]. Mens prisen på vind­ kraft vil avta, se figur 8.20, vil prisen på kraft framstilt fra fossile brensler etter all sannsynlighet øke, dels på grunn av skjerpede miljøkrav til anleggene og dels som følge av nye miljøavgifter som skal dekke inn de samfunnsøkonomiske kostnadene som skyldes foru­ rensningen (s. 311). Når vinden ikke blåser At vinden er variabel, fører til problemer knyttet til bruk av vindenergi. Men hos oss er dette av mindre

betydning ettersom vindkraft (liksom solkraft) egner seg meget godt for samkjøring med vannkraft (se s. 305). Små eller mindre isolerte anlegg kan, når det er lite vind, samkjøres med en generator som produserer strøm fra diesel eller biogass. Denne type kombinerte anlegg er blitt utprøvd både i Norge og Danmark. Det kan muligens bli en ny eksportartikkel. Miljøkonsekvenser

En vindturbin i drift gir ingen luft- eller vannforurens­ ning, og energikilden vi tapper, er gratis. Anleggene krever dessuten små arealer. For eksempel kan områ­ dene mellom vindmøllene gjerne utnyttes til jord­ bruksproduksjon eller beite. Men vindmøllene gir noe støy, og TV- og radiomottaking kan bli forstyrret. Noen mennesker synes at vindmøller skjemmer landskapet (er en estetisk foru­ rensning). Undersøkelser i Danmark tyder ikke på at fugler kolliderer med propellbladene og skades. Ulempene en utbygging medfører, avhenger i stor utstrekning av plasseringen. Ved egnet plassering er ulempene små. Status og framtidsutsikter California har i stor grad satset på vindenergi. I et fjellpass (Altamont Pass) er det satt opp 7500 vind­ møller med samlet effekt 1400 MW [5]. Mange land går inn for en sterk økning i utnyttelsen av vindenergi i årene som kommer. (EU har planer om å installere 8000 MW innen år 2005.) Kina (som er storprodusent av små vindmøller) og India har store planer på dette området. (I India planlegger de å generere 5000 MW innen år 2000.) Danmark har flere vindmølleparker og mange enkeltstående vindmøller (som ofte er eid av bønder). Danskene får nå mer enn 8 % av den elektriske ener­

gien fra vindmøller, og sikter mot å kunne levere halv­ delen av det danske elektrisitetsforbruket fra disse. Det skal dels skje ved å sette opp vindmøller på dypt vann (20 m dyp) utenfor kysten. Disse møllene gir høyere produksjon på grunn av bedre vindforhold (et anslag angir 50 % høyere produksjon). Norge har spesielt gode forhold for vindkraft. Eangs det meste av vår lange kyst er vindstyrken rela­ tivt stabil og høy. Derfor vil våre vindmøller trolig kunne produsere betydelig mer energi enn tilsvarende møller i Danmark (25-30 % mer). Store områder er dessuten nesten folketomme. Foreløpig har vi knapt et par titalls vindmøller i Norge. De sist bygde inngår i en vindmøllepark på Eindesnes. Men interessen for å sette opp nye vindturbiner er stor. Kværner har under utvikling en tobladet vindmølle som vil kunne gi svært lav produksjons­ pris (20 øre per KWh). Potensialet for vindkraft utgjør ifølge en undersøkelse5 to tredeler av produsert vann­ kraft (75 TWh). Det foreligger planer for installasjon av vindkraft i Norge som vil gi 2 TWh/år.

Bølgekraft Bølgekraft vil sannsynligvis bare kunne gi et mindre bidrag til den totale energiforsyningen i verden. Men for kyststater som Norge ligger forholdene til rette for å høste av denne ressursen. Vi har brukt betydelige forskningsmidler på dette feltet. Så langt har det resul­ tert i at to forsøksanlegg er blitt bygd i nærheten av Bergen. De to anleggene bygger på forskjellige prin­ sipper. Det ene anlegget, kilerenneanlegget, se figur 8.21, har en nøye utformet bølgefanger som konsentrerer bølgen. Bølgen går opp i en renne som er bredest nederst, bryter over den øvre kanten og fanges opp i et basseng. Den potensielle energien vannet har i bas­ senget blir utnyttet i et vanlig vannkraftverk (se s. 301). Anlegget er nå delvis ødelagt. Det andre anleg­ get (etter prinsippet «svingende vannsøyle») ble ikke festet godt nok til fjellet og totalhavarerte. Begge anleggene er i 1999 ute av drift. Status og framtidsutsikter Med dagens energipriser er det ikke lønnsomt å bygge de nevnte bølgekraftverkene i Norge. Forholdene lig­ ger bedre til rette i områder der bølgeforholdene er mer stabile, og der elektrisitet i dag blir produsert ved 5 Utført av universitetet i Utrecht i Nederland.

304

Kjemi, kapittel 8

30 °C per km). Det skyldes at det blir produsert energi i jordas indre, såkalt geotermisk energi, som i hovedsak blir dannet ved spalting av radioaktive kjerner. Det regnes som en fornybar energi­ kilde fordi «forekomsten» er svært stor, og så godt som upåvirket av menneskelige inngrep. Men lokalt kan den tappes slik at mulig­ heten for langvarige uttak reduseres. Energien blir tatt ut i form av varmt vann, slik det skjer på Island, hvor de fleste bygninger blir oppvarmet med vann fra varme kilder. Eller energien blir brukt til produksjon av elektrisitet. Kraftproduksjonen fra geotermisk energi er økende (og var i 1996 på vel 7000 MW), og finner sted blant annet på Island og i USA, Filippinene, Mexico og Italia. Forurensningsproblemer er knyttet til stoffer som følger med det varme vannet eller damper.

Lagring av sol-, vind- og bølgeenergi Det byr på problemer å utnytte solenergi. Innstråling

Figur 8.21 Kilerenneanlegg. Til venstre på figuren ser vi en havbølge på vei opp i renna i et kilerenneanlegg. Sjøvannet renner over kanten av renna og inn i et bas­ seng (et reservoar). Reservoarnivået blir høyere enn sjønivået. Når vannet renner tilbake til havet, får det en turbin (vist som en propell på figuren) til å rotere. Turbinen driver en generator som produserer strøm.

hjelp av dieselaggregater6. Slike forhold finner vi for eksempel i små øysamfunn i Stillehavet. Det skal byg­ ges et kilerenneanlegg på Java (på 1,1 MW). Ett nytt dansk bølgekraftverk, «bølgehøvelen», vir­ ker lovende. Anlegget har ingen bevegelige deler som kan bli slått i stykker av bølgekreftene. Og sammen­ liknet med andre bølgeenergiaggregater tar det dob­ belt så mye energi ut av bølgene (energiutnyttelse 60 %). Bølgehøvelen vil sannsynligvis være i salg før denne boka går i trykken, og ventes å gi energi til pri­ ser som er konkurransedyktige. Et annet konsept går ut på å feste turbiner under vann i trange sund med sterke tidevannstrømmer. Turbinene er både usynlige og lydløse og anleggene gir ingen skjemmende inngrep i naturen. Et demonstrasjonsanlegg skal bygges utenfor Hammerfest (i Kvalsundet).

per arealenhet er lav, og den varierer over døgnet og året og er avhengig av værforholdene. Vanligvis er det dårlig samsvar mellom produksjon og forbruk. Vi får minst energi om kvelden og vinteren når behovet er størst. Også vind- og bølgeenergi varierer med tiden. Større solcelleanlegg tilknyttet bygg kan kobles til strømnettet. Når cellene produserer overskudd av strøm, går overskuddet via et telleverk ut på nettet. Når det er underskudd, kjøper byggeieren fra nettet. Finansieringen kan for eksempel ordnes på den måten at elektrisitetsverket installerer og eier anlegget. Huseieren betaler bare differansen mellom innkjøpt og levert strøm. Det er ofte behov for lagring av solvarme. Et inter­ essant eksempel på dette i stor skala blir prøvd ut i Kungålv i Sverige, se figur 8.22. Vann som blir var­ met opp av sola om sommeren, blir lagret i store fjellhaller til bruk om vinteren. Økonomien i foretaket skal være bra [11], og vil bli bedre ved økende priser på konvensjonell energi. Overskudd av elektrisk energi fra solceller, bølge­ kraftverk og vindmøller blir i enkelte land brukt til for eksempel å pumpe vann opp i et høyereliggende bas-

Geotermisk energi Temperaturen øker nedover i jorda (i gjennomsnitt med ca. 156 I et slikt anlegg blir generatoren (dynamoen) som gir elektrisk energi, drevet av en dieselmotor.

Figur 8.22 Kungålvs sesonglagringsanlegg er planlagt å skulle dekke 75 % av stedets oppvarmingsbehov. [11]

Energi

305

seng. Ved å Ia vannet gå den motsatte veien kan energi bli produsert etter behov på samme måte som i et vannkraftverk (s. 301). De nye energiformene egner seg utmerket til sam­ kjøring med vannkraft. Når vi har mye sol, sterk vind eller store bølger er det enkelt å redusere uttaket av vannkraft. Derved sparer vi vann i reservoarene som fungerer som energilagre. Det lagrede vannet tapper vi når de andre kildene gir lite produksjon. En annen mulighet er å bruke overskudd av elekt­ risk kraft til å produsere hydrogen, for eksempel ved elektrolyse av vann. Hydrogen fungerer som en form for lagret energi, som kan benyttes i mange sammen­ henger (se s. 306).

Statlig støtte til miljøvennlig teknologi For å utvikle fornybar energi trengs det forsknings- og utviklingsmidler. I Norge ble det i 1997 bevilget 150 millioner kroner til dette formålet mot 1,4 milliarder i Sverige. De nye anleggene eller enhetene for alternativ energiproduksjon vil til å begynne med vanligvis bli solgt i lite antall og følgelig til høy pris. Stort salg gir muligheter for masseproduksjon og lavere priser. For å få opp salget må alle subsidier knyttet til utvinning av fossile brennstoffer fjernes. Og prisen på disse for­ mene for energi må økes ved å innføre miljøavgifter, se figur 8.23. Staten kan dessuten bidra ved å gi skat­ tefordeler og tilskudd ved innkjøp av ny teknologi og/eller sørge for sikker avsetning av den produserte elektrisiteten - til gunstig pris. Dette må skje over noen år for å skape et marked. På lengre sikt kan sam­ funnet tjene på dette. Landet blir mer selvforsynt, det blir skapt ny virksomhet og framtidsrettede arbeids­ plasser, og forurensningen avtar. En vesentlig årsak til at vindturbinproduksjonen er

Energikilde

Tillegg i øre/kWh

Kull

10-100

Olje

12-75

Avfall

20-35

Naturgass

6-35

Kjernekraft

15-110

Sol

0-5

Vind

0-2

Bio

0-6

Figur 8.23 Forslag til miljøkostnader for ulike energi­ kilder. [16]

blitt en formidabel suksess i Danmark, må tilskrives den danske stats medvirkning og støtte.

Framtidens energibehov Det er vanskelig å spå om framtidens energibehov. Det vil blant annet avhenge av den økonomiske, sosi­ ale og miljømessige utviklingen. Energiselskapet Shell anslår at fornybare energikilder vil utgjøre rundt halvdelen av behovet i 2060. World Energy Council (VFEC) forventer ifølge en rapport (fra 1993) en mode­ rat økning i bruken av nye fornybare energikilder fram mot år 2020 (til 12 % av energiforbruket ifølge den mest optimistiske prognosen, det økologiske scenariet [ 15]). Danmark inntar en offensiv innstilling. I løpet av tjue år (fra 1972 til 1992) har det totale energiforbru­ ket holdt seg omtrent konstant, og andelen av forny­ bar energi har økt betraktelig (fra 2 til 8 %). Ifølge regjeringens energipolitiske plan «Energi 2000 - en handlingsplan for en bæredygtig udvikling» (vedtatt i 1990) blir det regnet med et betydelig fall i Danmarks samlede energiforbruk og sterk satsning på fornybar energi [2]. (Det blir regnet med 30 % reduksjon i ener­ giforbruket innen 2030 i det mest økonomiske scena­ riet. Dette scenariet er blant annet basert på en forven­ tet reduksjon i folketallet.) En analyse av Vest-Europas muligheter for å spare elektrisk energi konkluderer med at det er teknisk og økonomisk mulig i løpet av noen tiår å oppnå en mate­ riell levestandard i landene i dette området som er høyere enn den danske, med et elektrisitetsforbruk som er ca. halvdelen av dagens forbruk. Det kan skje ved at det tas i bruk elektrisitetssparende teknologi på alle sektorer. Som et eksempel på hva som er mulig, kan vi nevne resultatet av en langsiktig energiplan som er utarbeidet på Bornholm. Ifølge beregninger vil øya kunne være så godt som selvforsynt med energi til oppvarming og elektrisitetsforbruk innen år 2010 ved å utnytte lokale ressurser som avfallshalm, trevirke, biogass, sol og vind. Blant politikere generelt synes det nå å være er gryende vilje til å ville prioritere fornybar energi. Men i praksis prioriterer de tradi­ sjonelle energiformer. Det framgår blant annet av hvordan de fordeler midler til/orskning og wtvikling (FOU). Av slike midler har regjeringene tradisjo­ nelt brukt langt mer på kjernekraft og kull enn for eksempel på sol­ energi (henholdsvis 15 og 3,5 ganger så mye i 1991). Med våre høye oljeinntekter burde vi i større grad prioritere FOU på fornybar

306

Kjemi, kapittel 8

energi. Det vil kunne sette oss i stand til å spille en rolle på energi­ sektoren også etter at oljen og gassen er uttømt.

samtidig. Energimangfoldet vil dessuten bidra til å gjøre energiforsyningen mindre sårbar.

Framtidens energiforsyning

Blir hydrogen framtidens energibærer?

De fossile brennstoffenes epoke går mot slutten. Fornybare energikilder som sol. vind, biomasse og geotermisk energi må ta over. I en overgangsperiode kan naturgass dekke en større del av energibehovet. Utviklingen i de siste årene har gått i retning av at gass i økende grad har tatt over for olje og kull. Ved brenning av naturgass er utslippene av CO2 per produsert energienhet rundt halvparten sammenliknet med kull. Og annen foru­ rensning er liten. I avgassen inngår ikke SO2, tungme­ taller og partikler (se figur 8.24), og i moderne gass­ brennere er også utslippene av NOX relativt lave. I motsetning til kull og olje gir gass ingen restprodukter som må tas hånd om.

Figur 8.24 Utslipp ved forbrenning av fossile brensler. Relative andeler i forhold til kull. Kilde: Hedmark energi AS.

I Norge vil en stor del av energien fortsatt komme fra vannkraft. Solenergi og biomasse vil kunne gi vesent­ lige bidrag, og potensialet for vind- og bølgekraft er stort. Mange er opptatt av at en enkelt type fornybar energi (f.eks. vindenergi) bare kan dekke en mindre del av energibehovet, og er dermed generelt negative til å ta i bruk denne formen for energi. Men å satse på fornybar energi innebærer å utnytte flere muligheter

Hydrogen kan erstatte fossile brennstoffer på så godt som alle områder. Det kan brennes i kraftverk og drive motorer i biler, skip og fly. Ved forbrenning av hydrogen dannes ikke CO2 og annen forurensning, bare vann og litt NOX. Dette er grunnen til at mange forventer at hydrogen blir framtidens energibærer. Gassen kan benyttes i brenselceller. Disse likner batterier, men stoffene som skal reagere, blir tilført kontinuerlig (s. 133). Hydrogen kan bli tilført sammen med oksygen. Gassene reagerer med hverandre til vann på en slik måte at størstedelen av den kjemiske energien i hydrogenet blir omdannet direkte til elektri­ sitet. Brenselcellene har med andre ord høy virknings­ grad. Og det blir ikke dannet CO2, NOX eller annen forurensning. Framtidens forurensningsfrie biler kan tenkes å bli drevet av en elektromotor som får strøm fra en brenselcelle. I stedet for hydrogen kan andre gasser, som metan, bli brukt som brennstoff i brenselceller (men da dannes CO2). Forskning for å utvikle bedre celler foregår for fullt. Hydrogen kan blant annet b\i framstilt ved elektro­ lyse av vann (2 H2O + elektrisk energi —» 2 H2 + O2). Elektrolysen krever store mengder elektrisk energi, som kan bli framstilt ved - å brenne fossile brennstoffer. Men i så fall er lite vunnet. Da unngår vi ikke utslipp av CO2 og annen forurensning - å omforme solenergi. Dette gir så godt som ingen forurensning, og energikilden er fornybar. Gassen kan transporteres i rør. For eksempel kan gassrørene som i dag bringer naturgass fra Nord-Afrika til Europa, tenkes ombygd for å transportere hydro­ gen fra solrike Sahara. Mange forventer at framti­ dens energisystem vil bli basert på en såkalt solhydrogen-økonomi

Gassen kan bli lagret som komprimert gass, flytende gass (ved -253 °C) eller gass bundet til metaller som hydrider (metall-hydrogen-forbindelser). Hydrogen­ gassen kan danne eksplosive blandinger sammen med luft. Sikkerhetsproblemetet ved bruk for eksempel i biler anses ikke større enn ved bruk av andre drivstof­ fer [5]. Å binde gassen som hydrid er det sikreste alternativet. Hydrogen blir brukt som rakettdrivstoff, og er blitt

307

Energi

testet ut som drivstoff i fly. Mange store bilprodusen­ ter har hydrogendrevne biler som har rullet på veiene i flere år. Kombinasjonen av hydrogen og brenselcelle anses som spesielt lovende. I tillegg til at det ikke dan­ nes forurensning, er virkningsgraden nesten dobbelt så høy som i dagens bilmotorer.

8.8 Omforming av energi Varmekraftverk Energi bundet i fossile brennstoffer har vi først glede av når den er omformet til energi som er nyttig for oss. Det kan skje i et varmekraftverk, se figur 8.25. Her blir kull, olje, gass eller biomasse brent i et spesielt

Miljøvennlig gassmotor Ulstein Bergen A/S har utviklet en gasmotor som har høy virkningsgrad og gir liten forurensning. Sammenliknet med vanlig dieseldrift er utslippene av CO2 lavere, utslip­ pet av NOX bare en liten brøkdel og motoren har ikke utslipp av SO2 og partikler. Den har et stort marked - for produksjon av strøm og varme. Motoren kan bli kjørt på alle tilgjengelige gasstyper, inkludert biogass fra avfallsfyllinger og fra metan­ gass dannet i anlegg for stabilisering av kloakkslam. Salget utgjør flere hundre millioner kroner per år og står for en betydelig andel av sysselsettingen (i 1995).

Figur 8.25 Varmekraftverk (dampkraftverk)

brennkammer (fyrkjel) ved tilførsel av luft. Når den varme avgassen blir ledet forbi et stort antall rør med vann, går vannet over til damp. Dampen, som står under trykk, driver en turbin, som igjen driver en generator som produserer strøm. I varmekraftverkene finner vi mange av de samme komponentene som inn­ går i et atomkraftverk. I den typen kraftverk som er skissert på figur 8.25, blir bare rundt 40 % av energien i brennstoffet til elekt­ risk energi, dvs. at virkningsgraden er 40 %. Det meste av energien blir tapt i form av varme som for­ svinner med kjølevannet. Andre typer anlegg kan gi noe lavere eller noe høyere virkningsgrad (fra 30 til mer enn 50 %). Elektrisk energi blir de fleste steder i verden fram­ stilt i varmekraftverk. Store, tradisjonelle kraftverk er de siste tiårene i økende grad blitt erstattet av gassturbinanlegg, som vanligvis bygges som mellomstore eller små anlegg (desentralisert produksjon). [19]

Kraftvarmeverk

Gassmotor som blir benyttet i kraftstasjonen på avfallsdeponiet i Bergen.

I et varmekraftverk utnytter vi vanligvis bare 30-50 % av energien, se figur 8.26a. Dersom vi hever tempera­ turen på kjølevannet (fra 20-30 °C til 80-100 °C), kan det brukes til oppvarming i boliger og industri. En høyere temperatur på kjølevannet fører imidlertid til lavere produksjon av elektrisitet, se figur 8.26b. Men den totale virkningsgraden blir høy (80 % og mer). Det forutsetter at anlegget kan utnytte varmen direkte eller er knyttet til et fjernvarmenett, dvs. et rørsystem som kan transportere varmtvannet til brukere som kan utnytte varmen (s. 311). Verk som både leverer elek­ trisk kraft og varme, blir kalt et kraftvarmeverk.

308

Kjemi, kapittel 8

Varmepumpe Virkemåte

Figur 8.26 Varmekraftverk (a) og kraftvarmeverk (b)

En varmepumpe tar varme fra omgivelsene ved lav temperatur (fra sjø, luft eller jord) og avgir den som varme ved høyere temperatur. For å få til dette må vi tilføre elektrisk energi. 1 kWh elektrisk energi som blir brukt i en panelovn, gir 1 kWh varme. Den samme mengden elektrisitet kan i en varmepumpe gi 3-4 kWh varme. Varmepumpa fungerer tilsvarende et kjøleskap. I kjøleskapet blir varme tatt fra det indre av skapet (inkludert matvarene) og levert til omgivelsene (lufta i kjøkkenet. Kjøleskapet bidrar til at det blir varmere på kjøkkenet). Tilsvarende kan en varmepumpe ta energi fra et rom og avgi den til omgivelsene (f.eks. utelufta eller sjøvann i nærheten). I så fall avkjøler varme­ pumpa rommet. Den virker da som et luftkjølingsanlegg (airconditionanlegg). Men i vårt klima er det større behov for å varme opp rommet. Det kan skje ved at varmepumpa tar varme fra omgivelsene og tilfører den til rommet. (Den virker da motsatt av kjøleskapet.) Virkemåten i dette tilfellet framgår av figur 8.27a. Husk at en væske fordamper ved lavere temperatur når trykket senkes. (Du kan for eksempel få vann til å

Varmepumpe - energisparepotensial Sparing Dersom motoren i figur 8.27a blir tilført 100 kW i en time (energiforbruk 100 kWh) vil varmepumpa kunne trekke 200 kWh fra luft eller vann. Det vil gi 300 kWh varme for oppvarming. Energigevinst: 200 kWh.

Potensial Til oppvarming av bygninger, varmt tappevann og til industrielle prosesser (ved relativt lav temperatur) for­ brukes 60 TWh/år, det meste av dette i form av elektrisi­ tet. Det samfunnsøkonomiske varmepumpepotensialet i Norge er beregnet til 25 TWh. Ofte lønner det seg å investere i varmepumper. Boligvarmepumper har tilbakebetalingstid på 5-8 år, varmepumper i større bygg 3-4 år og industrielle anlegg 1-3 år. Anleggene har høy driftssikkerhet. Etter som de blir stadig billigere og mer effektive, vil lønnsomheten og potensialet øke.

Forurensning Innføring av varmepumper fører til reduksjon i CO2utslippene, gir mindre sur nedbør og reduserer foru­ rensningen fra forbrenning i tettbygde strøk. Ti TWh av de ca. 12 TWh olje som blir brukt til boligoppvarming, vil kunne dekkes av varmepumper. Det vil kunne medføre

Varmepumper forsyner store deler av Ålesund sentrum med fjernvarme. Varmepumpeanlegget i Ålesund var

det første fjernvarmeanlegget i Norge som henter varme fra sjøvann. Foto: SAMFOTO

en reduksjon i Norges CO2-utslipp på ca. 10 % - refe­ rert til utslippene i 1996. Kilde: Teknisk Ukeblad nr. 4 1998 og nr. 8 og 19 1997

309

Energi

Varmefaktor = (varmeenergi ut)/(elektrisk energi tilført)

Elektrisk motor Høyt trykk

Lavt trykk

Kompressor

60°C

10°C Fordamper Kondensator

5’C

80°C

Strupeventil

i

i Fra lavtemperaturvarmekilde

Til/fra fjernvarmenett

Figur 8.27a Skjematisk oppbygning av en varme­ pumpe. I kammeret til venstre fordamper væsken som går i den sluttede kretsen, og fordampningsvarme blir tatt opp fra omgivelsene. I kammeret til høyre blir gas­ sen til væske, og kondensasjonsvarme blir avgitt til vannet i fjernvarmerørene.

koke ved værelsestemperatur ved å gjøre trykket lavt nok. Prøv for eksempel å suge luft ut av en lukket kolbe med litt vann i bunnen - ved hjelp av en vannstrålepumpe.) I fordamperen er trykket så lavt at væsken, som inngår i en sluttet krets, koker ved temperatur rundt 0 °C. Varmen som skal til for å fordampe væsken (fordampningsvarmen), blir tatt fra for eksempel sjøvann (en lavtemperaturkilde). I kompressoren blir gassen sterkt komprimert og oppvarmet. Det økte trykket svarer til økt kokepunkt (eller kondensasjonspunkt) for gassen. Gassen blir til væske, kondenserer, og avgir kondensasjonsvarme' i kondensatoren. Denne varmen blir tatt opp av vann i et rørsystem og ført til radiatorer eller rør innlagt i gulvene i bygget. Eller den ledes ut på et fjernvarmenett. Væsken i den sluttede kretsen går fra kondensato­ ren til en trykkreduksjonsventil. På samme måte som væsken i en sprayboks fordamper når den passerer ventilen, vil væsken i kjølekretsen fordampe når tryk­ ket reduseres i fordamperen. Væsken det er tale om, var tidligere KFK. I nye anlegg benyttes klorfrie HFK-er (og dels karbondioksid eller ammoniakk. Propan kan også bli benyttet).

