exercise/natriumacetat.tex

   1 % category: unknown
   2 \chapter{Vi lager en varmepute}
   3 \label{varmepute}
   4 \index{Lage varmepute|textbf}
   5 \index{Natriumacetat}
   6 \index{Eksoterm reaksjon}
   7 \index{Varmepute}
   8
   9 \section*{Innledning}
  10 Natriumacetat er et kjemikalie man kan gjøre mye spennende og morsomt med. Natriumacetat kan lett lages selv ved å la bakepulver (Natriumbikarbonat) reagere med eddiksyre. En kan kjøle ned en løsning av natriumacetat til under stoffets smeltepunkt og deretter få løsningen til å krystallisere seg. Krystalliseringen er en eksotermisk reaksjon, så resultatet er at vi får produsert varme. Omdanningen fra løsning til fast stoff skjer så fort at du kan forme skulpturer mens du heller ut den varme $"$isen$"$ (Natriumacetaten).
  11 \begin{figure}[h]
  12 \centering
  13 \includegraphics[width=0.7\textwidth]{images/natriumacetat/skulptur}
  14 \caption{Forming av figurer med natriumacetat.}
  15 \end{figure}
  16
  17
  18
  19 \section*{Framgangsmåte}
  20 \section*{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Tillaging av natriumacetat eller $"$varm is$"$}}
  21
  22 \begin{description}
  23   \item[1] Benytt et 1000 ml begerglass. Hell 500 ml eddiksyre i begerglasset og tilsett (4 - 5 spiseskjeer) natriumbikarbonat (bakepulver) til løsningen.  Tilsett natriumbikarbonatet forsiktig mens du rører i løsningen. Fortsett med dette til løsningen slutter å bruse Tilsettes bikarbonatet for fort vil løsningen bruse over og du får en eddiksyre vulkan. Du har nå fått dannet natriumacetat, men denne er for utblandet til å være nyttig for oss. Vi fjerner mesteparten av vannet ved å la løsningen koke og dampe bort.
  24 \end{description}
  25 Reaksjonen mellom bakepulveret og eddiksyren er slik:
  26 \begin{equation}\label{natriumacetat}
  27     Na^{+}[HCO_{3}]^{-}  +  CH_{3}COOH  \longrightarrow  CH_{3}COO^{-} Na^{+}  +  H_{2}O + CO_{2} (g)
  28 \end{equation}
  29 \begin{description}
  30   \item[2] Kok inn løsningen for å konsentrere natriumacetaten. Fortsett inndampingen til du får en krystallfilm på overflaten av løsningen. Når dette krystall skinnet begynner å dannes på overflaten avsluttes oppvarmingen. Tiden det tar til du kommer hit avhenger av hvor mye varme du benytter deg av. Desto lavere varme, desto mindre er sjansen for å få en gulaktig eller brun løsning - men det vil ta lengre tid. Misfarging av løsningen betyr ingenting!
  31   \item[3] Med en gang du har tatt natriumløsningen vekk fra varmen, dekkes begerglasset til for å unngå ytterligere fordamping av løsningen. Løsningen din skal ikke inneholde krystaller. Har du krystaller i løsningen, blander du inn en liten mengde vann eller eddiksyre i løsningen, akkurat nok til at krystallene løser seg opp.
  32   \item[4] Nå kan det tildekkede begerglasset med natriumacetat løsningen settes i kjøleskapet for nedkjøling.
  33 \end{description}
  34
  35 \noindent
  36 Vi har nå laget en overmettet løsning med natriumacetat. Når løsningen er nedkjølt kan vi aktivere utkrystalliseringen av saltet ved å røre løsningen med fingertuppen eller slippe en krystall av natriumacetat nedi løsningen. Utkrystalliseringen som nå starter er en eksotermisk reaksjon som frigir varme.
  37 Når denne reaksjonen er over, sitter vi igjen med et begerlass med utkrystallisert natriumacetat. \\ Denne reaksjonen kan gjentas ved å varme opp løsningen på nytt til alt acetatet er løst opp og kjøle ned løsningen på nytt igjen som beskrevet tidligere.
  38
  39
  40
  41
  42
  43
  44
  45 \section*{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Alternativ måte å lage natriumacetat på:}}
  46
  47
  48 \begin{description}
  49   \item[1] Hell 50 ml 32 $\%$ eddiksyre opp i et 600 ml begerglass.
  50   \item[2] Tilsett 4-5 dråper 0.1$\%$ bromthymolblått (inntil løsningen er gul)
  51   \item[3] Tilsett deretter langsomt natriumhydroksid løsningen til eddiksyren til løsningen skifter farge til blå (pH -verdien er nå ca. 8).
  52   \item[4] Varm blandingen på en varmeplate og la den koke roligt. Hold øýe med løsningen hele tiden.
