Kemisk bindning

Sidan senast granskad/uppdaterad: 2013-01-16
Förteckning

1. Jonbindning

1.1 Växter behöver joner

1.2 Jonföreningar ur vedaska

2. Kovalent bindning

2.1 Kväve nödvändigt för allt levande

2.2 Papper - ett ovanligt starkt material tack vare kemisk bindning

3. Intermolekylära bindningar

3.1 Vätebindning

3.2 Vätebindningar möjliggör vattentransporten i höga träd

3.3 Intermolekylära bindningar bakom nytt superstarkt papper

4. Att återvinna returpapper handlar till stor del om kemisk bindning

4.1 Kemin bakom returpappersåtervinning

1. JONBINDNING

1.1 Växter behöver joner

Växter består huvudsakligen av vatten (60-90%) och organiskt material, då främst cellulosa, proteiner och stärkelse. De organiska föreningarna byggs huvudsakligen upp av kol, väte och syre. Dessa ämnen får växten från luftens koldioxid samt vattnet i marken. Med hjälp av ljusenergi bildar växterna av dessa ämnen bland annat kolhydrater (hydrater är kolinnehållande ämnen som också innehåller vatten).

Dessutom behövs mineralämnen av olika slag som finns i marken, huvudsakligen i form av salter - jonföreningar. Det kan finnas uppemot 50-60 olika grundämnen i vissa växter. Följande makronäringsämnen behöver växterna mycket av: kväve, fosfor, kalium, natrium, kalcium, magnesium och svavel. Lite mindre behövs av koppar, molybden, zink, kobolt, bor, järn och mangan, och de kallas därför mikronäringsämnen. I naturen är oftast kväve och fosfor de markronäringsämnen som växterna lider mest brist på. Det är därför som utlakning av just dessa två makronäringsämnen leder till övergödning av sjöar och hav.

En del växter har förmåga att ta upp mer av ett visst grundämne än andra. Exempelvis kan gräs innehålla en högre halt av kisel och mindre av kalcium. Vissa fräkenväxter innehåller mer guld än andra och några arter av lummersläktet innehåller särskilt mycket aluminium.

Bild 1. Revlummer (Lycopodium annotinum).
Foto: F. Schultze

Genom att analysera vissa växtarters metallinnehåll kan vi få ledtrådar vid letandet efter olika mineralfyndigheter.

Brist på något mineralämne ger typiska symptom hos växten som kan synas som fläckar på bladen.

Bild 2. Molybdenbrist syns som fläckar

Metalljonerna som finns kvar i trädet när det avverkas ställer till problem vid massatillverkningen. Vid blekningen av massan används väteperoxid, H2O2. Det är en instabil förening som långsamt sönderdelas till syrgas och vatten. Metalljonerna fungerar som katalysator och påskyndar sönderdelningen.  

För att förhindra detta tillsätts ett ämne (förkortat EDTA) som binder metalljonerna i processvattnet.

1.2 Jonföreningar ur vedaska

Kaliumkarbonat i oren form kallas även för ”pottaska”. Det engelska namnet för kalium är ”potassium”. Förr tillverkade man pottaska från björkved som har hög mineralhalt. Veden förbränns fullständigt. Då återstår cirka 0,5 % mineraliska beståndsdelar. Askan urlakas med vatten och torrkokas. På så sätt får man fram pottaska. Namnet kommer av den ursprungliga framställningsmetoden, då askan urlakades i lerkärl, så kallade lerpottor. Numera framställs kaliumkarbonat vanligen genom att man leder ner koldioxid i kaliumhydroxid.

Kaliumkarbonat används huvudsakligen vid tillverkningen av glas och såpa. Förr innehöll snus kaliumkarbonat, men har senare ersatts med natriumkarbonat.

2. KOVALENT BINDNING 

2.1 Kväve nödvändigt för allt levande

De flesta föreningar som finns i växter hålls ihop av kovalenta bindningar, även kallade elektronparbindningar. Olika organiska ämnen som återfinns i växtriket (exempelvis kolhydrater, vaxer och oljor) består av molekyler som främst innehåller elektronparbindningar.