Dersom for eksempel en varmepumpe gir 3 kWh varme når vi tilfører 1 kWh elektrisk energi, er varmefaktoren 3. Utbyttet av varmepumpa, eller varmefaktoren, avtar med avtakende temperatur på lavtemperaturkilden, se figur 8.27b. Uteluft er en egnet varmekilde på kysten av Vestlandet, men varmefaktoren er lav på Østlandet når temperaturen i lufta kryper under -15 °C. Høy varmefaktor oppnås ved å ta varme fra lufta som ventileres ut av bygg. Også kloakkvann blir benyttet som varmekilde. Selv midtvinters har sjøvann en temperatur i dyplagene på 5-10 °C, og utgjør følgelig en verdifull lavtemperaturkilde. Fordi mange mennesker i vårt land bor ved kysten, har vi gunstige muligheter for utbygging av varmepumper. Potensial Svært mange bygg i vårt land blir varmet opp med elektrisitet. Det er sløsing med høyverdig energi. Det er store muligheter for å spare både penger og energi ved å ta i bruk flere varmepumper. 30 TWh av oppvarmingsbehovet i norske bygg blir dekket av elektri­ sitet. «Dersom 25 TWh erstattes av varmepumper, vil man frigjøre ca. 17,5 TWh elektrisitet» [23, s. 18] som vil kunne bli levert til nettet.

Varmefaktor

Forholdet mellom den varmen vi kan ta ut av systemet (i kWh), og den energien vi tilfører elektromotoren, kalles varmefaktoren'. 7 = fordampningsvarmen.

Figur 8.27b Varmefaktor som en funksjon av fordampningstemperatur, henholdsvis med en kondensasjonstemperatur på 60 °C eller 75 °C.

310

Kjemi, kapittel 8

Flere store varmepumpeanlegg er bygd i Norge. Anleggene kan bygges som kombinerte varme- og kjøleanlegg. De egner seg godt for varmeforsyning til boligfelter, men blir også i økende grad tatt i bruk for eneboliger. I mange land har varmepumper fått stor utbredelse (med mer enn 300 000 anlegg i Sverige). De fleste anlegg er beregnet på privatboliger. I Norge har vi foreløpig ca. 22 000 varmepumpeanlegg (som gir 4,5 TWh). Anleggene som selges i dag, er av god kvalitet og meget driftssikre. Investering i varmepumper i større bygninger og industrielle anlegg er svært lønn­ somt (inntjeningstiden er 1-4 år), og det er også lønn­ somt i privatboliger. Etter hvert som flere mennesker blir oppmerksomme på sparepotensialet, vil antall installerte anlegg øke. Økte priser på elektrisitet vil dra i samme retning.

Redusert energiforbruk vil for de fleste lands ved­ kommende bety redusert import av energi, mindre avhengighet av andre land og bedre handelsbalanse. Få land har så høyt energiforbruk som Norge, se figur 8.28. Og vi ligger på topp når det gjelder elektri7 Island

Canada USA

Finland •

x HollancK Australia# x «Belgia z New Zealand • . Danmark z •» • Sveits z a • z England • Japan

Polen •

z

1

Kina

India

Et stort potensial 1 tillegg til å ta i bruk fornybare energikilder, må vi utnytte energien bedre. Det vil si å utnytte energien på en økonomisk mest mulig effektiv måte, eller med ett ord: energiøkonomisering, enøk. Energiøkonomisering innebærer å spare energi (f.eks. ved å senke innetem­ peraturen) og utnytte energi mer effektivt (f.eks. ved å redusere en motors energiforbruk).

z

• Hellas • Portugal

• Spania

z ''•Tyrkia z (iiii

0

5 000

10 000

15 000

20 000

25 000

BNP US $ per innbygger Figur 8.28 Energiforbruket i Norge per person er høy­ ere enn i de fleste andre land. Oppstillingen viser også at det er en sammenheng mellom energibruk (toe) per innbygger og BNP i US dollar per innbygger. Kilde: OECD, St. meld. 58-96/97.

Mye elektrisk energi kan bli spart ved å bruke nyere energisparelyspærer i stedet for vanlige glødelamper. Strømforbruket (med en DELUX EL) er, ved tilsvarende lysstyrke, bare 20 % - Levetiden er mer enn 4 ganger så lang - 10 000 timer

-

Energisparelampene er spesielt å foretrekke når:

du ikke har nytte av varmen fra lyspæra det er vanskelig å komme til for å skifte lyspæra lyset står på lenge av gangen Kilde: Osram

Strømforbruk:

• z Mexico

• Italia

• Irland

0

Tenk enøk

-

z '

Sverige»

z

8.9 Energiøkonomisering - enøk

Norge

Levetid:

1 oo%

10.000 timer (alle typer)

311

Energi

sitetsforbruk per person. Det siste har dels sammen­ heng med at vi produserer store mengder energikrevende produkter som aluminium og ferrolegeringer for eksport, at lufttemperaturen er lav, avstandene store og dels at vi sløser med elektrisk kraft. Elektrisk kraft har vært og er svært billig hos oss. Norge har føl­ gelig et stort potensial for energisparing - et stort enøkpotensial. Nye kraftverk eller enøk Utviklingen tyder på at elektrisitetsforbruket vil fort­

sette å øke. Dersom vi ser bort fra import for å dekke det økte forbruket, har vi to alternativer: - å bygge nye kraftverk (basert på vannkraft, natur­ gass eller ny fornybar energi) - å frigjøre energi ved enøktiltak Dersom det koster det samme eller mindre å spare 1 kWh enn å skaffe 1 kWh ved utbygging av et nytt kraftverk, bør vi velge sparealternativet. Kostnadene som er knyttet til bruk av energi, består av utgifter til brennstoff, omforming og trans­ port. Mange enøktiltak er privatøkonomisk lønn­ somme', dvs. at inntjeningen som skyldes reduserte utgifter til drift av transportmidler, bygninger, industri o.l., mer enn oppveies av utgifter som tiltakene med­ fører. Men kostnader er også knyttet til forurens­ ningen som følger med energiproduksjonen. Disse kostnadene betaler vanligvis ikke kjøperen. De forde­ les på alle samfunnets medlemmer. Det dreier seg om økte driftsutgifter til vedlikehold av bruer og bygg­ verk, økte utgifter til helsevesenet m.m. Når disse omkostningene legges til de tradisjonelle kostnadene, får vi de samfunnsøkonomiske kostnadene. I tilfeller der sparealternativet ikke er privatøkonomisk lønn­ somt. kan det, ut fra en samfunnsøkonomisk betrakt­ ning, likevel være aktuelt å gjennomføre det. Det samfunnsøkonomiske enøkpotensialet i Norge ble i 1990 anslått til ca. 25 TWh. I dette tallet har en ikke tatt med mulighetene for innsparinger på trans­ portsektoren. Potensialet avhenger av energiprisene. Økte energipriser gir økt enøkpotensial. Statlige til­ skudd eller fordeler, som bortfall av investeringsav­ gift, fremmer økt enøksatsing. Også globalt sett er det store muligheter for bespa­ relser. Store mengder energi går tapt med kjølevannet i mange varmekraftverk (s. 307). Og mye energi kunne vært spart ved en bedre organisering av trans­ portsektoren. Å ta ut fossile brennstoffer fra naturen medfører

store inngrep, og forurensningen som dannes når de brenner, fører til store problemer. På denne bakgrun­ nen er det forståelig at FNs klimapanel, IPCC, anbefa­ ler enøk som et hovedsatsningsområde for å redusere utslippene av CO2- Samtidig reduseres utslippene av gasser som gir sur nedbør og lokal luftforurensning. Vi vil omtale enøktiltak på følgende sektorer: - bygninger - boliger, industribygg og offentlige

-

bygg industriprosesser samferdsel kraftproduksjon og overføring landbruk

Bygninger Optimal utnytting av tilført energi Energi som blir tilført bygninger, må utnyttes best

mulig. Dersom elektrisitet blir nyttet til oppvarming, kan mye energi bli spart ved å bruke varmepumpe. I mange bygg er det installert fyrkjeler hvor det blir brent olje eller annet brensel. Anleggene gir varmt vann for oppvarming av rommene. I slike tilfeller kan energiforbruket som regel bli senket ved best mulig drift og vedlikehold av anlegget. Spesielt viktig er det å justere forholdet mellom luft og brensel riktig, og sørge for regelmessig feiing av kjelen. Slike anlegg har dårlig virkningsgrad ved lav belastning, dvs. når det er lite behov for varme. Da bør kjelen kobles ut og varmebehovet dekkes ved elektrisk oppvarming. Det er ønskelig, spesielt i større bygg, at det legges rør for varmtvann i gulvene. Det gir behagelig varme i rommet og samme varmekomfort ved noe senket rom­ temperatur. Slike anlegg er fleksible, dvs. at de kan tilknyttes en brenner som utnytter forskjellige brenn­ stoffer, (f.eks. bioenergi) - eller en varmepumpe. For­ bindelsen fra varmekilden til bygget kan skje via et fjernvarmenett. Med dette mener vi et rørsystem som fører varmt vann for oppvarming av bygninger - fra varmepumper, store fyrkjeler, søppelforbrenningsanlegg eller overskuddsvarme fra industri. Sverige og særlig Danmark har et vel utbygd fjernvarmenett. Nå må vi bygge ut det beskjedne fjernvarmenettet vi har i Norge, for å utnytte spillvarme og ta i bruk effektive brennere. Automatisk styring av temperaturen Temperaturen i alle vanlig benyttede rom bør styres av termostater. Men disse bør ikke bli holdt på en kons-

312

Kjemi, kapittel 8

tant temperatur dag og natt, hverdag som helg. Det skjer i boliger, skoler, offentlige bygg osv. Dette er kostbar energisløsing. Når rommene ikke blir brukt, bør temperaturen senkes. For skolerom, kontorer osv. gjelder dette store deler av døgnet, i helgene og i feri­ ene. Elektriske ovner kan programmeres slik at tem­ peraturen kan reguleres med tiden - gjennom hele uken. Ved hjelp av styringspaneler kan vi enkelt regu­ lere temperaturen i alle rommene. Temperaturen som senkes i et rom om natten, blir regulert slik at den er behagelig når vi skal ta i bruk rommet neste morgen. Disse systemene gir best utbytte i hus som er bygd av lette materialer. I mur- og betonghus blir mye energi lagret i bygningsmassen. Det tar i så fall lang tid å endre temperaturen. Store besparelser kan oppnås ved å slå av ventila­ sjonsanlegg og luftfuktere når et bygg ikke er i bruk. Senking av innetemperaturen

Betydelig gevinst kan oppnås ved en liten senking av temperaturen. (Når den blir senket 1 °C, blir oppvarmingsbehovet reduseres med ca. 5 %.)

Det er viktig å isolere godt. På kalde steder kan det lønne seg å nytte tykkere isolasjon enn foreskrevet i byggforskriftene. Mye energi går tapt gjennom vindu­ ene. Derfor bør vi nytte tre lags glass eller to lags energiglass. Varmeveksling Spesielt i store bygg, men også i eneboliger, kan det med fordel installeres varmevekslere i ventilasjonssystemet. I disse blir varmen i den utgående lufta nyttet til å varme kald inngående luft. Varmeveksleren kan for eksempel bestå av et stort antall parallelle metallplater, se figur 8.30. Varm luft som passerer mellom to plater (på vei ut), avgir varme til metallet. Denne varmen går gjennom metallet og blir tatt opp på den andre siden av platene av den kalde lufta som passerer i de tilstøtende mellomrommene (og som er på vei inn). På denne måten er det mulig å spare opptil 75 % av den energien som en vanligvis mister ved ventila­ sjon og lekkasjer.

Isolasjon

Ubehagelig trekk i en bolig skyldes ofte utettheter ved vinduer og dører. Dette kan lett utbedres. Noe varme vil alltid gå gjennom tak, vegger, gulv og vinduer, se figur 8.29. Særlig i gamle hus kan tapene være store.

Oppvarmings behov 11 300 Yttervegger 3 950

Ytterdører 1 250

Figur 8.29 Beregnet årlig varmetap i kWh via byg­ ningsdeler, ventilasjon og luftlekkasjer i et 100 m2 hus på Østlandet. Det er regnet med 10 cm isolasjon i yttervegger, 20 cm isolasjon i tak og 15 m2 trelags vinduer. Kilde: OFE

Figur 8.30 Prinsippet for varmegjenvinning ved hjelp av platevarmeveksler. Varm luft på vei ut mellom to parallelle plater (skravert på figuren) overfører varme til innstrømmende luft på den andre siden av platene.

I Danmark lyktes det i løpet av 20 år (1972-92) å redusere forbruket av energi til oppvarming i bygninger med over 30 % til tross for økning i bygningsarealet. Det oppgis å ha sin grunn i en målrettet poli­ tikk, med bruk av energiavgifter og tilskuddsord-

313

Energi

ninger [2]. Analyser og beregninger viser likevel at dette bare er en beskjeden del av hva det er mulig å oppnå. Enøktiltak i norske hus har ikke ført til forven­ tet energisparing, men er blitt tatt ut i økt innetempe­ ratur, større boliger m.m. [15]. Belysning

I Norge anser vi lys for å være en trivselsfaktor, og forbruket av elektrisitet til belysning i boliger er svært høyt. I yrkesbygg går en enda høyere andel av strøm­ men til belysning. All energi fra lyskilden blir imidler­ tid omvandlet til varme. Store deler av denne energien vil i den kalde årstiden føre til redusert forbruk i panel­ ovnene, forutsatt at rommet har god termostatstyring. Men i kontorbygg og butikker bidrar belysningen ofte til for høye temperaturer. På steder hvor varmen ikke er til nytte, eller er en ulempe, bør vi bruke minst mulig energi til belysning. Energisparelampen gir for eksempel samme lysstyrke med en femdel av ener­ gien. I 1990-årene er det blitt utviklet nye lamper, som induksjons- og plasmalamper, med enda lavere ener­ giforbruk, som varer svært lenge og gir behagelig lys. Det er mulig å oppnå bedre belysning med under halv­ delen av energiforbruket ved utskiftning av eldre lys­ armatur. Og det lønner seg. I større bygg kan utgiftene være inntjent i løpet av tre år. Sparepotensialet anslås til 7 TWh per år. [23]

Industri Knapt halvdelen av det samlede energiforbruket i det norske samfunnet går til industrien. Men i denne sek­ toren skjer det et bevisst arbeid for å redusere for­ bruket. Arbeidet har gitt betydelige resultater. Alumi­ niumsindustrien kan for eksempel vise til at energi­ forbruket er blitt betydelig redusert (f.eks. er forbruket i løpet av noen tiår blitt redusert fra vel 20 kWh til 13 kWh per kg aluminium). Fortsatt gjenstår mange oppgaver. I første rekke arbeides det med å forbedre eksisterende prosesser og utvikle nye prosesser som bruker mindre energi. Spillvarme kan bli utnyttet bedre. I land der elektrisitet blir framstilt i varmekraftverk (som vanligvis bare utnytter 30-50 % av energien), bør industrier med et stort og stabilt behov for varme bygge egne kraftverk. Kraftverket bør dimensjoneres slik at bedriften får dekket sitt varmebehov ved å utnytte spillvarmen som dannes. Elektrisk energi som blir framstilt som et biprodukt, må, dersom produksjo­ nen er større enn det bedriften har bruk for, kunne bli

levert til strømnettet til god pris. På den måten vil det være mulig å utnytte opp mot 90 % av energien i brennstoffet (se rammetekst s. 268). Mye energi kan bli spart ved å lage produkter som varer lenger, og som er enkle å reparere. Det vil for eksempel ikke være noe problem å produsere en vas­ kemaskin som varer dobbelt så lenge (20 år i stedet for 10 år). Avfall som oppstår i en bedrift, og som det ikke er mulig å finne annen avsetning for, bør utnyttes til energiformål dersom det er brennbart. Et lavt energiforbruk bidrar til å styrke en bedrifts konkurranseevne, både når det gjelder salg av produk­ ter og teknologi. Et land som for eksempel skal starte produksjon av aluminium, vil vanligvis kjøpe teknolo­ gien, inklusive utstyr, i et land hvor prosessen er vel utviklet. Energiforbruk (og forurensning) per produ­ sert tonn aluminium veier tungt i denne sammenhen­ gen. Dersom energiprisene øker, vil energiforbruk per produsert enhet bli tillagt økt vekt. Analyser viste i 1990 at det var mulig å redusere energiforbruket i industrien med opp mot en firedel (12-25 %) ved hjelp av kjent teknologi.

Samferdsel En stor del av energiforbruket går til samferdselssek­ toren. I Norge, som i resten av verden, går rundt halv­ delen av oljen til transportsektoren. Figur 8.31 viser hvor mye energi som skal til for å transportere en person eller ett tonn gods en kilometer. Vi ser at transport med bane og på sjøen med store skip er spesielt gunstig, mens transport med hurtiggå­ ende skip og fly er særlig energikrevende. Transport­ behovet er økende, særlig innenfor flytrafikk (som øker med 4-5 % per år).

Energiforbruket i denne sektoren kan bli redusert ved: - Økt kollektivtrafikk. Økt bruk av buss og skinnegående kjøretøyer vil kunne spare mye energi. Men det krever aktiv medvirkning fra myndighetene. Busser og skinnegående kjøretøyer i byene må få hyppige avganger, og de bør gis fordeler i trafikken (se s. 216). I mange byer i utlandet har det skjedd en positiv utvikling, som har ført til bedre luftkvali­ tet og trivelige gatemiljøer. Store bevilgninger til veiprosjekter (som i Norge) fremmer privatbilis­ men. og gjør det vanskeligere å få til gode kollek­ tivtilbud - Flere fotgjenger- og sykkelstier. En sykkel er et egnet framkomstmiddel over kortere avstander,

314

Kjemi, kapittel 8

Figur 8.31a Energiforbruk per passasjer og km for ulike transportmidler. 1994. Kilde: SSB 1997.

reduserer transportbehovet. 1 mindre byer og tett­ steder har folk normalt kortere arbeidsreise enn i storbyer som Oslo. Kjøpesentre utenfor byene fører til unødig transport og en utarming av bysentrene. - Mindre transport av mat. I dag blir mat transportert over hele verden, i mange tilfeller med fly. Vi spi­ ser druer som er dyrket i Sør-Afrika og epler fra Argentina. Vi kan spare mye energi ved å kjøpe mat som er dyrket lokalt. Også av den grunn er jordbruksland nær store bysentre spesielt verdifullt. - Forbedret teknikk (virkningsgrad). Det skjer en stadig utvikling av biler, båter og fly - blant annet for å redusere energiforbruket. For eksempel avtok gjennomsnittsforbruket for nye amerikanske biler til under det halve på vel 10 år (fram til 1990), og i løpet av litt lengre tid ble drivstofforbruket for fly redusert tilsvarende. Mulighetene for ytterligere reduksjoner er store både for bil (se figur 8.32), båt og fly.

El-kjøretøyet Think

kWh per tonnkm Figur 8.31b Energiforbruk per tonn gods og km for ulike transportmidler. 1994. Kilde: SSB 1997.

som samtidig gir brukeren verdifull mosjon. Av hensyn til ressursforbruk, forurensning og helse bør det derfor legges til rette for sykkel, for eksem­ pel med sykkelstier og egne kjørefelt i byene. - Redusert transportbehov. Hvordan byene våre utformes, er av stor betydning. Byene må ikke få vokse for sterkt utover, men konsentreres omkring traseer som kan betjenes av felles kommunika­ sjonsmidler. Nærhet mellom bolig og arbeidsplass

Think er et elektrisk drevet kjøretøy som er utviklet i Norge i samarbeid med utenlandske partnere. Kjøre­ tøyet er lett. Karosseriet består av et helstøpt matt, far­ get polyetylen (polyeten). Rammen er av stål og alu­ minium. Kjøretøyet er beregnet på bykjøring og nærtrafikk. Det kan brukes som bil nr. 2 eller av statlige og kommunale myndigheter. Etter 70-100 km må nikkel-kadmium-batteriene lades opp. Topphastigheten er 90 km/h. Sikker­ heten blir hevdet å være like god som for andre små­ biler. Driftskostnadene forventes å bli under 10 % av kostnadene for bensindrevne biler. I tillegg er elbiler fri­ tatt for årsavgift, de kjører avgiftsfritt gjennom bommer og over bruer, og gratis parkering på offentlige parke­ ringsplasser er under innføring. El-kjøretøyet vil føre til lavere støy, gi mindre forurens­ ning og veislitasje og kreve mindre plass. Det er bygd for resirkulering. Polyetylen, stål og aluminium kan lett omsmeltes.

315

Energi

Middel Middel, nye modeller Beste modell Beste prototype

Biler (miles/gallon)

Husoppvarming (1000 J/m2)

Kjøleskap (kWh/døgn)

Gassbrennere (mill. J/døgn)

Luftkond. (kWh/døgn)

18 27 50 77

190 110 68 11

4 3 2 1

210 180 140 110

10 7 5 3

Figur 8.32 Oppstillingen viser at det er mulig å øke tilbakelagt kjørelengde per volumenhet drivstoff til det flerdobbelte. Energibehovet til husoppvarming kan bli drastisk redusert. Og energiforbruket til drift av utstyr i hjemmet kan reduseres til en tredel. Tallene er fra 1989. [15]

Store forbedringer har skjedd når det gjelder elektrisk utstyr i hjemmene. Figur 8.32 viser at energibruken kan bli redusert til 1/3 eller mindre og fortsatt gi de samme tjenestene. Ytterligere forskning vil gjøre dem enda mer energigjerrige [15]. Takket være utvikling i telekommunikasjoner får vi stadig bedre muligheter til å holde møter og konfe­ ranser via telefon og TV-nett. I tillegg til å spare energi sparer vi tid og penger - men taper noe i sosial kontakt.

Energi Merke Modell/type

3] Electrolux

ER 8308 C

Lavt forbruk

Kraftproduksjon og overføring av strøm Ved produksjon av elektrisk kraft går en del energi tapt. Vi taper energi når vann renner over demningen ved flom, ved friksjon i rørene som fører vann til tur­ binene, ved omforming i turbiner og generatorer og når strømmen blir overført fra kraftverk til forbruker. En betydelig del av dette tapet regner Norges Vassdrags- og Energiverk (NVE) med at det vil være realistisk å spare inn ved enøktiltak (ca. 5,5 TWh av det totale tapet på ca. 36,5 kWh). En stor del kan bli oppnådd ved å ruste opp og modemisere gamle kraft­ verk. Mye av tapene i overføringsnettet kan reduseres.

Landbruk I moderne jordbruk er menneskelig arbeidskraft i økende grad erstattet av energi fra fossile energibæ­ rere. Energi trengs til drift av traktorer og pumper og til produksjon av kunstgjødsel, plantevernmidler og maskineri. Energikostnadene som er knyttet til gjøds­ ling, innhøsting, tørking osv. er i flere tilfeller langt høyere enn energiinnholdet i produktene. Mye energi går også med til foredling og transport til konsument, oppbevaring (i fryser/kjøleskap) osv. Hadde disse energibidragene blitt tatt med, ville det sett enda verre ut. Riktig ille blir det dersom det er stor avstand mellom produsent, foredler og konsument.

Høyt forbruk

Energiforbruk (kWh/år.) (På grunnlag av resultater oppnådd gjennom 24 timers standardprøver.)

256

Det faktiske energiforbruk avhenger av hvordan apparatet brukes og hvor det er plassert.

Nettovolum kjøiedei (I) Nettovolum frysedel (I) Lydnivå (støy) (dB(A) re 1 pW)

328

36

Produktbrosjyren inneholder ytterligere opplysninger. Europeisk Standard EN 153 av mai 1990. Direktiv 94/2/EU om energimerking av kjøleskap

Figur 8.33 Energimerking av kjøleskap. Det er blitt let­ tere å velge et energieffektivt alternativ. Ved salg av kjøleskap blir det for eksempel gitt informasjon om energibruk og støynivå på en illustrativ måte.

316

Fløte produsert i Norge blir for eksempel sendt til Mellom-Europa for å inngå i sprayflasker - som blir transportert tilbake. Store energimengder kan bli spart ved å erstatte mat fra dyr med en større andel plantekost (korn, grønnsaker og frukt).

