Material, produkter och livscykler

Batteriet: joner som vandrar

Vi vill se hur kunskap om partiklar ger nya material. I ett litiumjonbatteri finns två elektroder med en vätska emellan. När batteriet är laddat sitter litiumjonerna, Li⁺, i den ena elektroden. När du använder mobilen vandrar jonerna genom vätskan till den andra elektroden. Samtidigt går elektroner åt samma håll, men utanför batteriet, genom sladden och mobilen. Det är elektronernas väg genom kretsen som ger ström. När du laddar trycker laddaren tillbaka både joner och elektroner.

Membranet i en regnjacka

En funktionsjacka har ett tunt membran med miljarder pyttesmå hål. Hålen är mindre än en vattendroppe, men större än en enskild vattenmolekyl. Regndropparna kommer därför inte in, och membranet stöter dessutom bort vatten så att det inte pressas in i hålen. Svetten som avdunstar från kroppen är enskilda vattenmolekyler, vattenånga, och de kan ta sig ut. Materialet är utvecklat med hjälp av kunskap om hur stora partiklarna är.

En tröjas livscykel

En livscykelanalys följer en produkt från början till slut. För en bomullströja ser det ut så här. Bomullen odlas, med mycket vatten och ofta bekämpningsmedel. Den spinns, färgas och sys, vilket kräver energi och kemikalier. Tröjan transporteras till butiken. Du använder den och tvättar den kanske hundra gånger. Till sist återvinns den eller eldas upp. Varje steg kostar energi och ger utsläpp. Odlingen och tillverkningen ger tillsammans det mesta av klimatutsläppen. Enligt Naturvårdsverket uppstår ungefär 80 procent av utsläppen där. Odlingen kräver vatten, gödsel och bekämpningsmedel. Tillverkningen ger mest utsläpp, främst spinningen och färgningen, som kräver mycket energi och kemikalier. Därför gör det mest nytta att använda tröjan länge.

Atommodellen har också ändrats

Även kemins modeller utvecklas. Omkring år 1800 trodde Dalton att atomen var en odelbar kula. År 1897 upptäckte Thomson elektronen, och några år senare beskrev han atomen som en positiv boll med elektroner i. Omkring år 1910 sköt Rutherfords forskargrupp små partiklar mot en tunn guldfolie. Några studsade tillbaka, och år 1911 drog Rutherford slutsatsen att atomen har en liten, tung kärna. År 1913 lade Bohr elektronerna i skal på olika avstånd från kärnan. Varje gång ändrades modellen för att nya experiment inte passade den gamla.

Nya material och tekniker

Vi vill se hur kemister formger material för ett syfte. Ett läkemedel formges så att det passar en viss molekyl i kroppen, som en nyckel i ett lås. En bränslecell ger el när vätgas och syrgas bildar vatten. Bioplast görs av förnybar råvara, till exempel majsstärkelse. Men om plasten bryts ner beror på hur molekylerna är byggda, inte på råvaran.

Sammanfattning

Vi vill se hur kunskap om ämnenas uppbyggnad ger nya material. Litiumjonbatterier lagrar energi genom att litiumjoner vandrar mellan två elektroder. Membran i funktionskläder släpper igenom vattenånga men inte vattendroppar. Läkemedel formges för att binda till en viss molekyl i kroppen.

En livscykelanalys följer produkten: utvinning av råvara, tillverkning, transport, användning och avfall eller återvinning. Varje steg kostar energi och ger utsläpp. Kemins modeller har också en livscykel. Daltons odelbara atom byttes mot Thomsons modell med elektroner, Rutherfords atomkärna och Bohrs elektronskal. Varje gång krävde nya experiment en ny modell.

Hur kom Rutherford fram till atomkärnan? Han sköt små positiva partiklar mot en tunn guldfolie. De flesta gick rakt igenom, men några studsade nästan rakt tillbaka. Slutsatsen blev att atomen mest är tomrum, med en liten, tung och positiv kärna i mitten.