  53   \item[5] Ta ut en dråpe av løsningen når den har kokt i ca. 10 minutter. Dråpen tas ut med en spatel og legges på en glassplate. Hvis dråpen ikke danner krystaller innen 10 sekunder, tas en ny dråpe ut etter 2 nye minutter med koking. Slik fortsetter du inntil du ser krystaller.
  54   \item[6] Hell forsiktig blandingen over i et kremmerhus som du har laget av bakepapir og står nedi et begerglass med isvann. Skrap med spatelen slik at du får alle krystallene fra begerglasset med ned i kremmerhuset.
  55   \item[7] Når blandingen er tyktflytende, som grøt, foldes kremmerhuset forsiktig ut og legges til tørk. Sørg for at blandingen ikke renner av papiret.
  56   \item[8] Når blandingen er stivnet, overføres den til et filterpapir.
  57   \item[9] Krystallene tørkes til neste dag.
  58 \end{description}
  59
  60
  61
  62
  63
  64
  65
  66
  67
  68
  69
  70
  71
  72
  73
  74
  75
  76 \section*{\textcolor[rgb]{0.00,0.00,0.50}{Lage en varmepute}}
  77
  78
  79 Kommersielt tilgjengelige håndvarmere benytter seg av en supermettet løsning av natriumacetat. En slik varmepute kan lages på følgende måte:
  80
  81 \begin{description}
  82   \item[1] Du tar en passende mengde med det utkrystalliserte acetatet som du nettopp har laget, eller kjøp ferdig og ta ut 190 gram natriumacetat
  83   (NaC$_{2}$H$_{3}$O$_{2}$$^{.}$ 3H$_{2}$O)  som blandes med 30 ml destillert vann. Natriumacetaten helles i en tykk plastpose med ziplås. Legg en skive med rustfritt stål oppi posen og zip denne igjen. Hvis posen ikke blir vanntett, kan du åpne opp ziplåsen, legge hurtigtørkende lim langs kanten og deretter zippe igjen og vente til limet har tørket.
  84   \item[2] Legg posen i et vannbad og varm forsiktig opp inntil acetat krystallene er løst opp.
  85   \item[3] Fjern posen fra det varme vannet i vannbadet og la den kjølne sakte uten forstyrrelser.
  86   \item[4] Når posen er blitt kald, kan du aktivere den ved å $"$kneppe$"$, trykke inn metallskiven. Du vil nå se nydlige krystaller som dannes inne i posen, i det utkrystalliseringen starter - varme blir nå produsert i denne eksotermiske reaksjonen. Varmeputen avgir varme!
  87   \item[5] Teoretisk kan denne varmeposen/puten brukes om og om igjen, ved å på nytt varme opp innholdet slik at allt acetatet blir løst ut, for deretter å kjøle ned posen sakte ute av vannbadet.
  88   \item[6] Det som imidlertid er viktig er at det ikke er noen forurensing i posen, eller utstyret som benyttes. Støv, krystaller mm. kan forårsake at innholdet i varmeposen ikke forblir i løsning ved avkjølning, men at natriumacetatet feller ut under nedkjølningen av posen. Hvis dette skjer flere ganger på rad, bør en kaste posen med innholdet og begynne på nytt!
  89 \end{description}
  90 \begin{figure}[h]
  91 \centering
  92 \includegraphics[width=0.45\textwidth]{images/natriumacetat/stjernevarmer}
  93 \includegraphics[width=0.45\textwidth]{images/natriumacetat/aktivator}
  94 \caption{En kommersiell varmepute formet som ei stjerne og en sirkulær aktivator laget av et stykke tynt rustfritt stål.}
  95 \end{figure}
  96 \index{NaC$_{2}$H$_{3}$O$_{2}$$^{.}$ 3H$_{2}$O}
  97
  98
  99
 100
 101
 102
 103
 104
 105
 106 \section*{Teori}
 107 De fleste salt kan oppløses i vann, men det er forskjellig fra salt til salt hvor mye som lar seg oppløse. Andre salt lar seg ikke løse i vann i det hele tatt. \\
 108 Når saltkrystallene oppløses, skjer dette ved at krystallgittrene går i stykker og ionene fritt kan bevege seg med vannmolekylene. Når man har løst alt det saltet som man kan få oppløst i vannet, sier man at en har en mettet løsning. Heller man mer salt til denne løsningen, vil saltet bare legge seg på bunnen som krystaller.\\
 109 \newline
 110 Mengden salt som kan oppløses avhenger av temperaturen til vannet. Desto varmere vannet er, desto mer salt kan en oppløse. Løseligheten varierer sterkt fra salt til salt. For kjøkkensalt (NaCl) endres løseligheten lite i forhold til temperaturen. Derimot endres løseligheten for natriumacetat seg svært mye i forhold til temperaturen.