Bruk av avgifter Miljøavgifter synes å være det mest effektive midlet til å snu forbruket mot mindre skadelige energiformer. Det er blitt foreslått å øke kostnadene som er knyttet til miljøtruende forbruk, ved å innføre eller øke energi- og miljøavgifter. Samtidig er det tenkt å redu­ sere skatt på arbeid. For å få til denne vridningen fra skatt på arbeid til skatt på skadelig forbruk må det være en forutsetning at det totale skatte- og avgifts­ trykket ikke skal stige. Omleggingen vil resultere i økt energiøkonomisering og utvikling av alternative og mindre forurensende energiressurser. Reduserte lønnsutgifter vil kunne gi økt sysselsetting. Analyser tyder på at det for industrien som helhet ikke vil føre til generelt dårligere betingelser. Men den kraftkre­ vende industrien kan få problemer som det må kom­ penseres for. For at avgiftene ikke skal virke konkurransevridende, hadde det vært ønskelig at de ble innført samtidig i alle industriland. Hos oss er det innført en oljeenergiskatt, og en CO2-avgift på fyringsolje og bensin. I tillegg er det innført en relativt høy avgift på bensin og på dieselolje. Men en CO2-avgift som skal gjelde for alle utslipp, synes det vanskeligere å vinne gehør for. Kunstgjødsel er pålagt avgift for å redusere forbruket.

8.10 Energi i utviklingslandene Sammenheng mellom energiforbruk og BNP

Det er sammenheng mellom energiforbruket i et land og levestandarden, uttrykt ved bruttonasjonalproduk­ tet (BNP), se figur 8.23. Men sammenhengen er ikke entydig. USA har dobbelt så høyt energiforbruk som Japan, til tross for at BNP er det samme. Hovedten­ densen er imidlertid tydelig; energiforbruket er høyt i industrilandene sammenliknet med i utviklingslan­ dene. Det er også forskjell i bruk av energibærere. Industrilandene baserer seg på olje, kull og naturgass, mens utviklingslandene i stor grad utnytter biomasse. Mange utviklingsland har i de siste tiårene økt sitt energiforbruk kraftig. Det er mer enn tredoblet (i tiden

Kjemi, kapittel 8

1970-1990). I det samme tidsrommet økte forbruket i industrilandene med vel 20 %. I årene framover ven­ tes det fortsatt sterk vekst i utviklingslandene. Det skyldes at folketallet øker, og at de i utgangspunktet har et lavt energiforbruk. Urbanisering og industriali­ sering, sammen med økt bruk av privatbiler, bidrar sterkt til denne utviklingen. Hvordan kan utviklingslandene dekke sitt energi­ behov? Dette spørsmålet er så omfattende og utviklings­ landene så forskjellige at det bare er mulig å komme med noen generelle synspunkter. Mange av landene har satset på store prestisjeprosjekter, i første rekke vannkraftverk, men også fossile kraftverk og atomkraftverk. Ofte støtter industriland gjennom sin utviklingshjelp slike utbygginger. Pro­ sjektene er relativt enkle å administrere, og de krever ofte utstyr som giverlandet produserer, og som motta­ kerne må forplikte seg til å kjøpe. For å stimulere industri og annen virksomhet subsidierer ofte utvik­ lingslandenes styresmakter energi. Det har ført til slø­ sing. Og inntektene fra energisalget dekker ikke utgif­ tene. Landene makter ikke å betale tilbake lånene, og gjeldsbyrden øker. Økt transportbehov på grunn av urbanisering, og økt privatbilisme, har ført til stor oljeimport. Lufta i mange av storbyene er blitt svært forurenset. Enøkpotensial

Energi går tapt på grunn av - innkjøp og produksjon av relativt billig, men lite energieffektivt utstyr. For eksempel blir det produ­ sert et stort antall billige kjøleskap i Kina - med et energiforbruk som er opptil det flerdobbelte av til­ svarende modell i Danmark - dårlig vedlikehold og slette driftsmetoder, noe som ofte skyldes mangelfull opplæring. I for eksempel en indisk fabrikk blir det brukt dobbelt så mye olje for å produsere ett tonn ammoniakk som det i gjen­ nomsnitt går med i England - at det i for sterk grad blir satset på utbygging i ste­ det for på energiøkonomisering. Det blir for eksempel satset på kostbar kraftutbygging i stedet for bruk av energisparepærer - som kunne gjort store deler av kraftbyggingen unødvendig

Dårlige energiøkonomiske løsninger blir over tid kost­ bare, til dels svært kostbare. Og de går ut over miljøet. Det blir hevdet at nesten halvparten av elektrisitets­ forbruket i utviklingslandene kan spares inn på en

Energi

måte som er økonomisk lønnsom. Enøk-potensialet er med andre ord svært stort. Brensel til matlaging

Vi tar opp dette som et eget tema fordi det utgjør et stort ressursproblem i mange utviklingsland. Ved til matlaging utgjør ofte den største delen av energifor­ bruket. Og det er ofte vanskelig å skaffe ved (eller penger til trekull). For mange mennesker innebærer det flere timers arbeid per dag per familie. Den sterke veksten i folketallet forverrer situasjonen. FAO har anslått at antall mennesker som mangler fyringsved, vil øke sterkt i årene som kommer (til 350 millioner i år 2000). Derfor må det plantes flere trær. I tørre, varme områder kan trær og matproduksjon kombineres. Avlingene blir ofte større dersom nytte­ planter (f.eks. mais) får vokse under eller mellom trær med dype røtter. Brenselet må bli utnyttet bedre. Mange steder blir grytene anbrakt over et åpent bål. Det gir dårlig utnyt­ telse av energien. Ved å bygge enkle ovner er det mulig å redusere forbruket til det halve, og bygging av en komfyr kan redusere det ytterligere. Et åpent ild­ sted innendørs gir i tillegg store mengder forurens­ ning (CO, støv, formaldehyd og benzopyren) som er sterkt helseskadelig. Ved bruk av komfyr blir røyken vanligvis transportert ut av rommet via en skorstein. Likevel er det ikke opplagt at alle vil bytte det åpne ildstedet med komfyr. Den åpne ilden reduserer insektplagen, gir lys og fungerer som et sosialt sam­ lingspunkt. Hvilke energikilder bør utviklingslandene ta i bruk? Av økonomiske grunner bør utviklingslandene i størst mulig utstrekning basere sin energiforsyning på egne energikilder. I mange av disse landene er mulig­ hetene for å finne fossile brennstoffer, og særlig gass­ forekomster, dårlig undersøkt. Vindenergi og jord­ varme har betydelige muligheter og kan gi elektrisk energi til konkurransedyktige priser. Mange av lan­ dene har spesielt gode muligheter for utbygging av - biomasse - vannkraft - solenergi

Biomasse Dette temaet er blitt behandlet tidligere (s. 299). Biomasse er som nevnt en viktig energikilde i utvik­ lingslandene, i form av trevirke og tørket gjødsel som blir brent. Gjødsel burde vært tilført jordsmonnet for å opprettholde jordas produktivitet. Et alternativ er å

317

bruke biogassanlegg, slik det for eksempel i stor utstrekning blir gjort i Kina, se figur 8.34. Tilført organisk stoff (gjødsel og planterester) blir uten til­ gang på oksygen omdannet til metan. Gassen kan nyt­ tes til koking og steking av mat. Etter prosessen finnes fortsatt næringsstoffene i restmaterialet, som kan tilfø­ res jorda. Biomasse kan også bli brukt til å produsere alko­ hol, se side 300.

Figur 8.34 I mange u-land blir gjødsel tørket og brent. Et bedre alternativ er å lage et biogassanlegg. I et slikt anlegg blir gjødsla delvis nedbrutt uten tilgang på oksygen. Det blir dannet metan som kan nyttes til tilbe­ redning av mat. Næringsstoffene blir værende i gjødselrestene, som er velegnet til å bruke på åkrene. Figuren viser en betongkuppelmodell for framstilling av biogass. Kilde: Bulmer m.fl: «Biogas, challenges and experience from Nepal», UMN, Nepal

Vannkraft Det er store muligheter for utbygging av vannkraft, spesielt i Sør-Amerika og Asia. Flere store prosjekter som er under arbeid eller på tegnebrettet, er sterkt kontroversielle, se s. 227. Det bør i større grad bli satset på utbygging av små kraftverk. De kan samlet gi mye energi. Energien vil i større grad kommer den jevne mann og kvinne til gode, og små anlegg gir langt færre og mindre alvor­ lige negative virkninger på miljøet.

Solenergi Mange utviklingsland er solrike, og solceller kan der­ for være et godt alternativ. Det gjelder for eksempel på steder hvor elektrisitet blir framstilt ved hjelp av dieselaggregater som gir kostbar og ofte usikker strømforsyning.

318

Ofte er elektrisitetsforbruket lavt, bebyggelsen er spredt, og landenes strømfordelingsnett er dårlig ut­ bygd. Å bygge et kraftverk og et tilhørende kapital­ krevende fordelingsnett gir ofte dyrere strøm enn en kan få fra solceller. Solceller gir sikker forsyning i sol­ rike områder, og energien blir produsert på stedet hvor det er bruk for den. Solceller krever lite vedlikehold, men en må sikre seg at de ikke dekkes av støv eller blader. Batteriene må kontrolleres og med tiden for­ nyes. I land med store, tørre områder går det mye elekt­ risk energi til drift av pumper. (I India er det 8 millio­ ner pumper for kunstig vanning.) Energien kan bli produsert i solceller, som gir mest energi når behovet er størst, dvs. i solrike (og tørre) perioder. 1 perioder med overskuddsenergi kan vann pumpes opp og lag­ res i høyereliggende bassenger. Solcellene kan gi strøm til belysning i hjem, skoler, småindustri og for telekommunikasjoner m.m. Solenergi kan gi varme som kan nyttes til mange formål. Det fins for eksempel enkelt utstyr for koking av mat, og enkle anlegg kan ved destillasjon gi rent vann fra saltholdig eller urent vann. Mange steder i verden er det stort behov for kjøling av innerom. Mye energi som går til dette formålet, kan bli erstattet av solenergi. Som en sammenfatning vil vi hevde at utviklings­ landene i større grad bør tenke energieffektivisering. Det lønner seg i det lange løp. For å unngå avhengig­ het av andre, blant annet økonomisk, bør de i den grad det er mulig, bygge ut egne og helst fornybare energi­ kilder. Noen scenarier

Et scenario gir et bilde av en framtidig situasjon basert på et sett av forutsetninger. Brundtlandkommisjonen har gjengitt forskjellige energiscenarier som det fortsatt kan være aktuelt å studere, se figur 8.35. De er basert på at industrilandene ikke skal øke sitt energiforbruk. For utviklingslandene er det satt opp flere alternativer, fra at de eksisterende skjevhetene opprettholdes (alternativ 2), til at menneskene i utvik­ lingslandene får det samme energiforbruket per per­ son (i år 2025) som industrilandene hadde da rappor­ ten ble laget (alternativ 1). Det siste alternativet vil føre til at det totale energiforbruket øker til vel det femdobbelte av «dagens forbruk». Dagens forbruk av energi utgjør en trussel mot klodens miljø. En femdobling forbyr seg selv både av ressurshensyn og miljøhensyn. Men vi kan ikke vente at storparten av

Kjemi, kapittel 8

Industri­ Utviklings­ Totalt land land

Status per 1985: Befolkning (milliarder) Forbruk av primærenergi (TW) Primærenergi/innbygger (kW)

1,17 7,7 6,6

3,60 2,3 0,63

4,8 10,0

Mulige scenarier 2025: Befolkning (milliarder) ca. Energiforbruk alt. 1 (TW) ca. Energiforbruk alt. 2 (TW) ca. Energiforbruk alt. 3 (TW) ca.

1,4 9.5 9,5 9,5

6,8 45,5 4,5 10,5

8,2 55,0 14,0 20,0

Alternativ 1 forutsetter at utviklingsland kommer opp på det samme energiforbruket per innbygger som i-landene. Alternativ 2 forutsetter at den eksisterende skjevheten i energiforbruk per innbygger blir opprettholdt. Alternativ 3 forutsetter enviss utjevning, men at utviklings­ land fremdeles har et betydelig lavere per capita-energiforbruk enn vi. I alle tre alternati­ vene er det forutsatt nullvekst i industriland

Figur 8.35 Scenarier for energibruk. Kilde: Brundtlandkommisjonens rapport 1987.

verdens befolkning skal godta den urettferdige forde­ lingen vi har i dag. (Forbruket av energi per person i de fattigste landene (57 % av verdens befolkning) utgjør i gjennomsnitt bare en tidel av forbruket i de rikeste landene (ca. 14 % av befolkningen [15])). Ut­ viklingslandene må heve sin levestandard, og til det trenger de energi. Industrilandene kan derimot vedli­ keholde og heve sin levestandard samtidig som de reduserer energiforbruket. Det har utviklingen i 1980årene tydelig vist. Anbefalingen fra kommisjonen endte med at industrilandene skal senke sitt energiforbruk per inn­ bygger med 50 %, mens utviklingslandene skal heve sitt med 30 %. Teknologisk er det mulig for industri­ landene å gjennomføre denne kraftige reduksjonen. Dersom anbefalingen fra kommisjonen blir fulgt, vil det likevel føre til at verdens totale energiforbruk øker noe. Etter at rapporten ble utgitt har energiforbruket økt betydelig. Det ser ut til å mangle politisk vilje til å ta langsiktige hensyn. F ramtidsutsikter

Store foretak som arbeider innen energisektoren (som WEC og Shell) anslår at energiforbruket vil bli mange­ doblet (to til åttedoblet) i det 21. århundret. Egentlig har det liten hensikt å foreta slike gjetninger, men de kan betraktes som et uttrykk for en urokkelig tro på

319

Energi

1 500i

Figur 8.36 Shells energiscenario «En Effektiv Verden» Kilde: E. Talleraas, Energi for fremtiden, A/S Norske Shell, Oslo 1998

fortsatt sterk forbruksvekst. Og vanligvis forventes det ikke at de alternative energikildene vil få særlig betydning i løpet av de nærmeste tiårene. Et av de noe mer optimistiske senarioene er Shells «En Effektiv Verden», se figur 8.36. I dette ser man for seg en sterk vekst i sol og vindenergi, og avtakende forbruk av fos­ sile energikilder i løpet av de kommende 60 årene. Men energiforbruket øker kraftig. Andre er mer optimistiske og ser muligheter for en langt hurtigere innføring av fornybar energi og dras­ tiske reduksjoner av energiforbruket i industrilandene. I en bok som blir brukt ved Danmarks Tekniske Uni­ versitet, blir det påstått at «En halvering af Danmarks energiforbrug over 20 år gennem indførelse af mere energieffektive hjælpemidler er ikke noget teknisk problem. Det er i øvrigt heller ikke noget økonomisk problem» [2, s. 71]. Men omstillingen er forbundet med holdningsmessige, institusjonelle og politiske problemer. Samme kilde hevder [s. 24]: «Det samlede energi­ behov kan således med store miljømæssige fordele og med rimelig økonomi for samfundet nedsættes til omkring en trediedel af det nuværende forbrug uden at vi behøver at reducere vores materielle velfærd».

8.11 Oppsummering Som en oppsummering av de problemer og utford­ ringer vi står overfor på energisektoren, gjengir vi dette sitatet fra Brundtlandkommisjonens innstilling, som fortsatt har gyldighet: «En sikker og økologisk forsvarlig energipolitikk er avgjørende for en bærekraftig utvikling. Vi har ennå ikke funnet løsningen på dette. Energiforbruket øker ikke så raskt som tidligere. Men industrialisering, landbruksutvikling og den hurtige befolkningsveksten i utviklingslandene, vil kreve økt tilgang på energi. I dag bruker hver person i et industriland gjennomsnitt­ lig mer enn 80 ganger så mye energi som en person i Afrika sør for Sahara. Derfor må en realistisk global energiplan skaffe dekning for et vesentlig større for­ bruk av primærenergi i utviklingslandene. Skal utviklingslandenes energiforbruk bringes opp på industrilandenes nivå, vil verdens energiforbruk bli fem ganger større enn i dag. Jordas økosystemer vil ikke tåle dette, spesielt ikke hvis økningen baseres på fossilt brensel, som ikke kan fornyes. Farene for global oppvarming og forsuring av miljøet utelukker selv en fordobling av energiforbruket, dersom dette blir basert på den sammensetning av hovedkilder for energi vi har i dag. En ny epoke med økonomisk vekst må derfor bli mindre energiintensiv enn tidligere vekstperioder. Energiøkonomisering må være spydspissen i nasjonal energipolitisk strategi for bærekraftig utvikling. Det er rom for store forbedringer på dette området. Ny teknologi kan gi oss apparater og utstyr som yter de samme tjenester som tradisjonelt utstyr, men med bare to tredjedeler eller en halvpart av energiforbruket. Energisparende løsninger er ofte kostnadssparende. Etter nesten fire tiår med enorm teknologisk utvik­ ling er atomenergi tatt i bruk i stort omfang. I denne perioden er også omkostningene, risikoen og forde­ lene blitt mer åpenbare og gjenstand for konflikter. De enkelte land har forskellige standpunkter til kjemekraftspørsmålet. Også drøftingene i Kommisjonen gjenspeilte de forskjellige syn og standpunkter. Det var imidlertid enighet om at utnyttelsen av atomkraft bare kan forsvares hvis det finnes overbevisende løs­ ninger på de uløste problemene som er knyttet til denne energiformen. Høyeste prioritet må gis til forskning og utvikling av miljømessige og økologisk forsvarlige alternativer, og til midler for å øke sikker­ heten ved bruk av kjernekraft. Mer effektiv energibruk kan bare gi verden et pus­

320

terom til å utvikle lavenergiløsninger basert på forny­ bare kilder. Slike løsninger bør danne grunnlaget for den globale energistrukturen i det 21. århundre».

Kjemi, kapittel 8

Spørsmål og oppgaver I Vi skjelner ofte mellom to typer energi: eksergi og anergi. Hva består forskjellen i?

8.12 Litteratur

2 Hvilke måleenheter blir brukt for energi?

1 N.C. Boye (red.), Miljøkunnskap. Universitetsforlaget, 3 utg. 1994 2 N. Meyer, J. Nørgård, G. Galster og T. Gulbrandsen, Energi og ressourcer- for en bæredyktig framtid. Polyteknisk forlag 1994 3 D.D. Chiras, Environmental Science, A Systems Approach to Sustainable Development. Wadsworth 1998 4 M.L. McKinney and R.M. Schoch, Environmental Science, Systems and Solutions., West Publ. Company 1996 5 D. Botkin and E. Keller, Environmental Science, Earth as Living Planet. Wiley & Sons 1995 6 The British Petroleum Company, BP, BP Statistical Review of World Energy 1998 7 Div. forfattere, Naturmiljøet i tall 1994. Universitetsforlaget 1994 8 L.R. Brown m.fl., Jordens tilstand 1999. Er energisystemet avlegs? 9 L.R. Brown m.fl., Jordens tilstand, 1995. A temme solen og vinden. Aschehoug 10 L.R. Brown m.fl., Vital Signs, 1998, Worldwatch Inst./ Norton 1998 11 H.N. Røstvik, Solenergi. Sun-lab 1991 12 M.D. Joesten m.fl., World of Chemistry'. Saunders College Publ. 1991 13 SINTEF. ENØK i bygninger. Universitetsforlaget 1992 14 T. Holmstrom og H. Marklund (red.), Miljøeffekter, Miljovårdscentrum, KTH, 1990 15 H. Seip, Energi og energibruk. Miljøkjemi KJ 203. Universitetet i Oslo, 1995 16 F. Salvesen (red), Nye fornybare energikilder. Norsk forsk­ ningsråd og Norges vassdrags- og energiverk, 1996 17 T.G. Spiro, W.M. Stigliani, Chemistry of the Environment. Prentice Hall, Inc. 1996 18 C. Flavin, N. Lenssen, Power Surge. Guide to the Corning Energy Revolution, Worldwatch Institute, 1994 19 G. Jervas m.fl., 2000-talets store utmaningar. SNS Forlag 1997 20 St meld nr 29 (1998-99), Om energipolitikken. Olje- og energidep. 1999 21 NOU 1998: 11 Energi- og kraftbalansen mot 2020. 1998 22 N.C. Boye, Sentrale miljøemner. Høyskoleforlaget, Kr.sand.s. 1997 23 0. Dahle, Energi for fremtiden. Konferanse, Oslo 7.-8. mai 1998, Cicero rapport

3 Hvilke energikilder er de viktigste i dag? 4 Hva forstår vi med fossile brensler? Nevn de tre viktigste fossile brennstoffene. Hvor lang tid vil de påviste reservene vare med dagens forbruk? Hva gir det mest realistiske bildet - å regne statisk levetid ut fra reserven eller ressursanslagene? Knytt noen kommentarer til svaret ditt.

5 I en større amerikansk lærebok står det: «Fossile brennstof­ fer gir oss 90 % av den energien vi bruker.» Her er det noe som ikke stemmer. 90 % er et for høyt tall. Kan du endre utsagnet slik at det blir riktig? Jamfør med hva som er skre­ vet under punkt 8.6. 6 Hvor finner vi de største forekomstene av olje? Hvor er det største forbruket? Manglende sammenfall når det gjelder hvor de største oljeforekomstene finnes, og hvor det er størst forbruk av olje, har ført til kontlikter og alvorlige stridighe­ ter. Kan du nevne et eksempel på dette? 7 Hvorfor blir olje vanligvis regnet som verdens viktigste energiråstoff?

8 I dag blir elektrisitet i de fleste land dannet ved å brenne olje og kull. En tid ut i neste århundre vil vi forhåpentlig få en stor andel av elektrisiteten fra fornybare energikilder. I en overgangsperiode må elforsyningen baseres på naturgass. Hvorfor er naturgass å foretrekke framfor kull og olje? 9 Hvilken forskjell er det på brunkull og steinkull?

10 Hva er koks? Hva blir koks brukt til?

11 Sammenlikne oppbygningen av et kjernekraftverk og et var­ mekraftverk slik de er gitt ved figurene i boka. Hva er felles, og hva atskiller de to anleggene?

12 Hvilket stoff er «brennstoffet» i en vanlig fisjonsreaktor? Hva er det som fører til at dette stoffet blir spaltet i en reak­ tor, og hvilke produkter blir dannet? På hvilken måte er pro­ duktene farlige? 13 Hvordan virker en formermgsreaktor l

14 Solenergi kan bli utnyttet til passiv soloppvarming eller gi aktiv solvarme. Hva mener vi med disse uttrykkene? Kan disse formene for solenergi bli utnyttet i Norge? Er det mest aktuelt å utnytte solenergi i Nord-Norge eller i Sør-Norge? Begrunn svaret. 15 Nevn et par metoder for lagring av solenergi.

Energi

16 Forklar prinsippet for speiltrausystemet for omdanning av solenergi til elektrisitet. Hvordan er effektiviteten i syste­ met? Hvordan er prisen på elektrisitet framstilt på denne måten sammenliknet med elektrisitet framstilt fra kjerne­ kraftverk (se data i læreboka)? 17 Briketter og pelleter laget av biomasse vil i framtiden få større betydning i energiforsyningen i Norge. Hva blir biobriketter og biopelleter laget av og hva kan de brukes til? Biopelleter vil også kunne brukes i vanlige små ovner (som fores kontinuerlig fra en beholder som fylles en gang i døg­ net). Hvordan er energiutnyttelsen og forurensningen fra nye ved- og biomasseovner?

18 Hva er grunnen til at danskene er blitt verdensledende på vindmøller? Hvor stor del av elektrisiteten får de fra vind­ møller i Danmark i dag. og hvilket mål har de satt seg på dette området? 19 Nevn noen grunner som taler for at vi bør satse på vindkraft i Norge. Hvilke ulemper er knyttet til bruk av vindkraft? Bør vi etter din mening bygge et betydelig antall vindmøller? Begrunn din påstand.

20 Norge har vært et foregangsland innenfor bølgekraft. Forklar prinsippet for kilerenneanlegget. 21 Hvilke reaksjoner er det en søker å utnyttet i fusjonsreaktorene? Hvordan er framtidsutsiktene for denne forskningen? 22 Lag et kort leserinnlegg til en avis med overskrift: «Hydrogen som framtidens energibærer».

23 Hva mener vi med et varmekraftverk? Hvordan blir den kje­ miske energien i brenselet omdannet til elektrisk energi? Hva menes med og hvor stor er, virkningsgraden? Hvorfor er den såpass lav? Hvor blir det av den energien som vi taper?

24 Hva mener vi med enøk? 25 Hvordan kan vi redusere energiforbruket i samferdselssek­ toren? Gi svaret i form av et punktvis oppsett.

