kurs material

Skriv ut Träna begrepp Deltest 1 Deltest 2 Stortest

MATERIAL ÖVERSIKT

Material kan delas in på olika sätt. Här beskrivs ett vanligt sätt: Det finns tre olika typer av material.

Polymerer – är ett material som består av en unik molekyl som är ihopsatt till en lång kedja, som ett pärlhalsband. Plaster byggs upp av polymerer. Ett annat exempel är druvsockermolekylen som i kedjor bildar både stärkelse och cellulosa. Trä är uppbyggt av cellulosa och stärkelse.

Metaller – De flesta grundämnen är metaller. Metaller leder ström och värme och har metallglans. Järn och aluminium är vanliga metaller på jorden. De flesta metaller är ovanliga och svåra att få tag på. De flesta metaller måste man bryta i gruvor och utsätta för olika kemiska processer för att de ska bli i ren form.

Keramer – Här ingår glas, porslin och all typ av keramik. Gemensamt för dessa kemiska föreningar är att de är oorganiska. Oorganiska ämnen innehåller inte grundämnet kol.

Sedan finns det två strukturer som kan bestå av ovannämnda material som är bra att ha koll på.

Fibrer – Ett material som består av långa trådar. Vanligt i textilier. Dessa långa trådar är uppbyggda av olika material t ex polymerer. Fibrer inbakat i ett annat material gör det starkare och mer hållbart.

Kompositer – är blandningar av olika material. Man blandar för att utnyttja de bästa egenskaperna hos olika material. T. ex. gjuts armeringsjärn in i betong för att göra den starkare. Det finns också många naturliga kompositer t. ex. ben och trä.

Fördjupning:

METALLER JÄRN

Framställning av metall ( allmänt):

En del metaller finns i naturen i ren form eftersom de sällan reagerar med andra grundämnen. De kallas ädelmetaller och exempel på dessa är guld, silver och platina. De är sällsynta och kanske inte så lätta att hitta i naturen längre.

De flesta metaller finns bundna, som joner, i kemiska föreningar. Sådana kemiska föreningar kallas för mineraler. Blandningar av olika mineraler kallas för bergart. Om det finns tillräcklig hög halt metalljoner i ett mineral, så det är värt att ta reda på den, kallas den malm. Malmer bryter man vanligtvis i gruvor. Processen för att utvinna malm går till så ungefär så här för de flesta metaller:

1) Malmen tas upp och anrikas. Det innebär att man krossar den och sorterar bort sådant som inte har tillräckligt hög metallhalt. Koncentrationen höjs av den önskade metallen.

2) Genom olika kemiska processer, beroende på metall, görs metalljonerna om till ren metall. Samtidigt renas metallen från föroreningar och andra oönskade ämnen. Sedan är metallen klar att användas.

Framställning järn:

Järnmalm består ofta av olika järnoxider t. ex. svartmalm (Fe3O4) och blodstenmalm (Fe2O3). För att ta bort syret blandas malmen med rent kol (koks) i en ugn (masugn) och upphettas tills den smälter.

Syret i malmen och kolet reagerar och bildar kolmonoxid och koldioxid som försvinner som rök. Järnmalmen kallas nu råjärn eller tackjärn. Råjärnet innehåller 4 procent kol och det gör järnet ömtåligt och sprött. För att det ska bli mer användbart så tillförs syrgas. Syrgasen reagerar med kolet och bildar mer kolmonoxid och koldioxid. Det kallas färskning. Färskningen fortsätter tills kolhalten är 2 procent. Nu kallas råjärnet för stål.

För att ge stålet bättre egenskaper görs legeringar (sammansmälta metaller) med krom eller nickel. Rostfritt stål består av 18 procent krom och 8 procent nickel.

Miljöproblem med järnframställning:

Det bildas ofantliga mängder växthusgas (koldioxid och kolmonoxid). 10% av Sveriges utsläpp av växthusgaser kommer från stålindustrin.

När malmen anrikas är det stora mängder material som inte behövs. Det kallas slagg och läggs på stora högar runt gruvorna. Slaggen innehåller andra grundämnen och kemiska föreningar som kan vara giftiga om dessa rinner ut och förorenar grundvattnet eller i naturen.

Landskapet blir fult av gruvhål och slagghögar.

Återvinning av järn:

Järn kan man lätt återvinna genom att tillsätta det tillsammans med råjärnet. Det går åt fyra gånger mer energi att framställa stål ur järnmalm jämfört med när man återvinner det.