Som tidigare nämnts så är kväve ett mycket viktigt näringsämne som växterna behöver. Problemet är att det mesta kvävet är bundet i atmosfären i form av kvävgas, som inte är så lätt åtkomligt för levande organismer. Kväveatomerna i kvävgasmolekylen, N2 , hålls ihop med en stark trippelbindning.


Figur 1. Trippelbindning

Det krävs mycket energi för att bryta bindningen så att kväve kan ingå i andra föreningar. Vissa bakterier i marken, eller bundna i växternas rötter, har förmåga att ta hand om luftkvävet och omvandla det till andra för växterna mer lättillgängliga kväveföreningar såsom NH4+, NO2och NO3-. Dessa tre föreningar är exempel på det vi kallar för sammansatta joner. De hålls ihop av elektronparbindning men beroende på om de saknar eller har extra elektroner så är de positivt eller negativt laddade.

2.2 Papper - ett ovanligt starkt material tack vare kemisk bindning

Papper är på det hela taget ett starkt material vars största beståndsdel är tätt sammanpackade cellulosamolekyler.

Figur 2. Del av en cellulosamolekyl

Men för många ändamål är den naturliga styrkan inte tillräcklig t.ex. till förpackningar för vätskor av olika slag. Ett fuktigt papper mister upp till 90 % av sin styrka. För att öka styrkan tillsätts olika typer av långa organiska molekyler som bland annat binder till cellulosamolekylens OH-grupper med kovalenta bindningar. Styrkan blir på så sätt betydligt bättre; omkring 30 % bättre än styrkan på motsvarande torrt papper. 3)

Andra exempel på kovalenta bindningar är bindningen mellan tryckfärgen och fibrerna i ett papper. Tryckfärg består av långa organiska molekyler lösta i en olja. Färgen sitter fast i cellulosamolekylen med hjälp av kovalenta bindningar. Se vidare 4.1. ”Kemin bakom returpappersåtervinning”.  

3. INTERMOLEKYLÄRA BINDNINGAR  

3.1 Vätebindning

I nedanstående tabell jämförs vatten med närbesläktade kemiska föreningar. Som Du ser borde inte vatten vara en vätska mellan 0 och 100 °C, det borde vara en gas, liksom de andra inom det temperaturområdet. Skulle vatten följa samma mönster så borde det koka vid - 70°C och frysa till is vid -90°C.

Vattenmolekylens utseende

Skälet till att vatten beter sig så underligt, är att syreatomen drar till sig väteatomernas elektroner och lämnar de positiva vätekärnorna ganska bara. Vattenmolekylen kommer att fungera som om den vore en stav som är lite negativt laddad i ena änden och lite positivt laddad i den andra. 

Bindningar mellan vattenmolekyler

En sådan molekyl kallas för en dipol. Dipoler har en starkare sammanhållning mellan molekylerna än icke-dipoler. Tack vare att syreatomen är starkt elektronegativ dras bindningselektronerna mellan syre och väte ännu närmare syret. Det finns dessutom två fria elektronpar nära syreatomen som gör att väteatomerna inte sitter symmetriskt placerade på syrea­tomen (se figur). De är istället vinklade omkring 105 grader i förhållande till varandra. Allt detta tillsammans gör att det bildas extra starka band mellan molekylerna i vatten. Bindningarna har fått ett särskilt namn; de kallas för vätebindningar. Vätebindningar förekommer mellan molekyler där väteatomer sitter bundet till antingen syre-, kväve- eller fluoratomer.