26 Norge har verdens høyeste totalforbruk av elektrisk energi per person? Nevn noen grunner til at vårt forbruk er så høyt. Hvordan er mulighetene for energiøkonomisering? 27 Tenk deg at du skal planlegge egen enebolig. Hvilke tiltak kan du tenke deg å foreslå for at energibruken skal bli lavest mulig? Hvilke problemer/fordeler medfører tiltakene? 28 Forfatteren gjør seg til talsmann for en omlegging av skatte­ systemet. Han ønsker at redusert inntektsskatt og arbeids­ giveravgift skal kompenseres av økte avgifter på energi og annen miljøskadelig ressursbruk. Hvilke ulemper/fordeler innebærer en slik omlegging? Vil det bidra til økt livskvali­ tet; i tilfelle hvordan?

321 29 Brundtlandkommisjonens anbefaling gikk ut på at industri­ landene burde senke sitt forbruk per innbygger med 50 %, mens utviklingslandene skulle kunne heve sitt forbruk med 30 %. Hva synes du om dette forslaget? Kina med rundt en firedel av klodens befolkning er inne i en uvanlig sterk økonomisk vekst som fører til en sterk økning i energiforbruket. Hvordan ser du på mulighetene til å takle ressurs- og miljøproblemene dersom kineserne (og indere med til sammen en tredel av jordas befolkning), innen noen tiår hever sitt energiforbruk til det nivå vi i dag har i Norge? Hvordan utvikler energiforbruket seg i indust­ rilandene? Er det mulig å oppnå Brundtlandkommisjonens målsetting? 30 Forklar kort hovedprinsippet for en varmepumpes virke­ måte. En varmepumpe tar energi fra en lavtemperaturkilde som holder ca. 12 °C. Den leverer varme til et fjernvarmenett ved ca. 60 °C. Hvor stor er virkningsgraden? (Bruk figur 8.27b.) En bolig bruker 12 000 kWh elektrisk energi til oppvar­ ming per år. Hvor mye energi må tilføres ovennevnte var­ mepumpe for å gi denne varmemengden? Hvor mye vil i så fall forbruket av elektrisk energi til oppvarming bli redusert (i %)?

31 En 60 W glødelampe med forventet levetid 2500 t gir tilsva­ rende lysstyrke som 11 W sparelyspære med levetid 10 000 timer. Sparelyspæren koster imidlertid 98 kr, mens gløde­ lampen koster kr. 13. Hvor mye vil du tjene/tape i løpet av 10 000 timer ved å bytte ut 60 W glødelamper med energisparepærer? Ser du andre fordeler/ulemper ved å bytte pærer? Strømprisen settes til 0,45 øre/kWh

9 Arbeidsmiljø

Norge har i mer enn 100 år hatt et offentlig organisert arbeidstilsyn. Det vokste fram på grunn av de nesten ubeskrivelige arbeidsforholdene som eksisterte i mange fabrikker på 1800-tallet. Men i løpet av de siste hundre årene er det skjedd store forbedringer. Alle arbeidstakere har fått et sterkere lovmessig vern når det gjelder helse, miljø og sikkerhet på arbeidsplassen. Likevel er det rundt regnet 100 000 arbeidsulykker1 per år med personskader, flere tusen tilfeller av meldte invalidiserende sykdommer og rundt 60 ulykker med dødelig utgang.

9.1 Arbeidsmiljøloven Lov om arbeidervern og arbeidsmiljø av 1977 omfat­ ter all virksomhet i Norge som sysselsetter en eller

flere arbeidstakere, bortsett fra sjøfart, fangst, fiske og oljeutvinning. Lovverket stiller strenge krav til offentlig og privat virksomhet for å unngå de skadevirkninger et uheldig arbeidsmiljø kan påføre mennesker ved - arbeidsulykker, det vil si skader som oppstår ved plutselige hendelser - yrkessykdommer, det vil si nedbrytende virkninger på helsen som skyldes arbeidsforholdene

Direkte og indirekte koster slike skader samfunnet milliardbeløp. Etter arbeidsmiljøloven har arbeidsgiveren plikt til å sørge for at arbeidsmiljøet i virksomheten er fullt forsvarlig med hensyn til fysiske, psykiske, kjemiske, ergonomiske (s. 331) og biologiske arbeidsmiljøfaktorer.

Utdrag fra arbeidsmiljøloven a) Målsetting 1

Å sikre et arbeidsmiljø som gir arbeidstakeren

full trygg­

het mot fysiske og psykiske skadevirkninger. Den vernetekniske, yrkeshygieniske og velferdsmessige stan­ dard skal til enhver tid være i samsvar med den teknologiske og sosiale utviklingen i samfunnet. trygge tilsettingsforhold og en meningsfylt arbeidssituasjon for den enkelte arbeidstaker.

2

Å sikre

3

Å gi grunnlag for at virksomheten selv kan løse sine arbeidsproblemer i samarbeid med arbeidslivets organi­ sasjoner og med kontroll og veiledning fra offentlig myn­ dighet.

b) Krav til arbeidsmiljøet Arbeidsmiljøet i virksomheten skal være fullt forsvarlig ut fra en vurdering av de faktorene i arbeidsmiljøet som kan

ha innvirkning på arbeidstakerens fysiske og psykiske helse og velferd. Arbeidsplassen skal innrettes i samsvar med dette. Tekniske innretninger og utstyr skal være konstruert og for­ synt med verneinnretninger slik at arbeidstakerne er vernet mot skader på liv og helse. I en virksomhet der giftige eller andre helsefarlige stof­ fer blir framstilt, pakket, brukt eller oppbevart på en måte som kan innebære helserisiko, skal arbeidsprosessene og arbeidet for øvrig være fullt forsvarlig. Arbeidstakeren skal være sikret mot ulykker, helseskader eller særlig ubehag. Beholdere og emballasje for stoffene skal være tydelig merket med stoffets navn og med advarsel på norsk. Arbeidet skal legges til rette slik at arbeidstakernes muligheter til å vise aktsomhet og ivareta sikkerhetsbe­ stemmelsene ikke forringes. Forholdene skal også være slik at arbeidstakerne gis rimelig mulighet til faglig og per­ sonlig utvikling gjennom arbeidet sitt.

1 Vel 30 000 rapporterte yrkesskader. En regner med at antall skader er det firedobbelte

323

Arbeidsmiljø

Intensjonen med arbeidsmiljøloven har vært å skape holdninger, både hos arbeidsgivere og arbeids­ takere, som kan føre til at antall skader blir redusert. Arbeidsmiljøloven angår forhold som gjelder det indre miljøet. Det ytre miljøet er regulert av forurens­ ningsloven.

Verne- og helsepersonell Arbeidsmiljøloven sikrer arbeidstakerne rett til å delta i, og øve innflytelse på, utformingen av eget arbeids­ miljø. Det skjer gjennom deltakelse i organisert vemeog miljøarbeid i bedriften - i form av verneombud og arbeidsmiljøutvalg. Verneombud

Ved hver virksomhet som loven gjelder for, skal det velges verneombud. Virksomheter som har mindre enn 10 arbeidstakere, kan ved skriftlig avtale etablere en annen ordning. Større virksomheter kan ha mer enn ett verneombud. De skal i så fall ha minst ett hovedverneombud som skal samordne virksomheten til ver­ neombudene. Verneombudene, som er arbeidstaker­ nes tillitsvalgte i vern- og miljøsaker, skal gis nødvendig opplæring. Arbeidsmiljøutvalg

I virksomheter med 50 eller flere arbeidstakere skal det opprettes arbeidsmiljøutvalg. I utvalget skal det

være like mange representanter for arbeidsgiveren og arbeidstakerne. Hovedverneombudet skal delta på arbeidstakersiden. Planer av betydning for arbeidsmiljøet skal be­ handles i utvalget og de skal følge utviklingen som angår arbeidstakernes sikkerhet, helse og velferd. Med utgangspunkt i rapportene over yrkessykdommer og arbeidsulykker i bedriften skal de arbeide for å bedre forholdene slik at faren for ulykker reduseres. Arbeidsmiljøutvalget kan treffe vedtak om at arbeids­ giveren skal iverksette særlige tiltak for å utbedre arbeidsmiljøet. Verne- og helsepersonellet

Dersom det er nødvendig å gjennomføre særlig over­ våkning av arbeidsmiljøet eller kontroll av arbeidsta­ kernes helse, skal det være verne- og helsepersonell knyttet til virksomheten. Arbeidsgiveren har plikt til å knytte til seg nødvendig sakkyndig bistand. Verne- og helsepersonellet kan bestå av lege, sykepleier, yrkeshygieniker, sikkerhetsingeniør, psykolog m.v. De sær­ lige behov for ekspertise ved den enkelte virksomhet er avgjørende for hvilke yrkesgrupper som skal trek­ kes inn i arbeidet med helse, miljø og sikkerhet (HMSarbeidet). Verne- og helsepersonellet inngår som et ledd i det forebyggende HMS-arbeidet i virksomheten. De skal bistå arbeidsgiver og arbeidstakere - som verneombud og representanter i arbeidsmiljøutvalg - med å skape trygge og sunne arbeidsforhold. Det skal skje ved blant annet ved å - registrere sykefravær og personskader. Alle tilfel­ ler av yrkesrelaterte sykdommer skal meldes - registrere arbeidstakere som utsettes for løsemid­ ler, radioaktiv stråling, asbest eller andre skadelige forhold - vurdere risikofaktorer i arbeidsmiljøet og gi infor­ masjon om disse - forsøke å se sammenhenger mellom helse og på­ virkninger i arbeidet

Arbeidstilsynet Arbeidsmiljøloven gir Arbeidstilsynet en meget sent­ ral stilling i arbeidsmiljø- og vernearbeidet, både som kontrollerende og rådgivende organ. Hovedoppgaven i det daglige arbeidet er Figur 9.1 Ulike miljøorganer i en større bedrift må samarbeide

- å føre tilsyn med at lovgivningen blir etterlevd i verne- og miljøarbeidet, og at virksomhetene etab-

324

lerer internkontroll. De skal samordne og lede akti­ vitetene på arbeidsmiljøområdet - å utarbeide forskrifter og veiledninger - å gi informasjon om lovgivning og verne- og miljø­ arbeidet Ved ulykker på en arbeidsplass deltar Arbeidstilsynet sammen med politiet i arbeidet med å kartlegge år­ saksforholdene. Arbeidstilsynet består av et direktorat, 13 distrikts­ kontorer og 37 avdelingskontorer.

Internkontrollforskriften Forskrift om systematisk helse-, miljø- og sikkerhetsarbeid i virksomheter For å få til et systematisk arbeid for å bedre helse, miljø og sikkerhet (HMS) på arbeidsplassene har

myndighetene laget en forskrift2 (intemkontrollforskriften) som trådte i kraft 1. januar 1997 [151. Den skal være et hjelpemiddel eller verktøy som virksom­ hetene skal benytte for systematisk å forbedre arbeids­ miljøet og for å kontrollere at de oppfyller krav gitt i lover og forskrifter. Den stiller mellom annet krav til planlegging, kartlegging av driften, vurdering av risiko og iverksetting av tiltak. Hvordan går en fram?

Arbeidet med systematisk HMS-arbeid kan legges opp på forskjellige måter. Følgende hovedpunkter blir anbefalt [15]:

-

Igangsette Kartlegge Planlegge og prioritere tiltak Følge opp

Igangsette Lederen skal ta initiativ til å starte arbeidet. Han skal også sørge for at det blir gitt grundig og god informa­ sjon. Det er viktig for å motivere medarbeiderne. Det må formuleres overordnede eller konkrete mål for HMS-arbeidet. Målene, som skal være forplik­ tende, kan være ytterligere å forebygge helseskader, skape større trivsel på arbeidsplassen, redusere påvirkningen på det ytre miljøet og levere produkter og tjenester som innebærer minst mulig fare for helse og miljø. Arbeidet må organiseres, og det må klart framgå 2 En forskrift er «et vedtak som gjelder rettigheter og plikter»

Kjemi, kapittel 9

hvem som skal ha ansvar. De ansvarshavende må ha eller bli tilført kunnskap og gis myndighet til å gjen­ nomføre tiltak. Mål for arbeidet, organisering og ansvarsforhold skal foreligge skriftlig.

Kartlegge Våre virksomheter skal drives i overensstemmelse med norsk lovverk. I forbindelse med internkontroll tenker vi i første rekke på krav som er nedfelt i arbeidsmiljøloven, forurensningsloven, produktkontrolloven, brann- og eksplosjonslovgivningen og lov om tilsyn med elektriske anlegg og utstyr. Det må kartlegges hvilke krav lovverket stiller til virksomhe­ ten og dens produkter og tjenester. Arbeidsgiveren skal ifølge arbeidsmiljøloven utvikle gode prosedyrer for arbeidet. Maskiner skal utstyres med nødvendige vemeinnretninger, og arbeidsgiveren skal påse at verneutstyr blir benyttet. Arbeidsplassen skal være innrettet slik at arbeidstake­ ren er vernet mot brann- og eksplosjonsfare. Der arbeidet gjør det påkrevd, skal det utarbeides bered­ skapsplaner for ulykker og uhell. Det skal foreligge skriftlige instrukser for disse og liknende forhold. I kartleggingsfasen skal foretaket skaffe seg en oversikt over og systematisere eksisterende rutiner. Også avtaler angående arbeidsforhold, skade- og sykefraværsstatistikk, krav til avfallshåndtering, doku­ mentasjon som angår brannvern osv., skal samles og foreligge skriftlig. Tradisjonelt har kontroll og kvali­ tetssikring bestått i å overvåke at produktene holder et kvalitetsnivå som gjør at de er konkurransedyktige i markedet. Med arbeidsmiljøloven og Lov om pro­ duktkontroll blir det stilt ytterligere krav til produk­ tene, krav av brannteknisk, toksikologisk, kjemisk, fysisk og mekanisk art. Arbeidsgiveren må la utar­ beide prosedyrer som angir prøvetakings- og kontroll­ rutiner og gjennomføre de nødvendige prøver. Med varene skal det følge bruksanvisning der eventuelle faremomenter ved bruk av produktet er omtalt. Det skal foretas risikovurdering. Det innbefatter å kartlegge de ansattes trivsel og hvordan de samarbei­ der, og det går på direkte fysiske forhold som risiko for støyskader, yrkessykdommer og belastningslidel­ ser. Hvor kan det oppstå problemer - som risiko for brann, forurensende utslipp, skade på det ytre miljø m.m.? Det dreier seg om: 1) Hva kan gå galt? 2) Hva kan gjøres for å forhindre dette? 3) Hva kan vi gjøre for å redusere konsekvensene dersom noe skjer? Materialet som blir innsamlet i forbindelse med kart­ leggingen, for eksempel rapporter og måleresultater

325

Arbeidsmiljø

angående indre og ytre miljø, skal oppbevares til­ gjengelig. Med utgangspunkt i kartleggingen bør det lages et oppsett i form av et skjema, se figur 9.2, som tydelig viser hva som er gjort, og hvilke forhold som skal bedres. Område

OK

Må for­ Kommentarer bedres

Organisatorisk/ fysisk arbeidsmiljø Sykefravær

Personalkonflikter

/

Kartlegge årsak

/

Skaffe løftebord

/

Tunge løft Orden og ryddighet

Mye blanding av avfall - innskjerpe sortering

Håndtering av avfall

Lager for kjemikalier

/

Skilting og informasjon

/

Vedlikehold/ renhold

Rettet opp fra forrige runde

/

Dårlig, innskjerpe rutinene

Brann og forurensning Rømningsveier

/

Er ryddet

Brannslukningsapparat

/

Dårlig, lag ny rutine

Oljefyringsanlegg

/

Nedgravd oljetank - sjekke for lekkasjer

Ledninger

/

Løs ledning i produksjonen

Lysarmatur

/

Defekt armatur i produksjonen

Elektrisk anlegg

Elektriske produkter

skal gjøres for å bedre helse, miljø og sikkerhet i virk­ somheten. når tiltakene skal gjennomføres, og hvem som har ansvaret for at så skjer. Følge opp Lederen skal påse at tiltakene blir iverksatt ifølge handlingsplanen. Han er også ansvarlig for at HMSarbeidet fungerer over tid. Minst en gang om året skal det foretas en gjennomgang av dette arbeidet. Nye mål skal settes, nye kartlegginger foretas, og nye tiltak gjennomføres. HMS-arbeidet skal utgjøre en kontinu­ erlig innsats for forbedringer som kommer alle til gode. Arbeidstakeren har plikt til å melde fra om feil og mangler. Han kjenner problemet og har ofte gode forutsetninger for å komme med løsninger. Det skal finnes rutiner for hvordan feil og mangler kan bli ret­ tet opp slik at gjentakelser forhindres.

Kontroll Foretaket skal selv kontrollere at systemet fungerer (derav internkontroll). Myndighetene skal informere og veilede om kravene som stilles, og om prinsippene for HMS-arbeidet. Flere offentlige organer, i første rekke Statens forurensningstilsyn og Arbeidstilsynet, skal kontrollene at systemet er på plass og fungerer. Det skjer ved systemrevisjon og verifikasjon. Systemrevisjon innebærer en systematisk og grun­ dig gransking for å undersøke om det systematiske HMS-arbeidet fungerer tilfredsstillende. Revisjonen er i stor grad basert på skriftlig dokumentasjon fra virksomheten. Verifikasjon innebærer at myndighetene kommer på besøk. De vil forsikre seg om at det dokumenterte HMS-arbeidet blir fulgt opp av tiltak, med andre ord at det fungerer i praksis. Det skal ikke forekomme brudd på lover og forskrifter, tillatelser eller brudd på virksomhetens egne prosedyrer og instrukser.

/

Figur 9.2 Oppsett i form av et skjema som viser hva som er gjort, og hva som må forbedres. [15]

Planlegge og prioritere tiltak Når virksomheten har fått en oversikt over hvilke forhold som kan bedres, skal lederen i samarbeid med arbeidstakere, representert ved verneombud og arbeidsmiljøutvalg, planlegge og prioritere tiltak. Den endelige handlingsplanen skal være skriftlig og gjøres kjent for alle. I planen skal det tydelig framgå hva som

Mottiltak Ved brudd på regelverket kan virksomheten få skrift­ lig ordre om å rette opp forholdet. Ved grovere over­ tredelser eller unnlatelser kan tvangsmulkter, forurensningsgebyr og/eller politianmeldelse komme på tale. Hva oppnås? Det en ønsker å oppnå ved internkontroll, er

- bedre arbeidsmiljø og større sikkerhet - bedre vern av det ytre miljøet mot forurensning

326 - bedre behandling av avfall - forebygging av helseskade og miljøforstyrrelser fra produkter og forbrukstjenester

9.2 Arbeidsmiljøfaktorer Arbeidsmiljøloven stiller krav om at arbeidsmiljøet skal være «fullt forsvarlig». De mange faktorene i arbeidsmiljøet som kan virke inn på arbeidstakernes sikkerhet, fysiske og psykiske helse og velferd, skal ikke bare vurderes enkeltvis. Vi må også se på sam­ spillet mellom dem for å kunne få et tilnærmet riktig bilde av den totale belastningen som arbeidstakeren blir utsatt for. Arbeidsmiljøfaktorene blir vanligvis inndelt i tre hovedgrupper: - fysiske - kjemiske - psykososiale Figur 9.3 viser at et godt arbeidsmiljø er avhengig av de totale krav og belastninger fra miljøet (miljøfakto­ rene) kombinert med individets tilpasningsevne og behov. Av figuren framgår det at et godt arbeids­ miljø har store positive konsekvenser for individ og bedrift. En undersøkelse blant LO-medlemmer viste at de mest sjenerende miljøbelastningene var støy, ergono­ miske belastninger og trekk. Mange klaget også over

Kjemi, kapittel 9

ubehagelig temperatur og stoffer som framkaller eksem. Dårlig arbeidsmiljø kan føre til at mange føler seg uvel - tørre øyne, tett i nesen, hodepine, uopplagthet, tretthet og eksem (omtalt som huttetu syndromet). Dette resulterer i nedsatt arbeidsytelse (5-15 % for kontorpersonale som arbeider i et middelmåtig inne­ klima ifølge anslag fra Arbeidstilsynet). Ved nybygging bør en derfor ikke være for sterkt opptatt av pris per kvadratmeter nybygg. Det er vikti­ gere å bygge slik at det legges til rette for et godt inne­ miljø - for å oppnå størst mulig vediskapning per per­ son. Tar vi for oss kostnadene per årsverk, så er det lønn og indirekte kostnader knyttet til personen som gir det største utslaget (91 % i kontorbygg ifølge et anslag). Investeringene i bygget utgjør en relativt liten del (6 %). Kostnadene for å skape et godt inneklima er små (et anslag sier 600 kr per person og år). Slike investeringer gir vanligvis god avkastning i form av økt ytelse og trivsel hos de ansatte.

9.3 Fysiske miljøfaktorer De fysiske miljøfaktorene omfatter i første rekke de ytre påvirkningene vi blir utsatt for på arbeidsplassen i form av -

støy i innemiljøet og vibrasjoner klima belysning ioniserende stråling mekaniske forhold ergonomiske forhold

Ved tekniske forbedringer kan de fleste av de nevnte miljøproblemene fjernes eller reduseres. Men som regel er den helt ideelle løsningen for kostbar. Følgelig må en vanligvis velge et kompromiss mellom det ønskelige og det økonomisk og praktisk mulige. Av oversikten over arbeidsrelaterte sykdommer som ble meldt til Arbeidstilsynet, figur 9.4, framgår det at det ble registrert flest sykdommer/skader i ner­ vesystem og sanseorganer (f.eks. hørselsskader). Sykdommer i åndedrettsorganer, i hud og i skjelett- og muskelsystemet kommer på de neste plassene.

Figur 9.3 Betingelser for et godt arbeidsmiljø [1]

327

Arbeidsmiljø

1996 1997

Sykdommer

1994

1995

Infeksiøse og parasittære

13

5

14

Svulster

75

142

115

99

47

9

Psykiske lidelser

29

41

32

1 nervesystem og sanseorgan

971

1101

1586

1762

18

26

19

19

1 åndedrettsorganer

411

710

552

615

1 hud

341

390

373

433

1 skjelett- og muskelsystemet

452

495

370

381

Mangelfullt definerte tilstander

44

56

53

45

Akutte forgiftninger

62

22

17

22

Andre

47

20

17

25

2463

3008

3152

3457

1 sirkulasjonsorganer

Sum

Figur 9.4 Antall innmeldte arbeidsrelaterte sykdom­ mer etter hoveddiagnose i perioden 1994-1997. Arbeidsrelaterte sykdommer er et videre begrep enn det som betegnes som yrkessykdommer i henhold til Rikstrygdeverkets retningslinjer, og som gir visse økonomiske rettigheter.

Støy i innemiljøet Lyd er energi som forplanter seg ut fra en lydkilde. Lydkilden kan for eksempel være et trommeskinn. Når energi blir tilført trommeskinnet, fører det til at det oppstår trykkvariasjoner i lufta foran det sving­ ende skinnet. Det oppstår lydbølger som oppfattes som lyd av øret. Mottatt lydeffekt3 (watt) per arealenhet (m2) er et uttrykk for lydstyrken som omtales som lydintensiteten (I). Den laveste lyden som et menneskelig øre kan oppfatte ved 1000 Hz4 (høregrensen), er lydintensiteten Io = 10-12 W/m2. Lydintensitetene ligger til grunn for den måleenheten som blir benyttet når vi skal angi lydstyrken i desibel (dB). dB = 10 • lg 1/ Io. Med støy mener vi uønsket lyd. Innestøy skiller seg fra utestøy. Det skyldes at lyden i et lukket rom, i tillegg til å kommer direkte fra lydkilden, også når oss som sekundær lyd i form av reflekterte lydbølger fra tak og vegger, se figur 9.5. I et rom vil det oppstå etterklang. Det skyldes at de reflekterte lydbølgene bruker lengre tid på å nå øret enn de som kommer direkte fra kilden. Den tiden vi 3 Energi per tidsenhet 4 Frekvens er antall svingninger per sekund og angis i hertz. Hz

Figur 9.5 Lydbølgenes vei fra støykilde til mottaker

hører lyden, kalles etterldangstiden. I et industrilokale bør etterklangen gjøres minst mulig, fordi det resulte­ rer i lavere støybelastning. Etterklangen i et rom kan reduseres ved å sette opp plater av lydabsorberende materiale i taket og rundt støykilden, se figurene 9.6 a ogb. Vi skiller mellom lydabsorberende og lydisolerende materialer, se figur 9.7. En lydabsorberende vegg er dekket av porøse materialer, som skumplast, glassvatt, steinull eller tekstiler - ofte bak en perforert plate av tre eller stål. Relativt lite lyd blir reflektert fra veggen. God lydisolasjon oppnår vi ved å benytte materia­ ler med høy tetthet i veggen. Ved bruk av materialer med lavere tetthet må tykkelsen økes. Det er masse per kvadratmeter eksponert veggflate som er avgjø­ rende for lydisolasjonen.