 111 \begin{table}[h]
 112 \begin{tabular}{ll}
 113 \textbf{For natriumacetat er løseligheten i vann:}                 &     \\
 114 ved 0\celcius                  & 76 gram natriumacetat i 1 dl vann    \\
 115 ved 50\celcius                 & 139 gram natriumacetat i 1 dl vann    \\
 116 ved 100\celcius                & 167 gram natriumacetat i 1 dl vann    \\
 117                  &     \\
 118 \textbf{For natriumklorid er løseligheten i vann: }                &     \\
 119 ved 0\celcius                  & 36 gram natriumklorid i 1 dl vann    \\
 120 ved 100\celcius                & 39 gram natriumklorid i 1 dl vann    \\
 121 \end{tabular}
 122   \caption{Eksempel på løselighet i forhold til temperatur.}
 123 \end{table}
 124 Den kjemiske regelen om når en oppløsning er mettet, kan man omgå.\\ I spesielle situasjoner kan det være mer salt oppløst i løsningen enn det som er mulig. Dette kalles en overmettet oppløsning.\\
 125 Du kan lage en overmettet oppløsning ved å varme vann opp og mette den med et salt. Hvis oppløsningen deretter kjøles så forsiktig ned at saltet ikke får mulighet til å danne krystaller, vil en nå ha en løsning med for mye salt i.
 126 En overmettet oppløsning er ustabil og det er nok med tilstedeværelsen av et krystall, litt forurensning eller hardt slag i løsningen for å starte utfellingen.\\
 127 Når saltet feller ut fra en overmettet løsning, blir det utviklet varme. Dette er den energien som oppløsningen har brukt for å komme i en overmettet tilstand - denne blir nå frigitt. Det er dette prinsippet som håndvarmere benytter seg av.\\
 128 \newline
 129 I forsøket kan vi produsere natriumacetat på to måter. Enten ved å la bakepulver (natriumbikarbonat) reagere med eddiksyre, etter likningen:
 130 \begin{equation}\label{natriumacetat2}
 131     Na^{+}[HCO_{3}]^{-}  +  CH_{3}COOH  \longrightarrow  CH_{3}COO^{-} Na^{+}  +  H_{2}O + CO_{2} (g)
 132 \end{equation}
 133 Eller å la eddiksyre reagere med natriumhydroksid, til vi har fått en pH på ca. 8 etter likningen:
 134 \begin{equation}\label{natriumacetat3}
 135     NaOH  +  CH_{3}COOH  \longrightarrow  CH_{3}COONa   +   H_{2}0
 136 \end{equation}
 137 32 $\%$ eddikesyre har en pH-verdi på ca. 1,5,
 138 dermed må den betraktes som en sterk syre.
 139 Natriumhydroxid (NaOH) er en kraftig base med
 140 en pH-verdi på ca. 12.\\
 141 \begin{figure}[h]
 142 \centering
 143 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{images/natriumacetat/phbilde}
 144 \caption{pH - skalaen}
 145 \end{figure}
 146 I forsøket blandes eddikesyre og natriumhydroksid i et begerglass, og deretter varmes
 147 blandingen opp. På den måten fordamper endel av
 148 vannet, så man til slutt har en oppløsning med en
 149 stor mengde natriumacetat. Oppløsningen kjøles
 150 deretter ned. Fordi det kan oppløses mer salt i
 151 varmt vann enn i kaldt vann vil natriumacetatet
 152 nå felles ut som saltkrystaller. For å få det siste
 153 vannet ut tørkes krystallene.
 154
 155 \section*{Forsiktig}
 156
 157 Natriumacetat er et trygt kjemikalie til bruk i demonstrasjoner. Det er brukt i matproduksjon for å framheve smak og er hovedindigrensen i de fleste varmeposene/putene som er i salg i dag. Varmen som blir generert fra utkrystalliseringen av natriumacetatet skal ikke kunne forårsake brannskader.
 158
 159 \section*{Utstyr og kjemikalier}
 160
 161 \begin{itemize}[noitemsep]
 162   \item Natriumbikarbonat \index{Natriumbikarbonat}
 163   \item Eddiksyre 32$\%$ \index{Eddiksyre}
 164   \item Natriumhydroksid \index{Natriumhydroksid, NaOH}
 165   \item 0,1 $\%$ bromthymolblått
 166   \item Husholdningseddikk
 167   \item 1000 ml begerglass
 168   \item Varmeplate m/røreverk
 169   \item Passe store og tykke ziplås poser i plast
 170   \item Destillert vann
 171   \item Lita tynn plate av rustfritt stål (aktivator)
 172   \item 600 ml begerglass
 173   \item Filterpapir
 174   \item 250 ml begerglass med is
 175 \end{itemize}
 176
 177 \nocite{bassam1}
 178 \nocite{green1908}
 179 \nocite{connor1931}
 180 \nocite{calvet1933}
 181
 182 \printbibliography