Kolatomen och kolets kretslopp

Fyra händer

Vi vill förstå varför kol kan bygga så många olika ämnen. Kolatomen kan bilda fyra bindningar. Tänk dig att den har fyra händer som kan hålla i andra atomer. I metan, CH₄, håller kolatomen i fyra väteatomer, en i varje hand. Väte har bara en hand. Därför sitter varje väteatom fast i kolet och kan inte hålla i något mer.

Kol håller i kol

Det speciella med kol är att det också kan hålla i andra kolatomer. Då bildas kedjor. I etan, C₂H₆, håller två kolatomer i varandra. Varje kolatom använder en hand till grannen och resten till väte. Kedjorna kan bli långa, grena sig och slutas till ringar. Därför finns det miljontals kolföreningar: bränslen, socker, fetter, proteiner och plaster.

Räkna väte i en kolkedja

I en rak kolkedja utan dubbelbindningar, en alkan, kan vi räkna väteatomerna. Varje kolatom har en väteatom ovanför och en under, alltså två väteatomer per kolatom. Dessutom sitter en extra väteatom i varje ände av kedjan, alltså två till. Butan har fyra kolatomer. Två gånger fyra är åtta, plus två är tio. Formeln blir C₄H₁₀. Mönstret skrivs CₙH₂ₙ₊₂, där n är antalet kolatomer.

Kolets kretslopp

Kolatomer vandrar runt i naturen. Följ en kolatom. Den finns i luften som koldioxid. En växt tar in koldioxiden och bygger socker av den i fotosyntesen, med hjälp av solljus och vatten. Ett djur äter växten, och kolatomen blir en del av djurets kropp eller bränsle i cellerna. I cellandningen andas djuret ut kolatomen som koldioxid igen. Då är den tillbaka i luften. Växter andas också och släpper ut en del koldioxid. När växter och djur dör bryter svampar och bakterier ner dem, och kolet blir koldioxid igen.

Kol som legat undan länge

För miljoner år sedan begravdes döda organismer under jord och sten innan de hann brytas ner. Stenkol bildades mest av växter. Olja och naturgas bildades mest av plankton och alger som sjönk till havsbotten. Det kolet har legat utanför kretsloppet i miljontals år. När vi eldar fossila bränslen släpper vi ut det på kort tid. Då ökar mängden koldioxid i luften, eftersom kretsloppet inte hinner ta upp allt. Ved är annorlunda: kolet i veden togs ur luften för bara några tiotal år sedan.

Sammanfattning

Vi vill förstå varför kol kan bygga så många olika ämnen. Kolatomen har fyra bindningsmöjligheter och kan binda till sig själv i kedjor och ringar. Därför finns miljontals kolföreningar: kolväten som metan (CH₄) och oktan, alkoholer, socker, fetter, proteiner och plaster. Diamant och grafit är rent kol med olika struktur.

Kretsloppet: växter binder CO₂ från luften till socker i fotosyntesen (6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂). Djur äter växterna och andas ut CO₂ vid cellandningen. Växterna andas också och släpper ut en del CO₂. När växter och djur dör bryter svampar och bakterier ner dem, och kolet blir CO₂ igen. Förbränning av ved och fossila bränslen ger också CO₂. Fossilt kol tillför kol som legat utanför kretsloppet i miljoner år.

Vad händer med kolet när något brinner? När ett kolväte förbränns fullständigt binds kolet och vätet till syre. Då bildas koldioxid och vatten. För metan blir det CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. Räkna: en kolatom, fyra väteatomer och fyra syreatomer på varje sida. Inga atomer förstörs, de byter bara partner.

Kolatomerna i din kropp kommer från maten. Växterna byggde maten av koldioxid i fotosyntesen, och djuren du äter har själva ätit växter. När du andas ut lämnar en del av kolet kroppen som koldioxid igen. Så går kolet runt i naturen, i samhället och i kroppen.

Metan CH₄: en kolatom med fyra väteatomer. Etan C₂H₆: två kolatomer bundna till varandra, sex väte. Alkaner följer mönstret CₙH₂ₙ₊₂.

Vanliga missförstånd

• Många tror: Det finns så många kolföreningar för att kol är det vanligaste grundämnet.

  Men kol är inte det vanligaste grundämnet. Kolatomen kan binda till fyra andra atomer och till andra kolatomer i kedjor och ringar, och därför finns miljontals kolföreningar.

• Många tror: Vid cellandningen tar vi upp koldioxid ur luften.

  Men i cellandningen bryts socker ner med hjälp av syre, och då bildas koldioxid som vi andas ut. Det är växterna som tar koldioxid ur luften i fotosyntesen.

• Många tror: Det som brinner förstörs och försvinner.

  Men inga atomer förstörs när något brinner. Kolet och vätet binds till syre och blir koldioxid och vatten, gaser som vi inte ser.

Källor

1. Hydrocarbons (kol binder fyra gånger; alkaner CₙH₂ₙ₊₂), OpenStax Chemistry 2e
2. Alkaner (CₙH₂ₙ₊₂), Nationalencyklopedin
3. Overview of Photosynthesis (6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂), OpenStax Biology 2e
4. The Carbon Cycle (fotosyntes, andning, nedbrytning; fossilt kol från begravt organiskt material), NASA Earth Observatory
5. Cellandning, Wikipedia på svenska
6. Kolets kretslopp, Wikipedia på svenska
7. Kommentarmaterial till kursplanen i kemi (kolföreningar bildar koldioxid och vatten när de förbränns), Skolverket
8. Kursplan i kemi, Lgr22, Skolverket