Figur 9.6a Lyd reflekteres fra gulv, vegger og tak og gir etterklang

328

Kjemi, kapittel 9

Når lydstyrken (lydtrykknivået) blir for høy, opp­ fattes det som smerte. Smertegrensen ved 1000 Hz er 120 dB. Hørselsskader kan opptre ved langt lavere lydnivåer.

Figur 9.6b Eksempel på støydemping ved bruk av akustiske plater

Skader på grunn av støy Gjentatte belastninger eller sterk overbelastning kan føre til at hørecellene i det indre øret blir skadd med varig hørseltap som resultat. I arbeidslivet bør derfor mennesker som kan bli utsatt for helsefarlig lyd, undersøkes jevnlig for å forhindre at en hørselskade utvikler seg. For høye lydnivåer ved avspilling av musikk (f.eks. i diskoteklokaler) fører til hørselsskader. Målinger viser at rekrutter i dag har dårligere hørsel enn tidligere. Sterk bakgrunnsstøy fra bil, tog eller fly kan føre til dårligere søvn og/eller gi psykiske effekter med inn­ virkning på helse, trivsel og arbeidsprestasjoner. Vedvarende støy kan gi stressymptomer som kan influere på blodtrykk, hjertefunksjon og konsentra­ sjonsevne. Administrativ norm for støy Faren for hørselsskader avhenger i tillegg til lydstyr­ ken (lydtrykknivået) av frekvens (antall lydsvingninger per sekund) og tiden en blir utsatt for støyen (belastningstiden). På grunnlag av erfaring er det utar­ beidet normer for støy - hvor lydttrykknivå, frekvens og belastningstiden er variablene, se figur 9.8. Figuren angir en grense for lydnivå som ikke bør overskrides. Den viser at når lydstyrken øker ved gitt frekvens, må belastningstiden reduseres (illustrert med blå vertikal linje). Ved økende frekvens må lydstyrken minskes -

forutsatt samme belastningstid (se blå kurve).

Absorbert i vegg 52%

Absorbert i vegg 3%

Figur 9.7 Oppsplitting av lydenergi i absorberende og isolerende materialer

Støy, lyd og hørselsskader Øret er en fantastisk innretning med en imponerende

spennvidde for lydoppfattelse, men det er også sårbart for overbelasninger ved forskjellige former for støy. Hørselen er av betydning for å kunne orientere seg i tilværelsen, og en kilde til berikelse og glede. Derfor bør øret ikke utsettes for skadelig lydnivå.

Frekvens (Hz) Figur 9.8 Administrativ norm for støy i avhengighet av lydtrykknivå (lydstyrke), frekvens og belastninstid. Belastningstid, kurve I > 5 timer, II i 2 til 5 timer, III i 1 til 2 timer, V < 5 minutter [1]

329

Arbeidsmiljø

Myndighetenes krav

Ny forskrift om støy på arbeidsplassen ble vedtatt i 1993. Den trekker opp hovedlinjer for tiltak som arbeidsgiveren skal sette i verk for å hindre eller redu­ sere uønsket lydnivå. I forskriften er arbeidsplassene inndelt i tre grupper med fastsatte grenser for lydnivå, se figur 9.9. De angitte verdiene i tabellen gjelder ekvivalentnivå, det vil si gjennomsnittlig lydbelastning over en åttetimers arbeidsdag. Forskriften inne­ holder også krav vedrørende tekniske innretninger og påbud om hørselkontroll.

Gruppe

Arbeidsforhold

Normert ekvivalent­ nivå dB (A)

1

- store krav til ved­ varende konsentra­ sjon eller behov for å føre uanstrengte samtaler

55

II

- viktig å føre sam­ taler eller vedvaren­ de store krav til pre­ sisjon, hurtighet el­ ler oppmerksomhet

70

III

- støyende maski­ ner og utstyr under forhold som ikke går inn under grup­ pene 1 og II

85

loniserende stråling

Figur 9.9 Fra forskrift om støy på arbeidsplassen fastsatt av Arbeidstilsynet av 1993

Klima og belysning Klimaforholdene på en arbeidsplass er normalt be­ stemt av følgende faktorer:

-

Tilførsel av sollys Ved å plassere solfangere på taket er det mulig å lede lys gjennom rør med spesialbelegg nedover i en byg­ ning uten større tap, og fordele lyset til alle rom. Metoden ventes å revolusjonere byggeteknikken i det 21. århundret, og det er allerede planlagt å ta den i bruk i Norge. Den kan også brukes til opplysning av fjellhaller og tunneler. Teknikken fører til langt lavere energiforbruk og bedre innemiljø og er tilnærmet ved­ likeholdsfri. Mer dagslys gir store helsegevinsten Lys, og særlig sollys, stimulerer en rekke hormonelle for­ hold. Øyet er spesielt tilpasset dagslys. Godt lys vil kunne redusere plager som hodepine, søvnmangel og depresjoner.

temperatur luftfuktighet lufthastighet varmestråling støv

Disse faktorene, sammen med belysningen, er av stor betydning for trivsel og arbeidsproduktivitet. Det er utarbeidet anbefalinger for nivåer som flere av de ovennevnte størrelsene bør ligge innenfor for å gi et tilfredsstillende arbeidsmiljø. Emnet er mer utførlig behandlet i annen litteratur [1]. (Det vises også til Arbeidstilsynets Klimaveiledning, best.nr. 444.)

Røntgenstråler blir blant annet nyttet av leger for å studere beinbrudd og fordøyelsessystemet, av tannle­ ger for å finne hull i tennene og i industrien for å stu­ dere sveisesømmer. I forskningslaboratoriene har røntgenstrålingen mange anvendelser, for eksempel ved studier av materialstrukturer. I tillegg til røntgenstråling blir vi utsatt for ioniserende stråling på grunn av radongass som trenger inn i hjemmene, i form av naturlig bakgrunnsstråling og fra radioaktive komponenter i røykvarslere. Ved radioaktiv spaltning dannes tre typer av ioniserende stråling:

a-stråling, som består av heliumkjemer fi-stråling, som består av elektroner y-stråling, som er elektromagnetisk stråling Røntgenstråling er også elektromagnetisk stråling, men vanligvis med større bølgelengde enn y-stråling. Røntgenstråling bli produsert i røntgenrør. /-strå­ lingen, som har stor gjennomtrengelighet, regnes som mest skadelig, /^-strålingen er noe mindre farlig, astrålingen stoppes meget lett, men anses som meget farlig dersom strålingskilden er inni kroppen. Den ioniserende strålingen er spesielt lumsk fordi den ikke er synlig, og fordi virkningen ofte opptrer lenge etter bestrålingen. Strålingen avgir energi i cel­ lene som kan føre til biokjemiske reaksjoner. De kan resultere i at celler dør, at arveanlegg blir endret, eller at celler blir omdannet til kreftceller. Dette kan føre til mutasjoner og kreft. Følgelig er det strenge regler for bruk og oppbevaring av radioaktive stoffer og bruk av røntgenapparater. Det kreves offentlig godkjenning for å være i besittelse av radioaktive isotoper.

330

Kjemi, kapittel 9

Isotopene må oppbevares i egne beholdere av bly eller annet sterkt absorberende materiale. Bruken av radioaktive isotoper skal foregå etter spesielle rutiner for å unngå at operatøren skades av strålingen. Radon - en kilde til lungekreft Mange steder danner radioaktive stoffer i grunnen gassen radon (Rn 222). Radon omdannes ved kjernespaltning videre til radioaktive metaller. Ved innån­ ding kan disse feste seg til lungevevet og avgi «-strå­ ling som kan føre til lungekreft. Radongassen kommer i hovedsak inn i bygninger gjennom byggfundamentet. Problemet er størst i områder med alunskifer i grunnen. Gassen kan også bli avgitt fra byggemateria­ ler eller ved bruk av grunnvann. Radon blir regnet som en av de viktigste kildene til lungekreft i Norge. Skadene kan reduseres ved god ventilasjon og tetting av kjellergulv og grunnmur. Radiologiske måleenheter Nye radiologiske måleenheter ble innført i vårt land i 1977. Følgende størrelser blir målt:

-

radioaktivitet eksposisjon (dvs. strålingsmengde) strålingsdose (som angir energi absorbert i vev) doseekvivalent (som angir biologisk virkning av absorbert dose)

I et radioaktivt materiale blir atomkjerner spaltet. Radioaktiviteten er et uttrykk for antall atomer som blir spaltet per tidsenhet. Størrelsen blir målt i becquerel (Bq). En becquerel innebærer en spaltning (desin­ tegrasjon) per sekund. Den radioaktive strålingen som utgår fra et materi­ ale, fører til at en del molekyler i omgivelsene blir omdannet til ioner. Eksposisjonen, som er et uttrykk for denne ionedannende evnen, blir angitt i coulomb per kg. Den radioaktive strålingsdosen som når en person, blir bestemt av forholdet mellom strålingsenergien som blir mottatt, og personens vekt. Strålingsdosen måles i gray (Gy) (1 Gy = 1 joule per kg bestrålt masse). Ikke all stråling har like sterk biologisk virkning på levende organismer. En korrigering av strålingsdose på grunnlag av bestrålingens sammensetning gir et bedre bilde av den biologiske virkningen. Den korri­ gerte stråledosen, doseekvivalenten, blir målt i sievert (Sv) (1 Sv = 1 joule per kg).

Bygningsarbeidere med risikofylt arbeide. Foto: Ola Sæther

Mekaniske forhold. Tekniske innretninger De fleste yrkesskader som blir meldt til Arbeidstil­ synet, synes å skyldes skader på grunn av tekniske innretninger, som resulterer i støt eller treff av gjen­ stand eller kjøretøy, kontakt med skarp gjenstand, fall, klemt eller fanget av maskindel, splinter m.m. I tillegg kommer skader som skyldes elektriske forhold og inn­ retninger. Både Arbeidstilsynet og bedriftenes interne sikker­ hetstjeneste har arbeidet hardt for å redusere antall yrkesskader og dødsfall på arbeidsplassene ved å sikre maskiner og utstyr og ved å utarbeide instrukser og påby verneutstyr. Antall yrkesskader er likevel fortsatt høyt. Ifølge «Byggherreforskriften» (av 1995) blir bygg­ herren «gitt oppgaver og plikter for at sikkerhet, helse

331

Arbeidsmiljø

og arbeidsmiljø skal bli ivaretatt helt fra starten av prosjektet». Arbeidspress og skader. Produksjonsvennlig konstruksjon Det blir arbeidet systematisk med å redusere prosjek­ terings- og byggetid for å øke konkurransedyktighe­ ten. Det fører til mer arbeid på kveldstid og i helgene. Strammere tidsfrister betyr hardere arbeidspress og

økt sykefravær. Det oppstår belastningslidelser som fører til yrkesuførhet, attføring og tilsvarende tiltak. Hardere arbeidspress kan også skyldes at det arbei­ des på akkord. Tempoet er høyt og medfører fare for at det slurves med sikkerhetsarbeidet. Resultatet blir økt antall skader. Det er viktig at ingeniører ved utforming av kon­ struksjoner tar hensyn til produksjonsvennlighet. Gjenstandene skal være mest mulig enkle å bygge. Vanskelige arbeidsoperasjoner fører ofte til belast­ ningslidelser. For å oppnå produksjonsvennlighet bør personer fra arbeidsplassen delta i prosjekteringen. Det er en fordel med kort avstand mellom konstruktør og verk­ sted.

Ergonomiske forhold Mennesker er fysisk forskjellige. Det gjelder mellom annet kroppsproporsjoner, høyde og vekt. Derfor bør for eksempel en maskin eller et redskap bli tilpasset brukeren. Med ergonomi forstår vi studiet av tilpas­ ning mellom mennesket og arbeidsmiljøet (eller maskinen). Dersom maskinen eller redskapet er dårlig tilpasset brukeren, vil det lett kunne oppstå belastningssykdommer, vanligvis knyttet til muskler og skjelettet. Det er en vanlig årsak til ubehag og smerter - og til fravær og arbeidsuførhet. Tungt og ensidig arbeid medfører også ofte slike problemer. En forståelse av problemet krever kunnskaper om muskler og riktige arbeidsstillinger, se annen litteratur [1].

Miljøtilpasset bygging Tørre bygningsmaterialer - Orden, vedlikehold

Ifølge revidert plan- og bygningslov skal bygningsma­ terialer holdes tørre og rene både under lagring, trans­ port og montering på byggeplass. Dette skal gjøres for å unngå fuktproblemer som kan forårsake sopp, bakte­ rieangrep, dårlig lukt og uheldige kjemiske reaksjoner i bygget. Spesielt er dette et problem i sponplater og mineralull. Fuktproblemer kan forringe inneklimaet og gi helseproblemer både hos barn og voksne. Av det store antallet bygningsmaterialer bør det velges materialer som ikke avgir skadelige gasser som kan føre til sykdom (f.eks. allergi eller astma). Renhold bør gis større oppmerksomhet under opp­ føring av bygg. Bygget bør overleveres støvfritt - uten støv fra mineralull, sement, betong og gips. Spesielt er det viktig at ventilasjonskanalene er rene innvendig. Det krever at det er orden på arbeidsplassen og gjen­ tatt støvsuging mens innearbeidene pågår. Orden, vedlikehold og renhold er viktig for trivse­ len og for å unngå ulykker i arbeidslivet. Løse bordbiter med spiker, oljesøl, korrosjonsskadde trapper og dårlig tauverk er noen eksempler på årsaker til ulyk­ ker.

Figur 9.10 Arbeidshøyden må kunne reguleres 10-20 cm opp og ned for individuell tilpasning

9.4 Kjemiske miljøfaktorer Kjemisk helserisiko spenner over et vidt felt, fra akutt forgiftning av klorgass til uspesifikke symptomer ved for eksempel «rød diesel»5 og inneklima. Virkningen kan være fra kreft og fosterskader til hudlidelser og organskader. Kjemiske stoffer Mange farlige kjemiske stoffer er tatt i bruk i arbeid, hjem og fritid. De blir brukt som råstoffer eller hjelpe­ stoffer i industrien og inngår i en rekke produkter. Det er viktig å kjenne stoffenes egenskaper. Derfor skal det ved alle bedrifter hvor det blir arbeidet med farlige stoffer, finnes et stoffkartotek. I kartoteket har 5 Undersøkelser tyder på at denne ikke er farligere enn annen diesel

332

Kjemi, kapittel 9

Merking av kjemiske og brann- og eksplosjonsfarlige stoffer og produkter I henhold til «Forskrifter om merking av kjemiske stoffer og produkter som kan medføre helseskader», skal slike stoffer og produkter være skikkelig merket med faresymboler og advarselstekster på norsk.

EKSPLOSIV

Stoffene/produktene klassifiseres som: meget giftig, giftig, helse­ skadelig, etsende, irriterende. I til­ legg kan enkelte produkter bli klas­ sifisert som allergifremkallende eller kreftfremkallende.

EKSTREMT BRANNFARLIG

Advarselsetikettene skal også gi opplysninger om brann- og eksplosjonsfare.

Kan ved kontakt med ild eller ved friksjon eller støt bringes til eksplosjon.

Væsken har flammepunkt under 0 °C og kokepunkt under 35 °C.

Væske med flammepunkt under 21 °C. Gass som kan brenne i luft Fast stoff som er selvantennende, lett antennelig, eller som kan utvikle meget brannfarlige gasser i kontakt med vann eller luft.

Symbolene som benyttes

BRANNFARLIG

MEGET GimG

Kan i meget små doser forårsake alvorlige forgiftninger

hvert stoff sitt datablad, hvor stoffets viktigste egen­ skaper blir beskrevet. Databladet skal gi opplysninger om giftighet, brannfare, vernetiltak, mottiltak ved uhell m.m. I dag blir det stadig vanligere å kjøpe data­ programmer med slik informasjon. Programmene kan også holde styr på hvor stoffene er lagret, behold­ ningen til enhver tid, m.m. For det andre må det foreligge rutiner for behand­ ling av farlige stoffer. Dersom man utnytter den kunn­ skap som foreligger, og tar de nødvendige forholdsreg­ ler, vil risikoen for ulykker og helseskader reduseres drastisk. Arbeidsmiljøloven og produktkontrolloven gir regler for merking av kjemiske stoffer, se rammetekst. Disse reglene må bli fulgt. I særlig grad er det viktig når det gjelder løsemidler og løsemiddelbaserte malinger. Vi skiller mellom to former for yrkesskader som skyldes kjemiske stoffer:

Væsken har flammepunkt mellom 21 °C og 55 °C.

- akutte skader som forgiftninger, forbrenninger og etseskader - skader som opptrer over tid, som hjerne-, lunge-, nyre- eller leverskader, eller allergi og kreft Toksikologi

Toksikologi er læren om gifter og deres virkning på den menneskelige organismen. Stoffene kan bli tatt opp gjennom fordøyelsesorga­ nene, lungene og huden. Fra tarmen kan stoffene bli tatt opp i blodet. I noen tilfeller blir de omdannet i leveren til nye stoffer som blir utskilt i tarmen. Stoffer på vei ned i lungene kan feste seg i luftrøret eller i lungeblærene og derfra komme over i blodet eller bli liggende (f.eks. som partikler) i lungene. Gasser og væsker som tas opp gjennom huden, kommer direkte over i blodsystemet. Med blodet blir eventuelle skade­ lige stoffer ført til forskjellige organer som hjernen, leveren, nyrene, lungene og hjertet. De påvirker cel­ lene og kan føre til at organet blir skadd. Når vi sier at et stoff er giftig, så tenker vi på den

Arbeidsmiljø

evnen en gitt mengde av stoffet har til å gi en viss skade. Et stoff kan påvirke reaksjonen til et annet stoff i kroppen og forsterke giftigheten. A forutsi hvordan flere stoffer påvirker hverandre innbyrdes, er så godt som umulig. Enzymer er katalysatorer som sørger for at de mange kompliserte reaksjonene i kroppen kan foregå med rimelig hastighet ved kroppstemperatur. Noen enzymer har som oppgave å omdanne stoffer slik at de blir uskadelige og lettere lar seg skille ut av kroppen. Men det hender at nedbrytningsproduktene er mer far­ lige enn de opprinnelige stoffene, for eksempel kan de være kreftframkallende. Enzymer kan binde til seg tungmetaller og derved bli ødelagt. Kreftframkallende stoffer I kroppen blir det hele tiden dannet nye celler, mens andre dør. Det er en naturlig prosess. Nydannelsen av celler skjer kontrollert og bare etter behov. Men noen ganger svikter kontrollmekanismen slik at cellede­ lingen skjer uhemmet. Det er dette som skjer når kreft oppstår. Kreft er en av våre mest alvorlige folkesyk­ dommer. Visse kjemiske stoffer og ioniserende stråling som blir brukt på arbeidsplassene, kan gi yrkesbetinget kreft. Et av de mest kjente av disse stoffene er asbest. For 30 år siden ble stoffet ansett for å være meget nyt­ tig og ufarlig. Nå vet vi at dersom vi blir utsatt for asbest i dag, så kan vi risikere å få kreft om noen tiår. Også sigarettrøyk inneholder farlige, kreftframkal­ lende stoffer. Undersøkelser viser at røyking sammen med asbest øker kreftrisikoen langt mer enn røyking og asbest sammenlagt. Denne forsterkende effekten gjelder også i andre sammenhenger og blir kalt synergisme. Fra yrkes- og dagliglivet kjenner vi mange stoffer som anses å være kreftframkallende: benzen, formal­ dehyd, PAH, PCB og trikloreten, for bare å nevne noen av de mest kjente. Benzen finnes i white-spirit og bensin. Formaldehyd er en viktig bestanddel i limet som blir benyttet ved produksjon av bygningsplater, og trikloreten er et vanlig rensemiddel. Mange av de nye stoffene som tas i bruk, er ikke godt nok testet. Vi kan derfor ikke se bort fra at det blant disse kan forekommer stoffer som kan gi tilsva­ rende overraskelser som asbest. Allergiframkallende stoffer

Allergi er et gresk ord som betyr endret reaksjon, og er en form for overfølsomhet overfor stoffer som krop­

333 pen blir utsatt for. Andelen av befolkningen som pla­ ges av allergi, har vært sterkt økende. Det er særlig barna det går ut over. Det blir regnet med at denne utviklingen dels skyldes at moderne hus er for tette, og ventilasjonsanleggene for dårlige, slik at skadelige luftforurensninger ikke i tilstrekkelig grad blir fjernet fra innelufta. Men også forurensning i utelufta, tilsetningsstoffer i maten, nye medisiner og kjemikalier på arbeidsplassen forventes å gi sine bidrag. Dersom en person i tillegg til dette utsettes for aktiv eller passiv røyking, er det ekstra skadelig. At vi får stadig flere yrkesallergikere med astma og eksem, er et uttrykk for at arbeidsmiljøet fortsatt ikke er godt nok. Allergiske sykdommer medfører store plager og påfører samfun­ net store kostnader. Løsemidler Korttidspåvirkning av løsemidler kan føre til sympto­ mer som svimmelhet, hodepine, kvalme, oppkast o.l. Langtidspåvirkning kan føre til at leveren og/eller hjernen blir skadd. Hjerneskader kan i alvorlige tilfel­ ler føre til forandringer i personligheten, depresjon, hukommelsestap og nedsatt konsentrasjon. Fordi de alvorligste skadene utvikles over tid, har sammenhen­ gen mellom påvirkning og skade ofte blitt oversett. I dag har rundt 10 000 personer større eller mindre løsemiddelskader, mange med alvorlige kroniske skader. Derfor informerer Arbeidstilsynet om virkningen av løsemidler, blant annet ved å utgi publikasjoner, for eksempel spesialbrosjyren «Løsemiddelskader kan ikke helbredes, bare unngås». Arbeidstilsynet har dess­ uten utarbeidet grenseverdier som ikke bør overskri­ des (administrative normer), for innhold av helsefarlige/giftige stoffer i luft. Disse er fastsatt ut fra tekniske, økonomiske og medisinske vurderinger. Men selv om normene blir overholdt, er man ikke sik­ ret mot helsemessige skader og ulemper. Det skyldes at forskjellige personer reagerer svært ulikt, og at vi fortsatt vet for lite om langtidsvirkningene. Vann er det viktigste av de uorganiske løsemidlene. De fleste løsemidlene er imidlertid organiske stoffer, og det er disse som gir de største problemene. Et eksempel på et slikt stoff er formaldehyd. Det inn­ går i lim som blir brukt i bygningsplater. Dersom pla­ tene ikke er tilstrekkelig utherdet, gir de fra seg for­ maldehyd slik at gassen kan nå faretruende nivåer i innelufta - spesielt i nye boliger. Løsemidler inngår i mange råstoffer og produkter som blir brukt i hjemmet og arbeidslivet. Maling, lakk og lim inneholder løsemidler som white-spirit, toluen,

334

Kjemi, kapittel 9

xylen, etylacetat m.fl. Klorerte hydrokarboner, som trikloreten (tri) og karbontetraklorid (tetra), har vært mye brukt til avfetting av gjenstander i mekanisk industri og som rensevæske i renserier. Ved bruk av maling og lakk blir vi sterkt eksponert for løsemidler. Problemene er blitt betydelig redusert

- ved at organiske løsemidler i maling i stor utstrek­ ning er blitt erstattet med vann (i vannbaserte malinger) - ved at det anvendes vernemaske med friskluftinnblåsing ved påføring av malinger som inneholder farlige organiske løsemidler

Figur 9.11 Eksempel på riktig utforming av ventila­ sjonsanlegg ved lakkeringsbord i et tilfelle hvor det ikke anses nødvendig å bruke verneutstyr

Dersom en ikke bruker vernemaske, må en sørge for tilfredsstillende lufting ved bruk av maling som inne­ holder organiske løsemidler. Konsentrasjonen av løse­ midler i lufta skal ligge under grensen som kan gi langtidsvirkning. Det yrkeshygieniske luftbehovet (YL-tallet) skal være angitt på malingboksen. YL-tallet er et uttrykk for luftbehovet per liter stoff som blir brukt. YL-gruppe 00 0 1 2 3 4 5

Luftbehov per liter brukt stoff 0-30 m3/l 30-100 100-400 400-800 800-1600 1600-3200 > 3200

YL-gruppe 5 blir brukt for de farligste malingene. Tallene må bare regnes som veiledende.

Det må også gjøres oppmerksom på at løsemidler er brannfarlige. Mange tragiske branner har funnet sted ved bruk av åpen ild eller elektriske innretninger sam­ men med organiske løsemidler. Dette er en av grun­ nene til at det er så viktig å merke løsemidler.

9.5 Psykososialt arbeidsmiljø Dette angår forskjellige psykologiske og sosiale for­ hold som er knyttet til arbeidssituasjonen. Det avhenger av og påvirker den enkelte medarbeiders mentale tilstand og evne til å samarbeide, og virker inn på hele samarbeidsklimaet på arbeidsplassen. En rekke forhold som gjør jobben belastende, opp­ trer ofte sammen og forsterker hverandre i negativ ret­ ning. Kort opplæringstid, sterk spesialisering og detal­ jert styring kan resultere i ensidig arbeid preget av gjentakelser. Arbeid som er risikofylt eller fysisk belastende, gir også ofte psykiske påkjenninger. Fysiske og psykiske belastninger avhenger dessuten av arbeidstidsordninger og samarbeidsforhold. Dertil kommer at de enkelte arbeidstakerne har ulike forut­ setninger for å tåle påkjenninger. Det må derfor legges vekt på den enkeltes vurdering av arbeidssituasjonen. Det blir antatt at psykiske helseproblemer som skyl­ des arbeidssituasjonen, er en av de viktigste årsakene til langtidssykefravær blant arbeidstakere. Arbeidsmiljølovens regler om medbestemmelse er av stor betydning for et godt arbeidsmiljø. Vesentlig er det også at loven pålegger arbeidsgiveren ansvar for å legge forholdene til rette på en slik måte at arbeids­ takerne ikke blir utsatt for uheldige psykiske belast­ ninger. Medarbeidersamtaler, som er fortrolige samtaler mellom leder og ansatte, kan bidra til å skape et åpent og tillitsfullt samarbeid på arbeidsplassen. Samtalene skal utgjøre en systematisk oppfølging av hver enkelt i bedriften. Den skal sikte mot å avdekke ønsker og behov hos den enkelte og sette dem opp mot bedrif­ tens og lederens målsetting. Den gir en individuell behandling hvor tanken er å utløse potensialet hos de ansatte. Når samtalene skjer i en atmosfære av tillit, vil de føre til økt trivsel, lavere fravær og økt produk­ tivitet. Arbeidsmiljøloven har dessuten den målsettingen at arbeidet skal være meningsfullt, med muligheter for selvutvikling for den enkelte arbeidstaker.

335

Arbeidsmiljø

9.6 Litteratur 1 N.C. Boye (red), Miljøkunnskap. Universitetsforlaget 1994 2 N.C. Boye, Kjemi for ingeniører i og 2.Universitetsforlaget 1992 og 1987 3 Max Elden m.fl., Samfunn og bedriftsutvikling. Universi­ tetsforlaget 1985 4 Direktoratet for Arbeidstilsynet. Veiledning - klima og luft­ kvalitet på arbeidsplassen. Best.nr. 444, 1991 5 Arbeidsmiljøloven. Best.nr. 323, 1981 6 Løsemiddelskade r kan ikke helbredes, bare unngås. Best.nr. 470,1986 7 Giftige og andre helsefarlige stoffer. Best.nr. 390. 1988 8 Kjemiske helsefarer - krev merking. Best.nr. 436, 1986 9 Administrative normer for forurensning i arbeidsatmosfære. Best.nr 361. 1986 10 Forskrifter for merking, omsetting m.v. av kjemiske stoffer og produkter som kan medføre helsefare. Forskrifter om merking av brannfarlige og eksplosive varer. Miljøvern­ departementet og Kommunal- og arbeidsdepartementet, 1982 11 Luftforurensning, virkninger på helse og miljø. SFT-rapport nr. 381982 12 G. Flatheim. Håndbok for innemiljø. RIF. 1992 13 L. Engels m.fl., Miljøkjemiske problemer, Gyldendal dansk forlag 1977 14 Opplæring i verne- og miljøarbeid i staten. Forb.- og adm.dep. 1977 15 Forskrift om systematisk HMS-arbeid i virksomheter (Internkontrollforskriften). Flere departementer

4-9 er utarbeidet av Direktoratet for Arbeidstilsynet

Spørsmål og oppgaver 1 Når fikk vi i Norge den gjeldende arbeidsmiljøloven, og hva er lovens hovedmålsetting? 2 Hva er et verneombud? Hva vet du om sammensetningen av arbeidsmiljøutvalget? Hvilke oppgaver har dette utvalget? 3 Hvilke arbeidsoppgaver har Arbeidstilsynet?

4 Norske bedrifter er blitt pålagt å gjennomføre internkontroll. Hvorfor har våre styresmakter kommet med dette pålegget? Hvilke positive resultater forventer de av dette initiativet? Hva menes med forkortelsen HMS? 5 Hva menes med begrepene systemrevisjon og verifikasjon i forbindelse med internkontroll? Forklar hva som ligger i set­ ningen: «Internkontrollsystemet skal være dynamisk». 6 Hvilke forhold går inn under gruppebetegnelsen «fysiske miljøfaktorer»?

7 Hva menes med støy? Hva er det som fører til hørselskader? Nevn tre forhold som en må ta hensyn til når det gjelder å bestemme om det kan oppstå hørselskader. Hva er det høy­ este tillatte støynivået (målt i dB(A)) på en arbeidsplass hvor arbeidet krever stor og vedvarende konsentrasjon over hele arbeidstiden? 8 Hva er forskjellen på et lydabsorberende og et lydisolerende materiale? Hva kjennetegner de to materialtypene? 9 Hva mener vi med toksikologi?

10 Gjør rede for hva vi mener med a-, p- og y-stråling

11 Radon er en vanlig gass i mange hus. Hvor kommer gassen fra, og hvordan kommer den inn i huset? Hva kan høyt inn­ hold av radon i innelufta føre til? Hvilke tiltak kan bli satt i verk for å redusere radonnivået? Fins det områder med høyt radoninnhold i boliger i den kommunen du bor i eller nær­ liggende kommuner? (Ta eventuelt kontakt med miljøansvarlige i kommunen.)

12 Hva menes med allergi og hva skyldes det at antall allergitilfeller øker? 13 En liten gutt (9 md.) ble brakt til sykehus med et alvorlig astmaanfall. Etter kort tids behandlig kunne han sendes hjem, men hjemme utviklet sykdommen seg raskt igjen. Dette gav mistanke om at astmaen hadde sammenheng med inneklimaet. Det kom fram at kort tid før barnet ble sykt, var det blitt satt opp en bokhylle bygd av sponplater over senga. Under transport til hjemmet var platene blitt våte. Hylla ble fjernet, og barnet har siden ikke vært plaget av astma. Hvilket stoff kan ha vært årsak til astmaanfallet?

14 En mann som arbeidet i et renseri for vel ti år siden, ble flere ganger observert på vei hjem i en tilstand som fikk folk til å tro at han var beruset. Han hadde ikke drukket alkohol. Hva kan ha vært årsaken til at han gikk ustøtt? Etter lengre tid begynte personen å endre personlighet, ble til tider svært deprimert og mistet hukommelsen. Hva blir i dag gjort for at den slags problemer ikke skal få utvikle seg?

15 Hva mener vi med, og hva skal til for, å skape et godt psykososialt arbeidsmiljø? Dersom forholdene på dette feltet er dårlige, vil det kunne få alvorlige konsekvenser. Hva kan det føre til?

336

Noen viktige internettadresser Her er noen sentrale internettadresser. Ved å gå inn på dem vil du finne forbindelser til et stort antall andre adres­ ser i inn- og utland. De åpner for et vell av miljøinformasjon.

www.odin.dep.no gir forbindelse til www. odin. dep. no/md/ www.ssb.no www.norsas.no www. arbeidstilsynet, no www.nve.no www.ngo.grida.no/naturvern www.bellona.no/ www.sol.no/tu/ www.grida.no

www. nn.apc. org/sei/ www.mst.dk www.environment-agency.gov.uk www.doe.ca/ www.epa.gov/epahome www.unep.ch/ www.eea.dk www.iaea.or.at/ www.yahoo.com

www.greenpeace.org www.foe.co.uk www.wwf-uk.org/

departementene Miljøverndepartementet Statistisk sentralbyrå Norsk kompetansesenter for avfall og gjenvinning, Norsas Arbeidstilsynet - med opplysninger om arbeidsmiljø Norges vassdrags- og energidirektorat, NVE Naturvernforbundet Miljøstiftelsen Bellona Teknisk Ukeblad - som har mye bra miljøstoff UNEP - United Nations Environment Program. Grid Arendal - som også gir opplysninger om norske forhold Stockholm Environment Institute Miljø- og energiministeriet, Danmark Environment Agency, England Environment Canada Environmental Protection Agency, EPA, USA United Nations Environment Program. Geneva Executive Center European Environmental Agency International Atomic Energy Agency Velg search. Tast inn Environmental Web Sites. Trykk search. Dette gir deg tilgang til et stort antall kilder med miljøstoff Greenpeace Friends of the Earth World Wildlife Fund

337

Fasit til Del 1 - Kjemi Et eget hefte. Fasit med kommentarer av Nils Chr. Boye, inneholder en mer fullstendig fasit og gir hjelp til løsning av oppgavene.

Kapittel 1 1.1

1836,1838

1.3

2, 8, 18, 32, 50 ; 2n2

1.4

55, 82, 55 ;’gCs

1.5

35;^C1

1.6

Alle inneholder 8 protoner og 8 elektroner. Antall nøytroner er henholdsvis 8, 9 og 10.

1.10 ls22s22p63s23p3 ; 5 elektroner i ytterste skall

1.11 ls22s22p63s23/763(7104s24p3

1.12 [He]2?, [Ne]3?, [Ar]4s2, [Kr]5?, [Xe]6s2, [Rn]7? 1.13 :Se:—, Sr++, :F:-, K+ 1.14 Cu: ls22s22p63s23p63J94s2, Eu: 1522522p63523p63i71045'24/764éZ104/75F5/?665'2 1.15 2 elektroner i skall nr. 6 8 elektroner i skall nr. 5 20 elektroner i skall nr. 4 Skall nr. 1, 2 og 3 er fylt.

Kapittel 2

2.13 a) Avtakende polaritet i bindingene : H-F, H-Cl, H-Br, H-I b) Avtakende polaritet i bindingene : Al-Cl, Si-Cl, P-Cl, S-Cl

2.14 HBr: polar kovalent binding, MgO og Na2O: ionebindinger, H-S i H2S: svakt polar binding, C-H i CH3C1: svakt polar binding, C-Cl i CH3C1: relativt svak polar binding. 2.17 Van der Waalske bindinger, polare bindinger og hydrogenbindinger. 2.18 H2O-molekylene er bundet sammen med hydro­ genbindinger. Bindingen mellom HCl-molekylene ligger i et grenseland og kan karakteriseres som hydrogenbinding.

2.1

K, B-, :Br-, Mg-,

2.2

a) 2 K(l) + Br2(l) -» 2 KBr(s) b) K ^i^Br: -» K+ + Br KBr; ionebinding

3.2

14,0066

d) argonstruktur, kryptonstruktur

3.4

111, 16,0, 32,0, 132,1 og 218,3

b) MgBr2

3.5

Fe(s) + S(s) -» FeS(s)

A1F3

3.6

S(s) +O2(g) -» SO2(g) SO2(g) + 1/2O2(g) -> SO3(g) SO2(g) + H2O(1) -» H2SO3(aq) SO3(g) + H2O(1) H2SO4(aq)

3.9

55,85 g Fe, 28,00 g N2,

P-

2.3

a) 12, 10, +2

2.4

BaCl2,

2.5

Br-Br, kovalent binding

2.8

b) H2Se,

2.9

0 = 0 (forenklet modell), O = C = O, CH3-CH2-CH3, CH3-CH=CH2, H-C = N

K2O,

PH3,

Kapittel 3

HBr

6,02 • 1O23 Fe-atomer 6,02 • 1023 N2-molekyler

338

Fasit

6,02 • 1023 Fe2O3-enheter

4.5

3.10 A1F3, 80 % ionekarakter 1 mol A1F3 inneholder 6,02 • 1023 AlF3-enheter og 1,806 ■ 1024 F“-ioner

KC1, CaCl2, CdS, MgCO3, A1F3, C12O7, Fe2(SO4)3, Fe(HSO4)2

4.6

K2SO4 - kaliumsulfat, KH2PO4 - kaliumdihydrogenfosfat, FeSO4, Fe(H2PO4)2, A12(SO4)3, A1(H2PO4)3

159,70 g Fe2O3,

b) 32,0 g CH3OH,

3.11 a) 58,45 g NaCI, c) 180,0gC9H8O4

3.12 a) 0,510 mol H2SO4, b) 0,116 mol Na2CO3, c) 0,0727 mol C12H22On

3.13 1,67 • 1021 molekyler, 3,0 • 1012 H+-ioner 3.14 0,100 mol Cu++, 0,500 mol H2O

3.15 c) 0,56 kg CaO 3.16 l,13kgH2O, l,38kgCO2 3.17 0,176 tonn H2

3.18 a) 60 tonn per døgn

b) 3,67 tonn

3.19 43,3 g Cu i overskudd 3.20 0,23 g blytetraetyl

3.21 17,1%,

82,4%,

46,7%,

35,0%

3.22 Kobberkis: 34,6 % Cu, kobberglans: 79,8 % Cu

Kapittel 5 5.1

29,23 g NaCI

5.2

0,5000 M HCI

5.3

a) 0,0755 M b) 0,0345 M c) 4,74 M d)18,0M

5.4

a) 470 ml

5.5

0,261

5.6

0,406 M,

5.7

6,0 M

5.8

1,85 g/1

5.9

0,0787 mol/l

b) 75 ml

5.10 40 ml 5,00 M KOH må fortynnes med vann til 2,001

3.23 C3H4O3,

C6H8O6

5.11 0,142 M

3.24 a)C6H12O6

b) Na2S2O8

5.12 1,37 1

b) 2,77 ml

5.13 a) 18,1 M

Kapittel 4 4.1

4.2

Kalsiumfluorid, bariumklorid, strontiumsulfid, natriumjodid, kaliumhydrid, kaliumoksid, aluminiumoksid

Magnesiumkarbonat (som inneholder magnesiumion, Mg++, og karbonation, CO3~), strontiumnitrat, kaliumfosfat, natriumsulfitt, bariumsulfat, natriumklorat, kalsiumnitritt

4.3

Natriumklorid, kaliumkarbonat, natriumkarbonat, kalsiumklorid, natriumnitrat

4.4

a) Kobber(II)klorid, jem(III)sulfat, mangan(IV)oksid, mangan(II)bromid, kalsiumbromid, svoveltrioksid, (di)fosforpentoksid, dinitrogentetroksid, karbonmonoksid, kaliumhydroksid, ammoniumsulfat b) Natriumhydrogenkarbonat, kalsiumdihydrogenfosfat, mangan(II)hydrogensulfat, aluminiumhydrogensulfat

2,3 M

0,50 M,

5.14 2,8 ml

5.15 2,9 millioner mennesker 5.16 Ca. 29 % (28,6 %); 360 CO2-molekyler per 1 million luftmolekyler

Kapittel 6 6.1

0,179 g/1,

6.2

Stoff:

1,96 g/1,

2,86 g/1,

3,16 g/1

N2 og CO

o2

CO2

o3

Formelvekt:

28

32

44

48

Tetthet (g/1):

1,25

1,43

1,96

2,14

6.3

0,715 g/1,

6.4

1,30 g/1

6.5

CO2 (1,96 g/1) og H2S (1,52 g/1) har større tett­ het enn luft (1,30 g/1).

3,79 g/1.

6,87 g/1,

1,34 g/1

339

Fasit

6.6

a) 4,75 m3 b) 8,88 m3 c) Molforholdet: 0,266

6.7

a) 18,5 g

b) 97.61

c) 104 atm

Kapittel 7 7.2

[Ni(CO)4] -ni4-

a)Æ=[CO2]

b)Æ =

c) Å'= [CO2] • [H2O]

[HoO]2 d)Æ = 2-^-2-

8.4

Korresponderende base: HCOO -ionet

8.5

HSO< har amfotære egenskaper.

8.6

HC1O4 er en sterk syre. HF er en svak syre.

8.7

Sterk syre: HNO3, salpetersyre Svake syrer: CH3COOH, eddiksyre nh4+, h2s, hco3Sterke baser: NaOH, Ba(OH)2 Svake baser: NH3, SO4 , HCO3“ HCO3“ har amfotære egenskaper.

8.8

^a(H2CO3)=4,2- 10-7

[h2j 7.3

Å^=10

7.4

a) Det blir dannet lite CO og H2. b) Det blir dannet mye HCI. c) Det blir dannet mye CH4.

7.5

Æc = 6,3-105

7.6

0,049 mol PC15/1, 0,28 mol Cl2/1

7.7

a) [H2] = [I2] = 0,10 mol/1, b) [HI] = 1,57 mol/1

7.8

[NO] = 0,0054 mol/1, [O2] = 0,0078 mol/1

^a(HCN)

8.9

0,95 mol PC13/1, [HI] = 0,80 mol/1

= 4,O-1O“10

*b(HC03-) = 2,4 ■ 10-8 Æb(CN-} = 2,5 • 10“5 ^a(H2CO3) ’ ^b(HCOj) = 1,008 • 10"14 ^a(HCN) ' ^b(CN-) = 1,000 • 10“14

8.10 a) Ingen reaksjon c) Ingen reaksjon

8.12 a) 1,5

7.9

8.13 a) 5.0 • 10“5 mol/1

b) 4,0 • 10“13 mol/1

8.14 12,5

8.15 991

8.16 4,1

7.10 Reaksjonen går mot venstre.

8.17 a) KOH + HCI -> KC1 + H2O d) 3 Mg(OH)2 + 2 H3PO4 -» Mg3(PO4)2 + 6 H2O

7.11 b) Mer SO3 og NO blir dannet. c) [SO3] = [NO] = 0,00173 mol/1 [SO2] = 0,000875 mol/1 [NO2] =0,00038 mol/1

8.18 1,26 g/m3

8.19 6,31

7.12 Ved økt trykk og/eller lavere temperatur vil vi få økt innhold av SO3 i likevektsblandingen

7.14 a) b) c) d)

d) 6,99

c) 12,8

b) 3,0

[N2] = 0,037 mol/1

b) 0,96 mol H2 c) [CO2] = [H2] = 1,66 mol/1 [H26] = [CO] = 0,34 mol/1

7.13 a) Mot høyre

b) Sur d) Basisk

8.20 a) 12,1

b) 0,13 1

8.21 a)l,6-10“4

b) 2,4

8.22 a) 8,3 • 10“5

b) 2,9

c) 1,51

b) Mot venstre

Trykket har ingen innvirkning. Konsentrasjonen av klormetan avtar. Konsentrasjonen øker. Konsentrasjonen øker.

8.23 a) CH3COO" er en base

c) 4,7

8.24 9,5 8.25 a) A pH = 5,0

7.15 a) Mot høyre b) Mot høyre d) Mot venstre d) Mot høyre

b) 8,9

b) A pH = 0,09

c) Mot venstre

Kapittel 9 9.2

Kapittel 8 8.3

Perkloration - C1O4 , kloration - C1O3“,

nitrittion - NO2 , fluoridion - F“

a) Ingen reaksjon. b) Tungtløselig BaSO4 blir dannet. c) Tungtløselig CH3COOAg blir dannet. e) Den svake elektrolytten H2S blir dannet.

340

Fasit

9.3

Det blir dannet tungtløselig BaSO4 og Ni(OH)2. (En løselighetstabell viser at Ni(OH)2 er et tungtløselig stoff.)

9.4

Det blir dannet tungtløselig PbSO4.

10.8 Au + NO3- + 4 CL+ 4 H+ AuC14- + NO + 2 H2O

9.5

Løseligheten avtar i rekkefølgen: PbCl2, Ca(OH)2, AgI, CuS, Bi2S3

10.9 2 Fe + 2 CrO4-+ 2 H2O-+ Fe2O3 + Cr2O3 + 4 OH

9.6

a) 1,3 mg

9.7

a) Ingen felling

9.8

1,9 • IO"7 g/1

9.9

a) 0,11 g/1

b) 21 mg/]1

c) 2,4 mg/l

b) AgCl blir utfelt

b) Ingen felling

c)0,17°H

9.10 0,0776 g FeS2, 75,9%

9.11 a) 1,35 • 10-13g/m3

b) 2 CrO4— + 3 HSO3 + 7 IF + 2 Cr3+ + 3 SO4- + 5 H2O

b) 135 g/m3

9.12 12,4 9.13 a) 0,17 g/1

b) 14 mg i 0,5 1

9.14 a) 1,8 mg/l

b) 0,00011 mg/l

9.15 a) 0,25 mg/l

b) 4,0 • 10-11 mg/l

Kapittel 10 10.1 a)+1,+5,+2,-3,+5 b) +4. +6, +7, +3

10.2 Karbon er oksidert. (Oksidasjonstall: 0 —> +4) Svovel er redusert. (Oksidasjonstall: 0 -» -2) Nitrogen er redusert. (Oksidasjonstall: +5 —> 0) 10.3 a) Jern er oksidert: Fe Fe++ + 2e Oksygen er oksidasjonsmiddelet. 2 Fe + O2 + 2 H2O 2 Fe (OH)2 b) Natrium er oksidert: Na —> Na+ + e~ Hydrogen i vann er oksidasjonsmiddelet. 2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2

10.4 Oksidasjonsreaksjon: Fe++ - e —> Fe3+ Reduksjonsreaksjon: Cr2O7" + 14 H+ + 6 e" -+ 2 Cr3 + 7 H2O 6 Fe++ + Cr2O7~ + 14 H+ -> 6 Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O

10.5 4 Cl2 + S2O3- + 5 H2O -» 8 Cl~ + 2 SO4~ + 10 H+ 10.6 3 Ag + 4 HNO3 -> 3 AgNO3 + NO + 2 H2O 10.7 a) 2 CN" + 5 OCR + H2O-+2 CO2 + N2 + 5 CF + 2 OH-

Kapittel 11 11.1 a) Ni - 2e" -> Ni++, E°oks = 0,23 V Ni-staven blir anode. Cu++ + 2e" -> Cu, E°red = 0,34 V b) E° = 0,57 V 11.2 a) Platinastaven blir negativt ladet. b) Normalreduksjonspotensialet for reduksjonen Ag+ + e- -+ Ag blir E°red = 0,80 V. 11.3 a) lonenes evne til å ta opp elektroner øker i rekkefølgen: Fe++, H+, Fe3+, NO3" i surt miljø, Cr2O7“ i surt miljø b) Reduksjonsmidlenes styrke øker i rekkeføl­ gen: Cr3+ i vann, NO i vann, Fe++, H2, Fe 11.4 a) Fe + 2HC1 -> FeCl2 + H2, E = 0,44 V Da E > 0, blir det reaksjon. b)3Fe + 3NOy+ 12 H+-+ 3 Fe3+ + 3 NO + 6 H2O forutsatt at det er nok hno3. Reaksjonen skjer i to trinn med E° = 1,40 Vog E°2 = 0,19 V.

11.5 a) Zn + Cu++Zn+++ Cu, E°=l,10V, reaksjon b) Ag + Fe++ —> ?, E° = -1,24 V, ingen reaksjon c) Sn++ + 2 Fe3+ -> Sn4+ + Fe++, E° = 0,62 V, reaksjon d) 3 Ag + NO3- + 4 H+ -> 3 Ag+ + NO + 2 H2O E° = 0,16 V, reaksjon 11.6 E = 0,56 V

11.7 a)Ni + 2Ag+—>Ni++ + 2Ag, b) Nikkelstaven blir anode. 11.8 4,53 kg Mg og 4,18 m3 CI2

11.9 49 min

11.10 14,9kWh/kg 11.1 2 Sink blir oksidert: Zn + 2 OH' - 2e- -+ Zn(OH)2

E=l,06V

341

Fasit

Hg++-ioner blir redusert: HgO + H2O + 2e~ -» Hg + 2 OH~ Sinkstaven blir negativ pol.

11.1 3 a) Ni3+ (i Ni(OH)3) tar lettere opp elektroner enn Fe++ (i Fe(OH)2). b) Fe/Fe(OH)2 blir anode. Fe + 2 Ni(OH)3 -> Fe(OH)2 + 2 Ni(OH)2 c)E = 1,35 V 11.1 4 Anodereaksjon: Zn(s) + 2 OHAaq) -» ZnO(s) + H2O + 2 e' Katodereaksjon: Åg2O(s) + H2O + 2 e —> 2 Ag(s) + 2 OH (aq)

11.1 5 Zn + HgO

12.1 7 a) 2-metylbutan: CH3 - CH - CH2 - CH3

CH3 b) 3,4-dietylheptan: C2H5 ch3

- ch2 - CH - CH - ch2 - CH2 - CH3 c2h5

c) 2,2,3,3-tetrametylpentan: ch3 ch3 ch3 - c - c - ch2

- ch3

ch3 ch3

ZnO + Hg d) 3,3-dietyl-2,5-dimetylheksan: c2H5 I CH3 - CH - c - ch2 - CH - ch3

Kapittel 12 12.8 propyl, C3H7- ; butyl, C4H9- ; pentyl, C5HU- ; heksyl, C6H]3- ; heptyl, C7H15- ; oktyl, C8H]712.9 2 C4H10 + 13 O2 Eksoterm.