Ett läkemedel är en molekyl som formges för att passa en viss molekyl i kroppen, ofta ett protein. Form och laddningar ska passa ihop, ungefär som en nyckel i ett lås. Därför verkar läkemedlet där det finns rätt molekyl att binda till.

Membranet i en funktionsjacka har porer som är omkring 20 000 gånger mindre än en vattendroppe. Regnet kommer inte in, men vattenånga från svett tar sig ut. Många membran är gjorda av PTFE, som är ett PFAS-ämne. PFAS bryts ner mycket långsamt i naturen.

En bränslecell ger el när vätgas och syrgas reagerar: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Räkna: fyra väteatomer och två syreatomer på varje sida. Det bildas vatten och värme men ingen koldioxid, och energin blir el i stället för en låga.

Bioplast tillverkas av förnybar biomassa, till exempel majsstärkelse, i stället för olja. Det gör inte plasten nedbrytbar automatiskt. Om en plast bryts ner beror på hur molekylerna är byggda, inte på råvaran.

Återvinning sparar ofta energi. Att återvinna aluminium kräver bara omkring 5 procent av energin som behövs för ny metall ur malm. För kläder står tillverkningen för det mesta av utsläppen, så där gör det mest nytta att använda plagget länge.

Ett ord som ”klimatsmart” på en förpackning är inget bevis. Fråga efter siffror för utsläppen i hela livscykeln och vem som har räknat fram dem.

En t-shirt i bomull: odling (vatten, bekämpningsmedel) → spinning och färgning (energi, kemikalier) → transport → tvätt under användningen → återvinning eller förbränning. Enligt Naturvårdsverket uppstår ungefär 80 procent av klimatutsläppen från kläder som köps i Sverige redan i tillverkningen.

Vanliga missförstånd

• Många tror: Ett batteri förbränner sitt litium.

  Men i ett litiumjonbatteri brinner inget. Energin lagras genom att litiumjoner vandrar mellan två elektroder när batteriet laddas och laddas ur.

• Många tror: Transporten ger det mesta av klädernas klimatutsläpp.

  Men för kläder står tillverkningen för det mesta av utsläppen. Därför gör det mest nytta att använda plagget länge.

• Många tror: Vetenskapliga modeller byts av tycke eller omröstning.

  Men en modell byts när nya experiment inte stämmer med den. Rutherfords försök med guldfolie visade till exempel att atomen har en liten kärna, och då ersattes Thomsons modell.

Källor

1. Dagens textila flöden är en global miljöutmaning (80 % av utsläppen i produktionen), Naturvårdsverket
2. Taking climate action: Measuring carbon emissions in the garment sector in Asia (färgning 36 %, garnframställning 28 %, fiberproduktion 15 %), International Labour Organization
3. Beräkna klimatpåverkan: Vad är livscykelanalys? (från råvara till avfall), Naturvårdsverket
4. The Nobel Prize in Chemistry 2019, populärvetenskaplig information (litiumjoner vandrar mellan elektroderna), Nobelprize.org
5. Evolution of Atomic Theory (Thomson 1904; Rutherfords guldfolieförsök och atomkärnan), OpenStax Chemistry 2e
6. The Bohr Model (1913; elektronskal), OpenStax Chemistry 2e
7. PFAS, Kemikalieinspektionen
8. Atommodell, Wikipedia på svenska
9. Drug design (molekyler som passar målet i form och laddning), Wikipedia (engelska)
10. Gore-Tex (porer omkring 1/20 000 av en vattendroppe; vattenånga passerar; PTFE är ett PFAS-ämne), Wikipedia (engelska)
11. Fuel cell (2 H₂ + O₂ → 2 H₂O; vätgas och syrgas ger el), Wikipedia (engelska)
12. Bioplastic (av förnybar biomassa som majsstärkelse; biobaserad betyder inte nedbrytbar), Wikipedia (engelska)
13. Aluminium recycling (omkring 5 % av energin för ny metall ur malm), Wikipedia (engelska)
14. Kommentarmaterial till kursplanen i kemi (läkemedel, funktionskläder, batterier, bränsleceller; bioplast från majsstärkelse), Skolverket
15. Kursplan i kemi, Lgr22, Skolverket