3.2 Vätebindningar möjliggör vattentransporten i höga träd

Det är betydande mängder vatten som passerar en växt under dess levnad. Vattnet tas upp i rötterna och transporteras i fina ledningssträngar ut genom små öppningar i bladen. En solig dag kan en solros avge en liter vatten och en björk upp emot 400 liter vatten genom bladen. Vattentransporten i växter sker tack vare den ”sugkraft” som uppstår när vattnet lämnar bladöppningarna. Detta är den främsta drivkraften hos växter som inte blir högre än 10 meter, som små örter, gräs och buskar. Men hur kan det komma sig att man inte ens med en kraftig sugpump kan få vatten att stiga mer än 10 meter, när träd kan transportera vatten till över 100 meters höjd? Förklaringen ligger i att väggarna i ledningssträngarna i en stam är porösa och alltid indränkta med vatten. Detta vatten är hårt bundet bland annat tack vare vätebindningar till OH-grupperna i cellulosamolekylen.

Det rörliga vattnet som transporteras upp till bladen får tack vare vätebindningar till det bundna vattnet väldigt bra fäste i väggarna. Även vätebindningar mellan vattenmolekylerna i det rörliga vattnet ser till att det skapas en ”vattenpelare” ända upp till bladen. Det krävs ett oerhört högt tryck (flera 100 gånger atmosfärstrycket) för att ”slita ner” vattenpelaren från väggen i ledningssträngarna. Från bladen i toppen av en 120 meter hög Eukalyptus sträcker sig alltså knippen av otaliga fina vattenpelare - eller snarare vattentrådar - ner genom stammen ända ut till de yttersta rottrådarna 2).

Bild 3. Vissa eukalyptusarter kan bli uppemot 90 meter höga.
Foto: F. Schultze
  

3.3 Intermolekylära bindningar bakom nytt superstarkt papper. 

En vedfiber har normal en storlek på 20 mikrometer. Genom att sönderdela vedfibrer till storleksordningen 20 nanometer blir det stor kontaktyta mellan individuella fibriller. I kontaktytorna mellan fibrillerna uppstår van der Waalsbindning och vätebindningar. Detta i kombination med den stora kontaktytan skapar ett mycket hårdare papper.

Se artikeln "Svenskt superpapper blir magnetiskt" i tidningen ”Ny Teknik.

4. Att återvinna returpapper handlar till stor del om kemisk bindning.  

Svenska hushåll lämnar i genomsnitt 100 kilo returpapper per år till återvinning. Returpapper ska renas från bland annat plast, metall, klisteretiketter, bokryggar och trycksvärta.

Bild 4. Returpapper på väg in ”upplösaren”.
Foto F.Schultze

Grövre föroreningar avskiljs i upplösaren. Tryckfärgen måste bort för att det nya papperet inte ska bli grådaskigt. Processen kallas ‘de-inking’.

 Vid återvinning av returpapper tas trycksvärtan bort genom att bryta bindningen mellan färg och cellulosafiber i pappret. Detta görs genom att till uppslamningen av returpapper tillsätta natriumhydroxid - en stark bas. Natriumhydroxiden får fibrerna att svälla och har även förmåga att försvaga och bryta bindningarna dels mellan fiber- och färgmolekyl, dels bindningar mellan atomer i färgmolekylerna. Visste du förresten att tidningar som är äldre än tre månader inte duger till returpapper? Nya tidningar svärtar mest. Den olja som gör att tryckfärgen fäster vid papperet oxideras av luft och ljus och sedan vägrar tryckfärgspartiklarna att släppa papperet i processen!

Tryckfärgen tas bort med flotation. Ordet flotation är släkt med flyta. Vid flotation samlas partiklar som finns i en vätska genom att de fäster på luftbubblor i ett skum. Skummet får man genom att tillsätta skumbildare (i princip ett diskmedel) och blåsa en kraftig luftström igenom vätskan. Skummet kan sedan mekaniskt dras av från vätskan. Skummet med färgpartiklarna förtjockas och går till förbränning.

Bild 5. Flotationsanläggningen vid Stora Enso, Hyltebruk.
Skummet med trycksvärta flyter upp och lägger sig på ytan.