Fördjupning:

 

METALLER ALUMINIUM

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan. Den förekommer inte fritt i naturen utan finns i små mängder i många kemiska föreningar. Aluminiummalm kallas bauxit. Den kemiska formeln är dialuminiumtrioxid (Al2O3). Från bauxit utvinns rent aluminium genom en speciell typ av elektrolys (smältelektrolys).

Den kemiska processen för att få fram rent aluminium börjar med att bauxiten renas och smälts ner. Nu blir jonerna rörliga. Bauxiten har hög smältpunkt och därför förbrukas stora mängder energi. En spänning kopplas på så att de negativa syrejoner rör sig mot pluspolen och de positiva aluminiumjonerna rör sig mot minuspolen. Vid pluspolen finns kol som reagerar med syret och bildar koldioxid. Kvar blir aluminiumet.

Miljöproblem med aluminiumframställning:

  • Mycket av den bauxit som man bryter finns 5-10 meter under jorden i regnskogsområden (t ex Latinamerika och Centralafrika). Det innebär att regnskogen måste huggas ner vid brytning av malmen.
  • Anrikningen av bauxit sker ofta på plats. Slaggen från brytningen är giftig och kan förorena mark och vatten.
  • Den kemiska processen (elektrolys), för att få fram rent aluminium, kräver mycket energi. Jämfört med järn krävs det 3-4 gånger mer energi.

Återvinning av aluminium:

Återvinning av aluminium är viktig. I Sverige återvinner vi 65 procent av allt aluminium som framställts.

I Sverige har sedan 1984 varit möjligt att panta aluminiumburkar. 90 procent av aluminiumburkarna återvinns. Sedan 2006 är det lag på att drycker som produceras i Sverige för konsumenter måste ingå i pantsystemet.

Det går åt 20 gånger så mycket energi att framställa aluminium från malm jämfört när man återvinner det. (95 procent av energin sparas alltså genom att återvinna). Tyvärr finns det mycket aluminium som är svårt att återvinna t ex aluminiumfolie och på insidan av olika förpackningar. Det följer lätt med hushållssoporna ut istället.

Fördjupning:

METALLER KOPPAR

Koppar är en användbar metall. Förr användes koppar till hustak och kanoner. Idag används 65 procent av kopparen som framställs för att leda elektricitet. Andra användningsområden är elektronik, propellrar, mynt och musikinstrument.

Framställning av koppar:

Kopparmalmen som används vid framställningen kallas kopparkis (CuFeS2) och kopparglans (Cu2S). Dessa malmer anrikas först. Sedan smälts de och blandas med syrerik luft så svavlet försvinner. Smältning och tillförsel av syrerik luft görs ytterligare en gång och eventuellt blandas det i lite fin sand som oönskat järn reagerar och bildar slagg. Nu är malmens renheten 98-99 procent. Sista steget är att göra en speciell elektrolys. Då används elektricitet för att få en lösnings joner att röra sig mot strömkällans plus eller minuspol beroende på jonladdning. 

Miljöproblem med kopparframställning:

  • Kopparmalmen vi bryter i Sverige innehåller en låg halt koppar. Det innebär att det blir stora mängder slagg.
  • Kopparmalmen innehåller svavel som vid framställningen riskerar att spridas och försura naturen (svaveldioxid). Att försura innebär att pH blir lågt och organismer riskerar att dö eller få svårt att överleva.
  • Det är energikrävande att smälta koppar på grund av den låga kopparhalten i malmen och att kopparföreningar har starka kemiska bindningar som kräver hög temperatur. Elektrolysen i slutet av framställningen kräver stora mängder energi.

Återvinning av koppar:

Metallen är helt återvinningsbar och ungefär 80 procent av kopparen som någonsin brutits används fortfarande. Koppar som finns i gamla elledningar och gamla nedgrävda rör och det är svårt att få tag på den. Man sparar 90 % av energi när man återvinner koppar jämfört med att framställa den ur malm. Man kan återvinna den till ursprunglig kvalitet hur många gånger som helst.

Koppar är en värdefull metall och därför finns det i samhället idag problem med kopparstölder. Därför stöldmärks koppar idag med DNA så den går att spåra.

Fördjupning:

PLAST

Plaster har många användningsområden och det är svårt tänka sig ett liv utan plast. Plaster är idag ett stort forskningsområde, både när det gäller tillverkning men också för återvinning.

Framställning av plaster:

Plaster tillverkas av olja. De långa oljemolekylerna delas upp i mindre molekyler. Det kallas för cracking. Många plaster görs av de omättade kolvätena (med dubbelbindning) eten, propen, buten och butadien.

Plaster är en polymer. Det betyder att plasten består av en slags molekyl som upprepar sig till en lång kedja. Den kolvätemolekyl som är basen i en slags plast kallas monomer och det finns många olika. Exempel:

När monomerer sätts ihop till polymerer så kallas processen polymerisation. Plasterna får olika egenskaper beroende på vilken monomer man utgår ifrån. Ungefär 4-5 procent av all olja blir plast. 

Plaster delas in i två huvudtyper, termoplast och härdplast. Indelningen beror på strukturen på plastens polymerer.

Termoplast är klart vanligast. Termoplast är enklare att tillverka och mindre miljöfarlig. Om föremål av termoplast värms blir de mjuka och smälter. Det beror på att bindningarna som håller samman polymerkedjorna är svaga. Kedjorna kan glida längs varandra när plasten värms. Exempel på termoplast: Påsar, plastmuggar, plastförpackningar.

För att plasten ska vara mjuk, smidig och få andra bra egenskaper tillsätts mjukgörare. Dessa kemiska föreningar är ofta svåra för naturen att bryta ner om de hamnar i ekosystemet. När djur får de i sig kan mjukgöraren lagras i fettvävnaden. Djuren kan få problem med fortplantningen. Exempel på en mjukgörare är bisfenol A som finns i olika typer av plastflaskor. Ämnet liknar kroppens könshormon östrogen och kan därför ge samma effekt som en förhöjd halt av östrogen. 

Härdplaster måste formas när de tillverkas. De består också av långa kedjor fast med en massa tvärbindningar. Strukturen ser ut som ett spindelnät . De varken mjuknar eller smälter vid uppvärmning utan de förkolnar. Väggkontakter, köksredskap och båtskrov är gjorda av härdplast.

Fördjupning:

PLAST OCH MILJÖ

Gammal och förbrukad plast kan hanteras på tre sätt. Återvinning, energiutvinning eller deponering.

Återvinning är naturligtvis det bästa alternativet och mycket av plasten i våra hushåll återvinns. En av svårigheten med återvinning är att plaster kan vara väldigt olika varandra och de behöver sorteras innan de kan återvinnas. I Sverige kan (frivilligt) plaster vara uppmärkta med en symbol som talar om vilken typ det är. Indelningen beror på vilken monomer plasten består av.

När plasterna sorteras mals de till flingor och  på grund av att de har olika densitet, kan de separeras. De kan också separeras genom att de centrifugeras. Idag återanvänds 45 % av plastförpackningarna (2015). Plast kan återvinnas upp till tio gånger

Med energiutvinning menas att plasten eldas upp i ett kraftvärmeverk. En del plaster innehåller bara kol och väte och då bildas bara koldioxid och vatten vid förbränningen. I andra plaster blandas fler grundämnen t ex klor vilket kan bidra till försurningen i naturen.

Med deponering menas att plasten läggs på soptippen. Det tar lång tid för vissa plastsorter att brytas ner. Bioplaster görs av cellulosa bryts ner av solljus och bakterier i naturen. De har ingen miljöpåverkan.

Miljöproblem med plaster:

60 procent av all tillverkad plast har slängts i naturen eller haven. Plast bryts inte ner utan den kommer att stanna kvar i hundratals år. Totalt i världen har, sedan 1950, endast 9 procent återanvänts och 12 procent eldats upp.90 procent av allt skräp i havet är plast. De finns enorma flytande soptippar av plast i haven. De kallas för ”The Great Pacific Garbage Patch”.

Plaster i naturen mals sakta ner, av väder och vind, till små bitar som kallas mikroplaster. Det är också ett stort miljöproblem som kommer att bli ännu större  i framtiden. Djur på land och i haven äter dessa färgglada bitar och dör. Mikroplaster äts av musslor och små organismer och hamnar då i näringskedjan och olika typer av förgiftningar uppstår.

En del av mikroplasterna kommer från produkter t ex smink och krämer. De finns där som utfyllnad för att göra produkten billigare att tillverka. Många mikroplaster kommer från när vi tvättar våra kläder.

Fördjupning:

TRÄ

Skogen har sedan länge varit en viktig resurs för svensk industri och export. Sverige är fortfarande en av världens största producenter.

Trä används till ved, virke och det går att tillverka etanol av trä. Det mesta av träden blir papper. Processen går från trä till pappersmassa till papper.

Framställning av papper:

40 % av trädet är cellulosa. Cellulosa är polymer som består av långa kedjor av druvsockermolekylen.30 % av trädet är lignin som fungerar som ett klister och håller ihop cellulosan och gör trädet stabilt. Resten är lite blandade sockerarter. För att kunna tillverka pappersmassa så måste ligninet tas bort. Det går att göra på två sätt:

1) Det kemiska sättet. Först görs flis av trädet (centimeterstora bitar). Flisen kokas med olika kemikalier som löser upp ligninet. Detta papper blir starkare. Det bleks också så det blir vitt.

2) Det mekaniska sättet. Veden mals så cellulosafibrerna blir fria. Sedan blandas den med vatten. Ligninet är kvar i smeten men håller inte ihop cellulosan. Detta papper gulnar snabbt (pga ligninet) så det används mest till tidningspapper och toapapper.

På ett pappersbruk tillverkas sedan pappersmassan till papper. Pappersmassan mals sönder och olika kemikalier tillsätts tillsammans med lim så det blir starkare. Sedan sugs vattnet bort ur pappret. När det torkat är det färdigt och rullas upp på enorma pappersrullar.

Återvinning av papper:

Hälften av allt papper återvinns. Papper kan återvinnas 5-7 gånger eftersom varje gång man återvinner pappret blir kvalitén lite sämre. Återvunnet papper används till toapapper, hushållspapper och tidningspapper.

Miljöproblem med papper:

Till skillnad mot metall och plasttillverkning så har industrin löst de stora miljöproblemen. Dessa var:

Tidigare blektes pappret med klor för att få papperet vitt. Kloret förgiftade och försurade naturen. Idag används syrgas till blekningen istället.

Tidigare släpptes ligninet ut i sjöarna vilket ledde till syrebrist på botten så organismerna dog. Idag så bränns ligninet istället.

Fördjupning:

LIVSCYKELANALYS

Livscykelanalys är ett verktyg för att bedöma miljöpåverkan.

Först repetition av några användbara begrepp. En produkt är en sak du köper eller använder t. ex. tandborste, gurka, bil. En resurs är något som krävs för att tillverka produkten t ex energi, material. En råvara är ett material t ex järn, olja, trä.

En produkts livscykel är dess resursförbrukning och den miljöpåverkan den har orsakat under sin livstid. Allt ska räknas med – alla resurser som går åt och alla utsläpp som sker, från och med att man hämtar råvarorna tills resterna kommer tillbaka till naturen. Livscykelanalyser går att göra på alla slags produkter och även på mänskliga aktiviteter t ex resa på semester och bo på hotell.

Det är komplicerat att avgöra hur stor miljöpåverkan blir eftersom det finns så många faktorer som spelar roll. Miljöeffekter som kan studeras i analysen är vattenförbrukning, giftighet (toxicitet), övergödning, försurning, nedbrytning av ozonlager, växthuseffekt med mera.

Sedan finns det andra saker som behövs vägas in som är svårare att mäta. 

  • När ska man räkna att en produkt föds? När den tillverkas eller när råvarorna tas upp ur jorden?
  • Har den tillverkats på ett effektivt sätt? Är den tillverkad av återvunnet material? Hur mycket används i produkten?
  • Gäller livscykelanalysen bara produktion av produkten eller ska det även tas med t. ex. bränsle under den tiden som produkten används (t. ex. bränsle i en bil).

Trots livscykelanalyser kan det vara svårt att välja produkten med minst miljöpåverkan. Ibland står olika miljöpåverkan mot varandra.

  • Lågenergilampor drar mindre ström än vanliga lampor men de innehåller kvicksilver (giftigt).
  • Vad är bäst för miljön? Pappersmugg eller porslinsmugg?
  • Är det bäst att köpa vatten ur en aluminiumburk som kan återvinnas eller en glasflaska som kan diskas?

Kom ihåg! En livscykelanalys säger bara vad som är bäst ur miljösynpunkt när du ska välja en produkt. Oftast kan det vara bäst för miljön att avstå från vissa produkter. T. ex. köp inte vatten på flaska utan drick Sveriges utmärkta kranvatten.

Fördjupning:

KEMIKALIER I HEMMET

Rengöringsmedel.

Ett rengörningsmedel behöver sänka ytspänningen. Ytspänning gör vattnet lite segt och utan ytspänning är det enklare att göra tyget genomblött.

Smuts består ofta av fett. Vatten och fett är olika typer av ämnen som är dåliga på att blanda sig. Då tillsätts ett kemisk ämne som kallas tensid. En del av molekylen gillar vatten (hydrofil) och den andra änden gillar fett (hydrofob). Tensider innesluter fettpartiklar i vattnet som går att skölja ut.

Om rengörningsmedlet ska lösa upp protein så tillsätts enzymer. pH-värdet ändras om så behövs. En del tvättmedel har parfym i sig och ett återsmutsningsskydd.

Målarfärg

Den målarfärg som används idag består av tre delar.

  • Pigment. Det är själva färgen. Den består av olika kemiska föreningar med olika metaller.
  • Lösningsmedel. Ofta är pigmentet löst i vatten men oljefärger är också vanliga. Lösningsmedlet gör färgen lagom tjock.
  • Bindemedel Håller ihop lösningsmedlet och färgen. Bindemedlet är ofta någon plastförening.

Smink och hudprodukter

De flesta hudprodukter (salva, läppstift, kräm, cerat, foundation) innehåller vatten, fett och en tensid som håller dessa samman. Om huden ska återfuktas innehåller hudprodukten mycket vatten. Om den ska skapa en skyddande hinna innehåller den mer fett. Finns det mycket vatten brukar produkten innehålla konserveringsmedel så att det inte börjar växa bakterier i den. Parfym används i vissa också.

En tandkräm innehåller tensider som rengör, natriumflourid som stärker emaljen, slipmedel som tar bort beläggningar och smakämnen.

Nagellack är uppbyggt på samma sätt som målarfärg: bindemedel, pigment och lösningsmedel. Lösningsmedlet är aceton. Det förångas snabbt och färgen sitter  kvar. 

Fördjupning:

FRAMTIDENS MATERIAL

Materiallära är en spännande vetenskaplig gren som handlar om att ta fram material som har önskade egenskaper. Det kan vara att de ska vara  lätta och starka eller leder ström utan motstånd. Här är några exempel på moderna material.

Kol

Fulleren se ut som fotbollar och består av ungefär 70 kolatomer. Det är en modern form av rent kol som upptäcktes på 80-talet och blev 1996 års nobelpris i kemi. Eftersom är så nyligen upptäckt har vetenskapen fortfarande en del spännande upptäckter att göra. En variant av en fulleren är ett kolnanorör. Den kolmolekylen ser ut som en långt rör.

Grafen är också en modern form av kol. Det gav nobelpris i fysik 2010. Grafen är ett mycket tunt täcke av kolatomer. Det skulle kunna beskrivas som ett skikt av grafit. Det är genomskinligt och ungefär 200 gånger starkare än stål men det är mycket lättare. Det är formbart, leder elektricitet och ogenomträngligt för gaser och vätskor. Grafen kommer garanterat att användas i många framtida uppfinningar.

Plaster

Armerad plast är plaster med olika typ av fibrer (trådar) i. Kolfiberarmerad plast innehåller trådar av grafit. Materialet blir flera gånger starkare än stål men mycket lättare. Det tål höga temperaturer och har många användningsområden t ex fiskespön, cd-skivor och detaljer i flygplan.

Aramidplaster är en annan stryktålig armerad plast. Den används i skyddsvästar och brandsäkra overaller. Plasterna är mera kända som Kevlar och Twaron

Teflon – En plast som innehåller fluor. Den är väldigt hal (låg friktion) och används som yta i stekpannor. Inget ska då, enligt reklamen, kunna bränna fast.

Goretex – En annan plast som innehåller fluor. Den läggs som en hinna på skor och klädesplagg. Den släpper igenom vattenånga men inte vatten. Det innebär att materialet släpper ut svett och släpper in luft. Bra när man tränar.

Aerogel

Ett framtidsmaterial som forskarna hoppas ska kunna bli lika stort som plast är idag. Det är ett superporöst material som är väldigt lätt men ändå tåligt. Det skulle kunna användas till isolering och för att suga upp vätskor.

Amorfa metaller

Atomerna i metallen ligger inte i en ordnad kristallstruktur utan huller om buller. Metaller skulle kunna bli segare och inte korrodera (rosta). Det är också möjligt att göra amorfa legeringar med nya bättre egenskaper.

Fördjupning:

Info om sidan Träna begrepp Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Stortest