8 CO2 + 10 H2O + energi

12.1 0 Karbonmonoksid, CO (kullos)

12.1 1 CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3, n-pentan CH3 - CH - CH2 - CH3, 2-metylbutan CH3 CH3

CH3 - C - CH3, 2,2-dimetylpropan

ch3 c2h5

e) 4-etyl-3,5-dimetyl-6-propyldekan: ch3 ch3 ch3- CHo - ch - ch - ch - ch - CH^ - æ - ch^ 1 1 c2h5 c3h7

CH = C - CH2 - C - CH3 ch3

12.1 5 1-penten: CH2 = CH - CH2 - CH2 - CH3 2-penten: CH3 - CH = CH - CH2 - CH3

2-metyl-1-buten: CH2 = C - CH2 - CH3

12.2 2 a) sykloheptan:

^CH2\ ch2 ch2 ch2

ch2

\h2— ch2

CH3

3-metyl-1-buten: CH2 = CH - CH - CH3

b) klorsykloheksan:

CH3

Cl

2-metyl-2-buten: CH3 - CH = C - CH3 CH3

12.1 6 CH2 = CH - CH2 - CH3 + Br2 CH2Br - CHBr - CH2 - CH3 Addisjonsreaksjon

- ch7

12.1 8 a) 1,4-pentadien: CH2 = CH - CH2 - CH = CH2 b) 2-heksyn: CH3 - C = C - CH2 - CH2 - CH3 c) 4-brom-4-metyl-l-pentyn: Br

CH3 12.1 2 Heksan 68 °C, heptan 98 °C, oktan 126 °C, nonan 151 °C, dekan 174 °C

ch3

ch2

I

ch2

ch2 ch2

^ch2^

342

Fasit

12.32 Teknisk produksjon: CO + 2 H2 -h> CH3OH

c) etylsyklobutan: C2H5

katalysator

CH - CH2

ch2

CH2 - CH. d) 1,2-diklorsyklopentan: Cl

12.35 a) b) c) d) e)

= ch2 + h2o

->

ch3

- ch2oh

1-propanol 2-propanol 2-metyl-2-propanol 5-brom-4-metyl-l-heksanol sykloheksanol

CH3 - CH. - CH - CH2 - CH3 I OH

12.36 a) 3-pentanol:

b) 3-etyl-2-pentanol: CH3 - CH - CH - CH. - CH3

12.2 3 a) 3-etyl-2-metylheksan b) 4-etyl-2,2-dimetylheksan c) 2-klorbutan d) 2-penten e) 4-klor-4-metyl-l-pentyn f) 2-heksyn 12.26 a) etylbenzen:

b) 4-klor-l-metylbenzen:

C2H5

OH

C.H5

c) 4-klor-3-etyl-l-heksanol: Cl

CH. - CH. - CH - CH - CH2 - CH3

OH

C.H5

d) 1,3-butandiol: CH. - CH2 - CH - CH3 I I OH OH

(eller: CH3 - CH - CH. - CH.OH) OH e) syklopentanol: c) 2,4-diklor1-metylbenzen:

d) 1,3,5triklorbenzen

f) 2-metyl-l-butanol: CH.OH - CH - CH. - CH3

CH3 12.27 a) 1,2-dibromsyklobutan b) klorbenzen c) 1,3,5-trimetylbenzen

12.28 CH3Br - brommetan (metylbromid), CH2Br2 - dibrommetan, CHBr3 - tribrommetan, CBr4 - tetrabrommetan

g) hydroksibenzen:

h) 1,2-dihydroksibenzen:

343

Fasit

2,4,6-triklorfenol

12.37 1-butanol: CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - OH, 2-butanol: CH3 - CH2 - CH - CH3

OH CH3

2-metyl- 1-propanol: CH3 - CH - CH2OH, CH3

2-metyl-2-propanol: CH3 - C - CH3

Kapittel 13

OH 12.41 Formaldehyd: CH2= O. lUPAC-navn: metanal. 12.44 a) 1-propanal

12.45

b) 2-metyl-1-butanal

13.6

H

H H

13.5 7 CO(g) + 15 H2(g) -4 C7H16(1) + 7 H2O(1) 7 CO(g) + 14 H2(g) -4 C7H14(1) + 7 H2O(1)

H-C-C-O-H +i/2O2-4 H - C - C = 0 + H2O 1 1 H H H H

H

H H H H | | [O], KMnO4 | [0], KMnO„ | H-C-C-0-H-4H-C- C = 0—>H-C-C = O 1 1 1 H OH H H H H

smørsyre, lUPAC-navn butansyre: CH3 - CH2 - CH2 - COOH 12.52 Dietylamin: (C2H5)2NH trimetylamin: (CH3)3N 1,2-diaminoetan: CH2 - CH2 nh2

difenylamin: (C6H5)2NH 12.54 Glysin: 2-aminoetansyre, alanin: 2-aminopropansyre

12.56 Pentaklorfenol

2,3,4,6-tetraklorfenol

H

II

+ c=c

+ c=c

II II

II II

H

H

H

H

Cl

1

—> —

Cl

Cl

+

Cl

Hi 1

-

c-c 1

1

\H al n 13.7 Tetrafluoreten:

F

F

C= C

F

F

Framstilling av teflon: F F FF + c=C 11

F

+

F

C=C

I

+

C=C

+

C=C

II II

II II

II II

FF

FF

FF

c-c

I

FF

FF

11

\F

NH2

H

H

II

OH

OH

H

II

+ c=c

1

12.50 Maursyre, lUPAC-navn metansyre: H - C = O

eddiksyre, lUPAC-navn etansyre: CH3 - C = O

H

II

+ c1 = C /H

12.47

H

H

F/n

+

344

Stikkord abiotiske faktorer 164 absorpsjon 215 acetat 152 aceton 151 acetylen 143 acetylsalisylsyre 50 actinoider 16 addisjonspolymerisasjon 158 addisjonsreaksjon 142 administrativ norm for støy 328 adsorpsjon 215,221 adsorpsjon i vann 253 aerobe forhold 230 aerosoler 195,215 afotisk sone 173 airconditionanlegg (luftkjølingsanlegg) 308 akkumulator 130 aktiv solvarme 297 aktivitet, a 68 aktivslamprosessen 255 aktivt karbon 221 akutte skader 332 akvakultur 242 akvatisk økosystem 170 Al3+-ioner i vann 107 alanin 155 aldehyd 150 alderspyramide 165, 166 alderssammensetning 165 alger, giftstoffer 232 alifatiske hydrokarboner 137 alkalisering 252 alkalisk tørrelement 130 alkan 137 alken 142 alkohol 148 alkohol fra biomasse 300 alkohol som drivstoff 157 alkoholer, enverdige 148 alkoholer, flerverdige 149 alkylgruppe 139 alkyn 143 allergi 237,333 Altamont Pass 303 aluminiumelektrolyse 188 aluminiumframstilling 136 aluminium i vann 234 aluminium, resirkulering 270 aluminiumion i sur løsning 84 Alzheimers sykdom 234 amfotære egenskaper 79 amin 152 aminosyre 153 ammoniakk, sur nedbør 205 ammoniakk, utslippskilder 206 ammonium 205

anaerob nedbrytning, avfall 270 anaerobe forhold 174, 230 anergi 284 anilin 153 anion 27 anode 27, 115,133, anode, elektrolyse 127 antibiotika i fiskeoppdrett 243 antibiotika i kompostering 270 antrasitt (hardt kull) 290 antropogen forurensning 190 Aralsjøen 227 arbeidsmiljø 322 arbeidsmiljø, krav til 326 arbeidsmiljøloven 322 arbeidsmiljøutvalg 323 arbeidsrelaterte skader/sykdommer 326, 331 Arbeidstilsynet 323 arbeidsulykker 322 aromater 145 aromater i bensin 157 aromatisk forbindelse 145.146 arter, stedegne 235 arter, truede 175 asbest 333 asbest i drikkevann 251 asbestose 215 aske 215, 291 askorbinsyre 51 aspirin 50 astma 214,333 atmosfærens sammensetning 190 atmosfærisk vindu 191 atom 12 atombombe 293 atommasse 40 atommodell 12 atomnummer 14 atomreaktor 293 atomvekt 41 atomvåpen, spredning 295 Auken, Svend 198 autoprotolyse 85 autotrofe organismer 170 avfall 261 anaerob nedbrytning 270 energigjenvinning 270 kommunalt 263 materialgjenvinning 270 ombruk 270 vektbasert retursystem 271 våtorganisk 264 avfallsbehandling 263 avfallsdeponi 263, 265, 266 avfallsdirektiver, EU 261 avfallsforbrenning 266, 268 avfallsgebyr 276

avfallshåndtering, vekstnæring 276 avfallsinnsamling 263 avfallsplan 270, 274 avfallssortering 271 avfallstyper 262, 263 avgift, EE-produkter 274 avgift, NOX 210 avgifter, avfall 276 avgifter, miljø 198,305,316 avleiringshemmere 245 avløp, spredt bebyggelse 258 avløpsvann 254 Avogadros lov 62 Avogadros tall 43 avskoging 162 avtaler, utslipp miljøgifter 247 Azobacter 172

bakgrunnsstøy 328 bakkenært ozon 199,214 bakterier i jord 172 bakterier, nitrifiserende 172 bakterier, patogene 253 bakterier, resistente 165 balansering av likning 43 ballastvann 243 Bangladesh 196 Barentshavet 295 base 78, 79 basekonstanten, Kb 83 basisk metall 225 basisk tørrelement 130 becquerel (Bq) 330 beitemark 162 belastninger, psykiske 334 belastningssykdommer 331 belastningstid, støy 328 belysning 313,329 bensin 139, 157 bensin, energibærer 284 bensinframstilling 74 bentonitt 264 benzen 145 benzo(a)pyren 146 bestand 165 betinget fornybare energiressurser 287 biler, framtidens 306 biler, hydrogendrevne 307 bilkatalysator 222 biltrafikk 216 binding, dipol-dipol- 35 binding, elektrostatisk 27 binding, kovalent 26, 29 binding, polar kovalent 32 binær forbindelse 52 biobrensel 300 biocider 245

345

Stikkord

biodiversitet 175 bioenergi 300 biofilmanlegg 256 biogass, jordbruk 300 biogassanlegg 317 biokjemisk oksygenforbruk (BOF) 233, 254 biologisk bekjemping 241 biologisk mangfold 175 biologisk rensing 255 biologisk ressurs 161 biologisk skadedyrbekjempelse 167 biomasse 299 biomasse, statistikk 288 biomasse, utviklingsland 317 bioolje 301 biopelleter 321 biorotor 256 bioteknologi 163 bioti ske faktorer 164 biotop 168 Birkeland, Kristian 70 blanding, eksplosiv 144 blanding, mekanisk 42 bly 158 blyakkumulator 130 blytetraetyl 51 blågrønnalger 174,230 blåskjell, giftstoffer 232 blåstein 51 blåsyre 78 BNP/energi 316 BOF (biokjemisk oksygenforbruk) 233, 254 Bohr, Niels 12 Bohr-Rutherfords atommodell 12 Boltzmanns konstant 63 borekaks 245 borevæske 245 Borgenfjorden 232 Bornholm 305 bransjeavtaler 275 bransjeorganisert retursystem 274 Bravo-utblåsningen 243 breeder 295 brennstoffer, fossile 286 brensel, matlaging 317 brenselbriketter 300 brenselcelle 133,306 brenselsstaver 293 brent kalk 51,82 Brevik, forbehandlingsanlegg 280 bringesystem 263 brunkull 290 brunstein 130 brutto primærproduksjon 170 bruttoformel 137 bruttonasjonalprodukt (BNP) 316 Brønsted, J.N. 78 Btu (British thermal unit) 285 buffer 94, 96 butan 138 bygass 290 bygg- og anleggsavfall 263 byplanlegging 314 byrette 57

bæreevne 166 «bølgehøvelen» 304 bølgekraft 303 bølgelikning, Schrodingers 17 børsteormer 233

cellepotensial, E 118 celleånding (respirasjon) 170 Chadwick. J. 11 chilesalpeter 55 Chrysochromulina polylepis 232

cis-2-buten 143 cis-trans-isomeri 143 coulomb 11 cyanid, uskadeliggjøring 113 cyanidion 128 dagbrudd, kull 291 dambygging 227 dampkraftverk 307 Daniells element 116 datablad 332 DDT 147,236 dehydreringsreaksjon 151 dehydrogeneringsreaksjon 151 dekomponent (nedbryter) 171 demning 301 Demokrit 11 denaturert sprit 149 denitrifikasjon 173 denitrifisering 257 deponi, plassering 264 deponi, potensiell miljøbombe 278 deponigass 266 desibel (dB) 327 desinfisering 253 desintegrasjon 330 destillasjonståm 156 detritus 174 deuterium 15 diamin 159 dieselaggregat 304 diffuse utslipp 228, 239 dinitrogenoksid (lystgass) 194, 202 dioksin 292 dioksin fra avfallsforbrenning 268 dioksin, Seveso 60 dioksinutslipp 241 dipol 33, 100 dipol-dipol-binding 35 dispergeringsmidler, olje 246 dispersjon 244 disponering av spesialavfall 279, 280 disyre 159 DN (Direktoratet for naturforvaltning) 217 dobbeltbinding 30, 142 Dobson enheter (DU) 199 Dobson. G.M.B. 199 doseekvivalent 330 drikkevann 249 drikkevann, behandling 252 drikkevann, hygiene 249, 250 drikkevannsforskrifter 250 drikkevannskilder 251

drivhuseffekten 192, 197, 198 drivhuseffekten, mottiltak 197 drivhusgasser 192 dryppvanning (mikroirrigering) 227 DU (Dobson enheter) 199 dusjtåm 220 dyreplankton (zooplankton) 174, 230 dyrket mark 161 dødsrate 166

eddik 152 eddiksyre 80, 152 edelgass 21,26 EE-avfall (elektrisk og elektronisk avfall) 273 effekt 285 eksergi 284 eksoterm reaksjon 49 eksplosiv blanding 144 eksponentiell vekst 166 eksposisjon, radioaktiv stråling 330 ekstern resirkulering 181 ekstremt vær 196 ekvivalentnivå, støy 329 elektrisk bil 114 elektrisk og elektronisk avfall (EE-avfall) 273 elektrode, inert 119 elektrofdter 220 elektrokjemi 114 elektrokjemisk celle 114 elektrokjemiske spenningsrekka, den 119, 120 elektrolyse 126 elektrolyse, aluminium 188 elektrolyse, beregninger 128 elektrolyse, vann 306 elektrolytt 83 elektromagnetisk stråling 12,190 elektron 11 elektronegativitet 33 elektronenes energi 13 elektroner, ett mol 128 elektronkonfigurasjon 19, 23 elektronpar 30 elektronstruktur 19 elektrostatisk binding 27 element 11,14 elementærladning 11 elementærpartikler 11 el-kjøretøy 314 elver, nedslagsfelt 226 EMAS-godkjenning 187 emballasje 280 emfysem 214 emigrasjon 166 end of pipe-teknologi 187 endoterm reaksjon 49 energi 284 elektronenes 13 kinetisk 284 mekanisk 284 potensiell 284 utviklingsland 316

346 energi/BNP 316 energibehov, prognoser 305 energibærere, kommersielle 288 energiflyt, Norge 286 energiforbruk 310 energiforbruk, landbruk 315 energiforbruk, levestandard 316 energigjenvinning, avfall 270 energikvalitet 284 energinivåer 13 energipriser 198 energiproduksjon 186 energipyramide 171 energireserve 287 energiressurser 286 betinget fornybare 287 fornybare 288 ikke-fornybare 288 levetid 288 energiråstoffer, fossile 49 energistrøm, økosystem 170 energistrømmer, globale 286 energistrømsanalyse 183 energiøkonomisering (enøk) 283, 310, se også enøk enhetscelle 28 entropi 284 en verdig alkohol 148 enzymer 75 enzymer, nedbrytning 333 enzymer, skader 237 enøk (energiøkonomisering) 283,310 belysning 313 bygninger 311 industri 313 kraftproduksjon 315 landbruk 315 samferdsel 313 enøkpotensial, samfunnsøkonomisk 311 EPA (Environmental Protection Agency) 180,215 epilimnion 173 ergonomi 331 erlenmeyerkolbe 91 erosjon 162,226,240 erstatningsstoffer for KFK 202 essensiell aminosyre 153 ester 71 etan 30, 138 etanol 148 etanol som drivstoff 157 etanolmolekyl, hydrogenbinger 101 eten 142 eter 158 etterforbrenning 267 etterklang 327 etterklangstid 327 etylen 142 etyn 143 EU-direktiv, vannkvalitet 250 EU-direktiver, avfall 261 eufotisk sone 229 eutrof (næringsrik) innsjø 174,175 eutrofiering 229

Stikkord

eutrofiering i havet 231 Exxon Valdez 243 Eyde, Sam 70 FAO 162 farlige stoffer, rutiner 332 fattigdom/rikdom 161 fekalier 259 fellesbrukbinding 26, 29 fellesioneffekt 93 fellesioneffekt, løselighet 105 fenol 155 ferrosilisiumstøv 181 ferskvann 226 fettsyre, mettet/umettet 152 fiber, kunstig 158 filterstrategi 180 Fischer-Tropsch-syntesen 74, 158 fisjon 293 fisjonsreaktor 292 fisk, næringsnivå 174 fisk, surt vann 234 fiskeoppdrett 242, 243 fjernvarme 268, 307 fjernvarmenett 309, 311 fjærmygglarver 174, 233 FK (fluorkarboner) 217 flerprotisk/flerverdig syre 54 flerverdig alkohol 149 flis fra treavfall 274 flom, forurensing 226 flotasjon 292 fluor, resirkulering 181 fluorkarboner (FK) 217 flussyre 82 flyktige organiske forbindelser (VOC) 212 FNs klimapanel (IPCC) 195 folketall 161, 163 forbehandlingsanlegg, Brevik 280 forbindelse aromatisk 145, 146 binær 52 klorert 251 syklisk 142 umettet 144 forbrenning 139 forbrenning, avfall 266, 268 forbrenning, fullstendig/ufullstendig 49 forbrenning, kull og olje 291 forbruksavfall 262 forebyggende strategi 180 forgreinet kjede 139 formaldehyd 150, 333 formaldehyd, allergi 237 formalin 151 formasjonsvann 245 formelenhet 28 formelmasse 41 formelvekt 41 formeringsreaktor 295 formiat 152 fornybare energiressurser 288, 296 forskning og utvikling (FOU) 305 forskrift om støy 329

forsølving 128 fortrengningsvann 245 fortynning 58 fortynningsstrategi 179 forurenseren bør betale 198 forurensning antropogen 190 estetisk 303 global 189 grunnvann 250 indikator 209,214,232 langtransportert 206 lokal 189 primær 213 regional 189 sekundær 195,213 termisk 294 ved flom 226 fosfation 31 fosfor, minimumsfaktor i vann 229 fosforfjeming, biologisk 257 fossile brennstoffer 286 fossile brennstoffer, uttak 291 fossile energiråstoffer 49 fossilt vann 227 fotisk sone 174 fotokjemiske oksidanter 213 fotolyse 244 foton 12 fotooksidasjon 244 FOU (forskning og utvikling) 305 frekvens 12 frekvens, støy 328 freon 147 Fretex/Elevator 275 frigen 147 fuktproblemer, bygninger 331 fungicid 155 funksjonell enhet 186 funksjonell gruppe 148 fusjon 296 fyllplass 264 fyrkjel 307,311 fysiske miljøfaktorer 326 fysisk-kjemiske faktorer 164 fødselsrate 166 fåbørstemark 174

galvanisk celle 114 gasohol 157 gass fra avfallsdeponi 266 gass fra kull 290 gasser fra forbrenning av kull og olje 291 gasser, tetthet 63 gassfraksjon 157 gassgenerator 300 gasskonstant 62 gasskraftverk 210 gassrensing 219 gassturbin, elproduksjon 307 gassvasker 220, 268 Gause, G.F. 168 Gauses eksklusjonsprinsipp 168 generell korrosjon 134

347

Stikkord

genetisk mangfold 176 genetisk variasjon 175 genmateriale 176 geotermisk energi 304 giftalger 232 gifter, opptak av 332 giftig stoff 332 gitter, kubisk 27 gitterstruktur 34 gjenbruksmaskiner, PC-er 273 gjenbruksrevolusjon 277 gjenvinning, kostnader 276 gjenvinningsanlegg, uran 295 gjenvinningsfond 277 gjenvinningsstrategi 180 gjødselplaner 240 global forurensning 189 globalt oppvarmingspotensial (GWP) 192 glykol 149 glyserin 149 glyserol 149 glysin 153 gray (Gy) 330 grenseverdier, anbefalte 212 grunnstoff 11, 14, 171 grunntilstand 12 grunnvann 224, 225 grunnvann, overforbruk 227 grunnvannsforekomster 252 grunnvannsforurensning 250 grunnvannsspeilet 224, 225 gruppe 16 gruvedrift, kull 291 gruver, miljøgifter 236 grønn utviklingsmekanisme 198 grønske, forurensningsindikator 232 gråsugg 233 Guldberg, Cato M. 67 Guldberg-Waages lov 68 GWP (globalt oppvarmingspotensial) 192

Haber-Bosch-syntesen 75 habitat 168 HAc, eddiksyre 80 halm i plast 240 halogen 146 halogenerte hydrokarboner 147 haloner 147, 201 halveringstid 295 halvleder 16 halvmetall 16 halvreaksjoner 110 handelsnavn 141 hardt kull (antrasitt) 290 hardt vann 107, 238, 252 havbruk, miljøkostnader 242 havnivå, økning 196 havstrømmer, endring 196 havstrømmer, miljøgifter 236 havvann 226 «hazardous waste» 263 helse, miljø og sikkerhet (HMS) 323 helsefare, merking 238 helseskader, drivhuseffekten 197

helseskader, sur nedbør 208 hemoglobin 139 hentesystem 263 herdeplast 158 hertz (Hz) 327 hevdnavn 52 HKFK (hydrogenfluorkarboner) 203 HMS (helse, miljø og sikkerhet) 323, 325 homogen blanding 56 homolog serie 138 hormonhermere 237 hovedenerginivåer 13 hovedgruppe 16 hovednivåer 17 hovedskall 13 hovedvemeombud 323 humus 226 humus i vann 251 Hunds regel 20 husholdningsavfall 262 hydrider 109, 306 hydrogen 15 hydrogen som energibærer 305, 306 hydrogenbinding 36, 37 hydrogenbindinger og løselighet 101 hydrogenelektrode 117 hydrogenfluorkarboner (HKFK) 203 hydrogenframstilling 76, 111, 127, 306 hydrogenmolekyl 29 hydrogensulfid i vann 230 hydrokarbon 137,222 hydrokarboner, halogenerte 147 hydroksidion 80 hydrologisk belastning 248 hydroniumion 79 hypolimnion 173 hørselsskader 328 I (lydintensitet) 327 ideell gass 62 IEA (International Energy Agency) 199 igloer 263 ikke-fomybare energiressurser 288 ikke-metall 16 ikke-metalloksid i vann 85 immigrasjon 166 immunforsvar, skader 237 IMO (FNs internasjonale skipsfartsorganisa­ sjon) 210 indikator 90 indikatorbakterier 238 indikatorplanter, forurensning 214 individ 164 industri, enøk 313 industri, vannforurensning 241 inert elektrode 119 infiltrering i grunnen 258 infrarød stråling 12,190 inhibitor 113 injisert vann 245 inneklima 326 innestøy 327 innetemperatur 312 innsamling av avfall 263

innsjø, eutrof (næringsrik) 175 innsjø, oksygensvikt i 230 innsjø, oligotrof 174 innsjø som økosystem 173 innsjøtyper 226 insekticider 147 intern resirkulering 181 internasjonale avtaler 210 intemkontrollforskriften 324 inversjon 213 ion 21, 37 ionebinding 26, 27 ionebytter 253 ionebytting, kolloider 208 ionegitter 27 ioneprodukt, vannets 85 ioner, sammensatte 31 ioniserende stråling 329 IPCC (FNs klimapanel) 195, 311 irreversibel reaksjon 288 ISO (Intemationahzation Standardization Organization) 186 isobutan 140 isolasjon, bygninger 312 isomere stoffer 140 isooktan 157 isopren 159 isotoper 14 isotoper, radioaktive 329 IUPAC 141

jem(II)sulfid 230 jordbruk, punktutslipp 240 jordbruk, økologisk 241 jordkolloider 208 jordmetaller, sjeldne 16,22 jordolje 156 joule 284 kadmium 132 kadmium i vann 234 kalk, brent 82 kalk, lesket 83 kalking av vassdrag 235 kalksalpeter 51 kalkstein 51 kalori (cal) 285 karbidlampe 144 karboksyl gruppe 151 karboksylsyre 151 karbon, aktivt 221 karbonatisering 96 karbondioksid 192, 193 karbonkretsløpet 192 karbonmonoksid 139,292 karbonskatt 198 karbonylgruppe 150 katalysator 74 katalysator, Cl-atom 202 katalysator i bil 222 katalytisk kjedereaksjon 202 kation 27, 127 katode 27. 115, 133 katode, elektrolyse 127

348 katodisk beskyttelse 134 kaustisk soda 45 Kekule, August 145 Kekules formel 145 keramisk vegg 116 keton 151 KFK (klorfluorkarboner) 147, 194, 199,201 KFK, erstatningsstoffer for 202 KFK, forbud 203 KFK, svart marked 204 kildereduksjon 180 kildesortering 271,276 kilerenneanlegg 303 Kina 163 kinetisk energi 284 Kiribati 196 kjedereaksjon 293 kjemisk felling, vannrensing 253 kjemisk forbindelse 14 kjemisk okygenforbruk (KOF) 254 kjemisk reaksjon 42 kjemisk rensing 257 kjemisk tegn 12 kjemiske forbindelser, nye 238 kjemiske stoffer, merking 332 kjernekraft, fordeler/ulemper 294 kjernekraftverk 292 kjernereaksjoner 292 kjøpesentre 314 klimaforhold 329 klimakssamfunn 168 kloakk til elv 233 kloakk, kommunal 254 kloakkrenseanlegg 255 kloakkvann, rensekrav 259 klor, desinfeksjon 253 klor, framstilling 127 klorerte forbindelser 251 klorerte hydrokarboner, utslipp 241 klorfjeming 112 klorfluorkarboner (KFK) 147, 194, 199,201 klorin 238 klormetan 77 klorofyll 170 kloropren 159 knallgass 71, 132, 224 knappcellebatteri 136 knott 300 kobberglans 51 kobberimpregnering 243 kobberkis 51 KOF (kjemisk oksygenforbruk) 254 koffein 61 kokepunkt 35 kokevannsreaktor 293 koks 290 koksalt 26 kolera 249 kollektivtrafikk 216,313 kolloide partikler 253 kolloider, ionebytting 208 kombinerte anlegg, elproduksjon 303 kommunal kloakk 254 kommunalt avfall 263

Stikkord

kompaktor 265 kompensasjonsdyp 173 kompostering 269 kompresjon 157 kone. HCI 59 kondensasjonsreaksjon 159 kongevann 113 konkurranse, artsnivå 168 konkurranse, individnivå 167 konsentrasjon (løsningens styrke) 57 konsentrasjonscelle 124 konsument 171, 174 kontroll staver 293 korrosjon 133 korrosjon, generell 134 korrosjon, sur nedbør 208 korrosjonshemmere 245 kovalens 30 kovalent binding 26, 29 kovalent binding, polar 32 kraftmarked, nordisk 302 kraftproduksjon 315 kraftvarmeverk 307 kraftverk, små 317 krakkinganlegg 157 kreft 237,251,329,333 kretsløp 171 kretsløp, nitrogenets 172 kretsløp, vannets 224 krom (seksverdig), avgifting 113 krutt 112 kubisk gitter 27 kull 290,291 kullkraftverk 218 kullos 49, 139 Kungålv 304 kunstig fiber 158 kvalitetssikring 324 kvantetall 17 kvark 11 kvikksølv 132 kvikksølvbatteri 136 kvikksølvforgiftning, Japan 60 kvotehandel 198 kWh (kilowatt hour) 285 Kyotoavtalen 198

lagune 251 lakk 334 landbruk, energiforbruk 315 landbruk, enøk 315 langtransporten forurensning 206 langtransporten forurensning, miljøgifter 236 langtransporten luftforurensning 210 Langøya, spesialavfallslager 280 lantanoider 16 lav, forurensningsindikator 209 lav NOx-brenner 292 LCA (Life Cycle Assessment) 185 Le Chåteliers prinsipp 73 ledningsevneapparat 27, 80 lesket kalk 83 lethal dose (LD) 61

levetid, energiressurser 288 Lewis-struktur 27 likestrømskilde 127 likevekt 65 likevekt, heterogen 76 likevektskonstant 67 likning, balansering 43 likt løser likt-regelen 102 litoralsonen 174 livsløpsanalyse 185 livsløpsvurdering 185 LNG (Liquid Natural Gas) 291 lokal forurensning 189 lokal luftforurensning 211 lokalelementteorien 134 lov om produktkontroll 238, 324, 332 Love Canal 278 luft, ren 190 luftforurensning, indikator 209 luftforurensning, langtransportert 210 luftforurensning, lokal 211 luftkjølingsanlegg (airconditionanlegg) 308 luftkvalitetskriterier 212 lukket resirkulering 181 luktfjeming 221 lungekreft 330 lyd 327 lydabsorberende materialer 327 lydeffekt 327 lydintensitet (I) 327 lydisolasjon 327 lydisolerende materialer 327 lydstyrke 327 lystgass (dinitrogenoksid) 194 løselighet 99 løselighetslikevekt 104 løselighetsprodukt, Å\p 104 løselighetsregler 102 løsemidler 56, 333 løsemidler, brannfare 334 løsning 56 løsning, mettet/overmettet/umettet 99

magnesiumframstilhng 136 Mahler, Halfdan 249 makronæringsstoffer 229 maling 334 mangfold, biologisk 175 mangfold, genetisk 176 massedefekt 293 masseenhet, universell 40 masseprosent 56 massetall 14 massevirkningsloven 68 matavfall 269 materialanalyse 183 materialgjenvinning, avfall 270 matproduksjon 162, 196 maursyre 152 medarbeidersamtale 334 mekanisk blanding 42 mekanisk energi 284 mekanisk rensing 255 Mendelejev, D.I. 16

349

Stikkord

merder 242 merking av kjemikalier 232, 238 mesotrof innsjø 226 metall 16 metall, basisk 225 metallbinding 34 metalloid 16 metalloksid i vann 83 metan 137, 194 metan i avfallsdeponi 265 metanal 150 metanbakterier 174 metanol 148 metanol som drivstoff 157 metanolframstilling 158 metaposisjon 146 mettet fettsyre 152 mettet hydrokarbon 139 mettet løsning 99 metyl 139 metylamin 152 metylkvikksølv 60 metylpropanol 158 metyl-tertiær-butyl-eter (MTBE) 158 mikroforurensninger 59 mikroirrigering (dryppvanning) 227 mikroorganismer, oljenedbrytende 244 mikroorganismer, sykdomsfremkallende 228 miljøanalyse 181, 182 miljøavgifter 198, 305, 316 miljøbedrifter 242 miljøbuss 279 miljødiesel 209,216 miljøfaktorer, fysiske 326 miljøfaktorer, kjemiske 331 miljøfarlig avfall, utviklingsland 279 miljøflyktning 163, 196 miljøforandring 165 miljøforhold i bedrifter 242 miljøgifter 235, 236 avtaler om utslipp 247 bakteriell nedbrytning 279 i grunnmasser 279 i slam 258 organiske 279 virkninger 236 miljøkostnader ved havbruk 242 miljømerking 183 miljørapport 187 miljørevisjon 184 miljøstasjon 271 miljøstasjon, spesialavfall 279 miljøstyring 181 miljøtilpasning, bygg 331 miljøtiltak, redusere utgifter 183 miljøødeleggelse, økonomi 163 mineralisering 230 minimumsfaktor 229 minirenseanlegg 259 Mo i Rana 279 mol 43 molaritet 57 molberegningsmetode 46

molekyl 31 molekyllikning 112 Molina, Mario 199 molvolum 63 monokultur 167 monomer 158 Montrealprotokollen 203 Mos vannet 258 motorbank 157 motorvarmer 223 MTBE 158 MTBE-bensin 188 Murmansk 295 mytetid 244 mørtel 83 måleenheter, radiologiske 330 målekolbe 57

n-butan 140 naftalen/naftalin 146 nanometer (nm) 200 naturens tålegrense 210 naturgass 156, 290 naturgass, forurensning 306 naturgass, syntetisk 300 naturgummi 159 navnsetting, organiske stoffer 141 nedbryter (dekomponent) 171,174 nedbrytning i avfallsdeponi 265 nedbør, sur 204, 205, 206, 208 nedbørsmønster, endring 196 nedslagsfelt, elv 226 neopren 159 Nemst, Walter 124 Nemsts likning 124 netto primærproduksjon 170 NHO (Næringslivets hovedorganisasjon) 181 Niagarafossen 284 NICAD 132 NiCd-akkumulator 132 NiFe-akkumulator 132, 136 Ni kei, nikkel verket 206 nikkelallergi 237 nisje 168 nitration 31 nitrifiserende bakterier 172 nitrifisering 257 nitrobakter 257 nitrogen i nedbør 232 nitrogen, minimumsfaktor 231 nitrogenbinding 172,231 nitrogenets kretsløp 172 nitrogenfiksering 231 nitrogenfjeming 257 mtrogenfjeming, krav 259 nitrogenmangel, myr 173 nitrogenoksider, utslippskilder 206 nitrogenoverskudd 173 nitrosomas 257 nm (nanometer) 200 NMVOC (none methane VOC) 212 NOAH (Norsk Avfallshandtering) 280 Norcem, sementovn 280

Nordsjøavtalen 238, 247 normalbetingelser 117 normalheptan 157 normalpotensial, 117 normaltilstanden (NTP) 62 NORSAS 279 Norsk Hydro 179 NOX 205, 209, 210, 211,221 NOx-avgift 210 NOx-fjeming 292 NOx-fjeming i avgass 221 NOx-reduksjon 209, 211, 221 N/P-forholdet 232 NTP 62 nullutslippsbedrifter 242 NVE (Norges Vassdrags- og Energiverk) 284,315 nylon 159 næringsavfall 262 næringskjede 170 næringskjede, oppkonsentrering 236 næringsnett 170 næringsrik (eutrof) innsjø 174 næringssalter 171,229 næringsstoffer 208 nøytron 11

offeranode 134 oksidanter, fotokjemiske 213 oksidasjon, definisjon 108 oksidasjon, organisk kjemi 151 oksidasjonsmiddel 109,119 oksidasjonspotensial 119 oksidasjonsreaksjon 108 oksidasjonstall 54, 109 oksidasjonstall, beregning 109 oksider, basiske/sure 85 oksoniumion 79 oksosyre 53 oksygenforbruk, primært/sekundært 228, 230 oksygensvikt, innsjø 230 oksygensvikt, sjø 232 oktantall 157 oktett 27 oktettregelen 28 oktettregelen, unntak 31 oligotrof innsjø 174 olje 288 olje fra kull 290 olje, råstoff 290 olje, utvinningsgrad 289 oljefraksjoner, lette 292 oljekrise 283 oljelenser 246 oljenedbrytning 244 oljeproduksjon, utslipp kjemikalier 245 oljeskifter 290 oljesyre 152 oljeutblåsning 243 oljeutslipp 243 oljeutslipp, mottiltak 246 oljeutslipp, rutinemessige 243 oljeutslipp, virkninger 244

350 oljevemutstyr 246 ombruk 270, 275 ombruksstrategi 180 omslagsområde, indikator 90 OPEC 283, 289 oppholdstid, gasser 192 oppholdstid, vann 226 oppkonsentrering i næringskjeden 236 oppkonsentreringsanlegg, uran 295 oppvarming, fleksibel 311 orbital 17 orbitaldiagram 19 organisk kjemi 137 organisk stoff, nedbrytning 228 organiske miljøgifter 279 organiske stoffer, spesialavfall 280 organisme 164 orkan 197 ortoposisjon 146 overføringsnett, vannkraft 302 overlevelsesprosent 177 overmettet løsning 99 overspenning, elektrode 128 oversvømmelse 197 ozon 194, 199,201, 202, 214, 253 ozon, bakkenært 199, 214 ozon, desinfeksjon 253 ozon i stratosfæren 199 ozon i troposfæren 194 ozonhull 202 ozonlaget 199 PAH 146,291 palmitinsyre 152 PAN (peroksiacetylnitrat) 213 papir, isolasjonsmateriale 273 papir, resirkulering 272 parafin 139 paraposisjon 146 parasitter 167 partialtrykk 70 partikler 195,214,216 passiv soloppvarming 296 passive solhus 297 patogene bakterier 253 PCB (polyklorerte bifenyler) 236 pelleter, oppvarming 300 perfluorkarboner (PFK) 198 periode 16 periodesystemet 16 peroksid 109 personekvivalent 254 pesticider (plantevernmidler) 240 petrolemsvirksomhet 244 PFK (perfluorkarboner) 198 pH 85 pH-beregning 87 pH-meter 86, 126 piggdekk 215 pikometer (pm) 145 pipette 57 Planck, Max 12 Plancks konstant 12 planktonalger 175,229

Stikkord

plantegifter 230 planteplankton 174 plantevernmidler (pesticider) 240 plasmateknologi 269 plutonium 295 PM (Particular Matter) 212 polar kovalent binding 32 polyamid 159 polyeten 158 polyisoprengummi 159 polyklorerte bifenyler (PCB) 236 polymer 158 polypropen 159 polypropylen 158 polystyren 159 polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) 146,291 polytetrafluoreten (PTFE) 160 polyvinylacetat 159 polyvinylklorid 159 populasjon 165 populasjonsstørrelse 165 populasjonstetthet 165 posefilter 219 potensiell energi 284 pottaske 55 ppb (parts per billion) 59 ppm (parts per million) 59 ppt (parts per trillion) 194 predasjon 167 primær forurensing 213 primær suksesjon 169 primærkonsumenter 171 primærproduksjon, brutto/netto 170 primært amin 152 produksjonsvennlighet 331 produkt 42 produktkontroll, lov om 238, 324, 332 produktspesifikasjon 180 produsent 171, 174 produsert vann 245 propan 138 propan som kjølevæske 203 propen 143 propionsyre 152 protein 153 protolysekonstanten, Kw 85 protolysereaksjon 79 protolytt 79 proton 11 pumper, energiforbruk 318 punktutslipp 228 punktutslipp, jordbruk 240 pyritt (FeS2) 107,206,292 pyroarcprosess 269 pyrolyse 269

radikal 139 radioaktiv stråling, eksposisjon 330 radioaktive isotoper 329 radioaktive stoffer, skader 294 radioaktivitet 292, 330 radiologiske måleenheter 330 radon 330

reaksjon, eksoterm/endoterm 49 reaksjon, irreversibel 288 reaksjonshastighet 66, 74 reaksjonskvotient 71 reaksjonslikning, kjemisk 42 reaktant 42 reaktorkompostering 270 reaktoruhell 294 realisert nisje 168 redokslikninger, balansering 110 redokspotensial 116 redoksreaksjon 108 reduksjon, definisjon 108 reduksjonsmiddel 109,119 reduksjons-oksidasjonsreaksjon 108 reduksjonspotensial 119 regionalforurensning 189 regnvann 224 rehabilitering av innsjø 231 reinjisering 245 ren luft 190 renere produksjon 180 renhold 331 rensekrav, kloakkvann 259 rensepark 258 rensing, biologisk 255 rensing, kjemisk 257 rensing, mekanisk 255 resipient 249 resirkulering 181, 182, 271, 276 aluminium 270 ekstem/intem 181 papir 272 vann 227 åpen 181 resistente bakterier 165 respirasjon (celleånding) 170 ressurser, betinget fornybare 287 ressurser, biologiske 161 ressurser, fornybare 296 ressurser, ikke-fornybare 288 returpapir 272 returråstoffer 276, 277 retursystem, bransjeorganisert 274 retursystem, vektbasert 271 reversibel reaksjon 65 reversibelt element 131 revir 167 nkdom/fattigdom 161 Rhizobium 172 Rio de Janeiro, FN-konferanse 175 risdrepingsmidler 240 risikovurdering 324 rivingsavfall 274 rovdyr 167 Rowland, Sherwood 199 rust 112 Rutherford, Ernest 12 «rød diesel» 331 røntgenstråler 329 rørsukker 50 røsteprosess 206 røyking 333 råolje 156

351

Stikkord

råvann 251 råvannskilde 251

salmiakk 78 salmiakkspiritus 78 salpetersyre, sur nedbør 205 salt 52 saltsyre, elektrolyse 127 saltsyre, konsentrert 79 samferdsel, enøk 313 samfunn 168 samkjøring 305 scenario 318 Schrbdinger, Erwin 17 Schrbdingers bølgelikning 17 SCR (selektiv katalytisk reduksjon) 222 sedimentasjon 255 sedimentasjon stank 255 sedimenter, miljøgifter 236 sekundær forurensning 195, 213 sekundær suksesjon 169 sekundærkonsumenter 171 sekundært amin 152 selektiv katalytisk reduksjon (SCR) 222 sementovn, Norcem 280 separasjonstoalett 259 septiktank 258 sidegruppe 16 sidegruppegrunnstoff 21 sievert (Sv) 330 sigevann, avfallsdeponi 266 siktdybde 229 silikastøv 181 silopressaft 240 silosaft 92 SINTEF 268 sjeldne jordmetaller 16, 22 sjøer, sure 235 skadedyrbekjempelse, biologisk 167 skader, yrkes- 330, 331, 332 skadevirkninger, UV-stråling 202 skimmere 246 skjærebrenning 144 skog 162, 300 skogdød 208 skogskader 204 slam 258 slamstabilisering 258 sluk 192 smelteverk 241 smertegrense, støy 328 smog 213 smørsyre 152 Snow, John (kolera) 249 snurredo 259 SO2, fjerning 292 SO2-fjeming i avgass 221 soda (en base) 50, 84 solcelle 298 solenergi 296,317 solfanger 297 sol-hydrogen-økonomi 306 solkraftverk 299 sollys i bygg 329

soloppvarming, passiv 296 solpanel 297 solvarme, aktiv 297 sommerstagnasjon 173 soppgift 155 sot 215,291 spaltningsspenning 128 speiltrausystem 299 spenningsrekka 119,120 spesialavfall 263, 277, 278 disponering (behandling) 279, 280 kloakk 238 miljøstasjon 279 organiske stoffer 280 tungmetaller 279 uorganisk 280 spesialavfallslager, Langøya 280 spinn 17 spontan reaksj on 121 sprangsjikt 173 spredareal 240 sprit 148 sprøyting, landbruk 241 standard elektrode 126 standard hydrogenelektrode 117 stearinsyre 152 stedegne arter 235 stereoisomeri 143 stoffkartotek 331 stratosfæren 199 strukturformel 137 strukturisomeri 140 stråling, elektromagnetisk 12, 190 stråling, infrarød 12,190 stråling, ioniserende 329 stråling, ultrafiolett 12, 200 strålingsdose 330 støkiometri 45 støv (flygeaske) 181,215 støy 327, 328, 329 substitusjonsreaksjon 147 suksesjon, primær/sekundær 169 sulfation 31 sulfatpartikler 195 sumpgass 230 «Superfund» 278 «Super Phenix» 295 sur nedbør 204, 205, 206, 208 sur nedbør, skader 206, 208 sure sjøer 235 surstøt 206 surt vann 175 suspenderte stoffer 233 svart lunge 215,291 sveising 144 svevestøv 215 svingende vannsøyle 303 svovel i fossile brennstoffer 206 svovel i kull 292 svovelavgift 209 svovelbakterier 174 svoveldioksid, fjerning 242 svoveldioksid, utslippskilder 206 svovelfjeming 209

svovelheksafluorid 198 svovelprotokollen 210 svovelsyre 81 svovelsyre, konsentrert 61 svovelsyre, sur nedbør 205 sykdommer, arbeidsrelaterte 326 syklisk forbindelse 142 sykloalkan 142 syklon 219 syklopropan 142 syklotron 15 symbiose 172 synergisme 237, 333 syntetisk fiber 159 syntetisk gummi 159 syre 78 syre-base-par 78 syre, binær 52 syre, flerprotisk/flerverdig 54 syre, sterk/svak 81 syre, toprotisk 79 syre, treprotisk 79 syrekonsentrasjon 87 syrekonstanten. 81 syrestyrke 82, 87 systemrevisjon 325 sølv-sinkcelle 136 Sørensen, Søren 85

teflon 160 teknisk sprit 148 tekniske innretninger, skader 330 teknologiendring 180 telekommunikasjon 315 temperaturstyring 311, 312 temperaturøkning 195 ten si der 238 teoretisk oksygenforbruk (TOF) 229 termisk forurensning 293 termittprosessen 46 termodynamikkens hovedsetninger 284 termoplast 158 terrestrisk økosystem 170 terskelfjord 232 tertiærkonsumenter 171 tertiært amin 152 tetra 334 tetraetylbly 158 tetteste kulepakning 34 tetthetsavhengig vekst 166 tetthetsavhengige faktorer 167 Thomson, J.J. 11 Three Gorges 227 Three Mile Island 294 tidevann 286, 304 tilskuerion 90 tilstandslikning 62 tilvekstelektron 16 tiprosentregelen 171 titrering 57 tjæresand 290 TOC (totalt organisk kaboninnhold) 254 toe (tonn oljeekvivalent) 285 TOF (teoretisk oksygenforbruk) 229

352 TOFtot (totalt teoretisk oksygenforbruk) 254,255 toksikologi 332 toksiner 230 toluen 146 tonn oljeekvivalent (toe) 285 totalt organisk karboninnhold (TOC) 254 totalt teoretisk oksygenforbuk (TOFtot) 254, 255 trans-2-buten 143 transportbehov 314 transportsektoren 288 trekull 300 treplanting 317 tresprit 50, 148 trestrenget system 271 treveiskatalysator 215,222 trevirke 300 tri 334 trippelbinding 31, 143 tritium 15 trivialnavn 52, 141 trofisk nivå 170 trombevegg 297 truede arter 175 Tsjernobyl 294 tungmetaller, avgasser 291 tungmetaller, drikkevann 251 tungmetaller, slam 258 tungmetaller, spesialavfall 279 tungmetallutslipp 241 tungtløselig stoff 103 tungtvann 15 turbiditet 230, 253 tysk hardhetsgrad 107 tørr fraksjon 271 tørravsetning 206 tørrelement 130 tålegrense 210,234 ufullstendig forbrenning 49 ultrafiolett stråling 12,200 umettet fettsyre 152 umettet forbindelse 144 umettet løsning 99 underenerginivåer 16 universalindikatorpapir 86 universell masseenhet 40 uorganisk spesialavfall 280 uorganisk stoff 52

Stikkord

uran 292 uran, gjenvinningsanlegg 295 urangruvedeponier 295 urban agriculture 259 urea 51,257 urin 259 utslipp, dioksiner 241 utslipp kjemikalier, oljeproduksjon 245 utslipp, miljøgifter 236 utslipp, tungmetaller 241 utviklingsland, energi 316 utvinningsgrad, olje 289 UV-stråling 200 UV-stråling, desinfeksjon 253 UV-stråling, skadevirkninger 202 valens 29 valensskall 27 van der Waalsk binding 37 vann bløtgjøring av 253 egenskaper 251 EU-direktiv 250 hardt 107,238,252 injisert 245 produsert 245 rent 224 resirkulering 227 som løsemiddel 79,100 surt 175 tiljorbruket 162 vannets autoprotolyse/egenspalting 85 vannets ioneprodukt 85 vannets kretsløp 224 vannforurensning 227 vannforurensning, industri 241 vanngass 74 vannkilde, sikring 252 vannkilder, fossile 162 vannkraft 301 vannkraft, overføringsnett 302 vannkraft, utviklingsland 317 vannmolekylet, en dipol 100 vannstand, hav 196 vannverk 251 vannøkonomisering 227 varmefaktor 309 varmekraftverk 133, 307 varmelæras hovedsetninger 284 varmepumpe 308

varmeveksler 312 ved, matlaging 317 vedovn 219,300 vegetasjonsskader, sur nedbør 208 veidekkeslitasje 215 veisalt 55 vekst, eksponentiell 166 vekst, tetthetsavhengig 166 vekstkurve 166 vekstrate 166 velstandsvekst 161 verifikasjon 325 verne- og helsepersonell 323 vernemaske 334 verneombud 323 vindkraft 302, 303 vindmølle 302 vindsystemer, endring 196 vindturbin 302 vinterstagnasjon 173 virvelsjiktovn (fluidized bed) 292 vitamin C 51 VOC (Volatile Organic Compounds) 212, 292 Vollenweider 248 voltmeter 116 vulkanisering 159 vær, ekstremt 196 vårsirkulasjon 173 våtavsetning 205 våtorganisk avfall 264

watt 284 World Energy Council (WEC) 305 Waage, Peter 67 xylen 146

yrkeshygienisk luftbehov (YL-tallet) 334 yrkesskader 331,332 yrkessykdommer 322 zeolitter 238 zooplankton (dyreplankton) 230

økologi 164 økologisk jordbruk 241 økologisk nisje 168 økologisk suksesjon 168 økosystem 170