Foto: F. Schultze

Består returpappret av dagstidningspapper, som är tillverkat av mekanisk pappersmassa, så mörknar returpappersmassan i processen vid tillsats av NaOH (pH > 10). Detta inträffar inte om returpappret består av papper tillverkat av kemisk pappersmassa. Förklaringen är att mekaniskt tillverkad pappersmassa innehåller lignin. I starkt basisk miljö bildas färgade föreningar från ligninet. För att göra returmassan ljusare tillsätts därför väteperoxid, H2O2

4.1 Kemin bakom returpappersåtervinning

Tryckfärgen i tidningar innehåller hydrofoba partiklar, de blandar sig alltså inte gärna med vatten. Luft är hydrofob. Om luft blåses genom en vattenlösning som innehåller trycksvärta, kommer de hydrofoba partiklarna att fästa på luftblåsorna istället för att stanna i vattenlösningen (”lika löser lika”). Färgpartiklarna som ska fästa på luftblåsorna får varken vara för små eller för stora. Tryckfärgspartiklarna är dock för små. Andra tillräckligt stora hydrofoba partiklar måste skapas som kan slå sig ihop med färgpartiklarna. Skumbildare ger stor yta på luften i vätskan. En av de kemikalier man tillsätter som skumbildare vid flotationen är natriumtvål. Natriumtvålen består av en lång, opolär kolkedja och en laddad ände som är polär och löslig i vatten.

Figur 3. Tvålmolekyl

Kalciumklorid eller kalciumhydroxid tillsätts också, som bildar kalktvålar. Kalktvål är inte lösligt i vatten och de utfällda partiklarna är hydrofoba. Kalktvålen och färgpartiklarna slår sig ihop, partiklarna blir lagom stora och kan flotteras (=fås att flytas).

Tvålmolekyler kommer med sin opolära del att fästa i tryckfärg/kalktvålkomplexet och tack vare sin polära ände göra hela komplexet vattenlösligt. Se figur. 

Figur 4. Tvålmolkeyl

Hela komplexet förs sedan med luftbubblorna upp till ytan där det fastnar i det skum som bildas tack vare ett skumbildande ämne som har tillsatts (jämför med såpbubblelösning).

Skummet med färgpartiklarna förtjockas och går till förbränning. Returmassan kan blandas direkt in i den färdiga “nymassan”.

Det är viktigt hur tillsatser av kemikalier balanseras vid flotationen. Vattnets ”hårdhet” (det vill säga innehållet av Ca2+ och Mg2+ – joner) varierar på olika orter och kalciumjontillsatsen måste justeras därefter. För mycket kalktvålar gör till exempel skummet för stabilt och överskumning skapas.

Returfibern klarar i princip fem till sex omvandlingar. Nedsmutsningen ökar för varje steg och fibern förkortas, vilket medför att kvalitén sjunker.

Inblandningen av returpappersfibrer var år 2008 i Sverige (totalt sett) 14 %.  I mjukpapper fanns i snitt 76 % och i tidningspapper 37 % (2008).

Referenser

1) Baskurs i kemi för operatörer i papper och massaindustrin, Skogsindustrierna. 

2) Introduktion till Växtfysiologin, Fries, Natur och kultur, Stockholm 1974. 

3) Skogen kemi, Vanneberberg, Liber, 2004

4)”The chemistry of paper”, Roberts, RSC Paperbacks, The Royal society of chemistry, Cambridge, 1996 

5) KRC's kompendium "Några papper om massa - en massa om papper"

6)”Wiklanders Marklära”, Eriksson, Nilsson, Simonsson, Studentlitteratur, 2005 

7)”Allmän och oorganisk kemi”, Hägg, 7:e upplagan, Almqvist och Wiksell, Uppsala 1979 

8) Novel solutions to new problems in paper deinking, A. Fricker, R. Thompson and A. Manning MATAR Research Centre, London College of Communication, University of the Arts London, London, UK, 2007

Texten kan också laddas ned här

Ett samarbete mellan: