Sólin Sólin Rís 06:06 • sest 20:53 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 06:52 • Sest 21:22 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:44 • Síðdegis: 18:59 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:39 • Síðdegis: 12:54 í Reykjavík

Er eldfjallagas þungt eða létt?

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þetta er góð spurning og mikilvæg þegar þetta er skrifað og við getum átt von á eldfjallagösum upp úr jörðinni hvenær sem er. Þau eru af ýmsum tegundum og áhrif þeirra á menn og náttúru ráðast einkum af efnafræðilegum eiginleikum þeirra eða kæfandi áhrifum. Þyngd eða eðlismassi (massa á rúmmálseiningu, oft mælt í kg á rúmmetra þegar um gös er að ræða) skiptir þó einnig miklu máli í þessu tilliti.

Um efnafræðina er ekki spurt hér en hún ræður því hvort gösin eru eitruð eða hafa önnur óæskileg áhrif á okkur. Kæfandi áhrif lofttegunda stafa til dæmis af því að þau hindra aðgengi súrefnis við öndun. Öll gös önnur en súrefni (ildi) hafa kæfandi áhrif á okkur ef þau eru ekki blönduð með súrefni. En hitt skiptir líka sköpum hvort gösin eru léttari en andrúmsloftið, jafnþung og það eða kannski þyngri. Þau sem eru léttari stíga upp og dreifast um leið, þannig að þau hafa minni áhrif en hin. Þau sem eru jafnþung og loftið í lofthjúpnum leita hvorki upp né niður heldur breiðast fyrst og fremst út í allar áttir frá staðnum þar sem þau koma upp. Þau sem eru þyngri en loftið leita niður á við ef þess er kostur, til dæmis í kvosir í landslaginu eða í djúpa kjallara ef þeir eru á svæðinu.

Eldfjallagös eru af ýmsum tegundum og áhrif þeirra á menn og náttúru ráðast einkum af efnafræðilegum eiginleikum þeirra eða kæfandi áhrifum en eðlismassi gassins ræður því hvert það fer eftir að það kemur upp. Myndin er af eldgosinu í Holuhrauni 2014.

Eldfjallagös eru yfirleitt einföld efnasambönd tiltölulega algengra frumefna eins og til dæmis vetnis, kolefnis, niturs og annarra sem sjá má í þessari töflu:

Frumefni
Efnatákn
Sætistala
Massatala
Vetni
H
1
1,0
Kolefni
C
6
12,0
Nitur
N
7
14,0
Súrefni
O
8
16,0
Flúor
F
9
19,0
Kísill
Si
14
28,1
Brennisteinn
S
16
32,1
Klór
Cl
17
35,5
Tafla með nokkrum algengum frumefnum sem koma við sögu í svarinu. Taflan sýnir efnatáknið, sætistölu í lotukerfinu og massatölu, það er að segja massa atómsins í einingu sem er 1/12 af massa kolefnisfrumeindar.

Töflu um öll frumefnin er að finna í svari Emelíu Eiríksdóttur við spurningunni Hvað heita öll frumefnin? Rétt er að nefna að eðlismassi gastegundar stendur í beinu hlutfalli við massatölu frumeinda eða sameinda í henni, ef miðað er við sömu ytri aðstæður (hita og þrýsting); þess vegna eru þessar einföldu og handhægu tölur býsna mikilvægar og notadrjúgar.

Nitur (í forminu N2, þ.e. tvær frumeindir í sameind) er um 78% af rúmmáli andrúmsloftsins en súrefni (O2) 21%. Prósentan eina sem eftir er skiptir ekki máli hér. Sameindarmassi nitursins er 28 einingar (2*14) samkvæmt framansögðu, en súrefnisins 32. Virkur sameindarmassi loftsins er því um 29 einingar og sú tala ræður því hvort tiltekið aðskotagas er léttara eða þyngra en loft.

Fjallað er um helstu gastegundir í eldgosum í svari Níelsar Óskarssonar við spurningunni Hvaða gastegundir koma upp í eldgosi? og við getum auðveldlega fundið massatölu þeirra efna sem þar eru nefnd. Tökum sem fyrsta dæmi koltvísýring, CO2. Massatala þeirrar sameindar er 12 + 2*16 = 44 eða verulega hærri en 29 sem er virk massatala loftsins. Þetta sýnir að CO2 er verulega þyngra gas en loftið og það leitar því niður í lofthjúpnum.

Kolsýringssameind, CO, hefur massatöluna 12 + 16 = 28 þannig að kolsýringur er ívið léttari en loft. Hann leitar þá eilítið upp á við en dreifist þó mest í lárétta stefnu og þynnist sem betur fer um leið, því að hann er lífshættulegur dýrum eins og margir þekkja frá ófullkomnum bruna eldsneytis, til dæmis í bílum.

Niðurstaðan fyrir vatnsgufu, H2O, sem getur líka komið frá eldgosum, kemur kannski meira á óvart, því að massatalan er aðeins 2*1 + 16 = 18, eða mun minni en lofts (29). Það þýðir meðal annars að rakt loft er léttara í sér en þurrt, hvort sem við trúum því við fyrstu sýn eða ekki!

Hér fer á eftir tafla um massatölur eldfjallagasanna sem eru nefnd í fyrrnefndu svari Níelsar:

Gastegund
Efnatákn
Massatala
Vetni
H2
2
Metan
CH2
16
Flúorsýra
HF
20
Kolsýringur
CO
28
Andrúmsloft
N2 og O2
29
Brennisteinsvetni
H2S
32
Saltsýra (klórsýra)
HCl
36,5
Koltvísýringur
CO2
44
Brennisteinn
S2
64
Brennisteinstvíoxíð
SO2
64
Gösin sem eru á undan andrúmsloftinu í töflunni leita upp þegar þau koma út í lofthjúpinn en hin leita niður, í kvosir í landslaginu. Þessi áhrif eru þeim mun meiri sem massatalan víkur lengra frá massatölu andrúmsloftsins, 29.

Í svari Níelsar kemur fram að

algengustu loftegundirnar eru vatn (H2O), vetni (H2), koltvíoxíð (CO2), kolsýringur (CO) og brennisteinstvíoxíð (SO2), en magn þeirra getur náð tugum hundraðshluta af rúmtaki gassins (mól%). Aðrar sameindir aðalefnanna, svo sem brennisteinsvetni (H2S), brennisteinn (S2) og metangas (CH4), og einnig klórsýra (HCl) og flúorsýra (HF), eru ávallt til staðar en gjarnan langt undir einum hundraðshluta af rúmtaki.

Rétt er að vara við því að flest efnin í töflunni ganga greiðlega í efnasamband, þau eru þess vegna það sem kallast hvarfgjörn og þannig hættuleg mönnum, dýrum og jafnvel plöntum. Má þar einkum nefna HF, CO, H2S, HCl, S2 og SO2. Önnur eru ekki sérlega hvarfgjörn en þau sem eru verulega þyngri en loft leita niður á við og ryðja burt súrefni og geta því stöðvað eða hamlað öndun lífvera á svæðinu. Þetta á einkum við um koltvísýring, CO2. Hann leitar í kvosir kringum gjósandi eldfjöll og getur kæft þar ýmis dýr, til dæmis sauðfé og fugla hér á landi. Ef menn af tegundinni Homo sapiens (viti bornir menn) þurfa að vera á ferð á slíkum svæðum er heillaráð að forðast kvosir og niðurgrafna kjallara.

Mynd:

Höfundur þakkar Ágústi Kvaran, prófessor í eðlisefnafræði við Háskóla Íslands, og Sigurði Steinþórssyni, prófessor emeritus í jarðfræði, fyrir yfirlestur og gagnlegar ábendingar.

Höfundur

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

5.3.2021

Spyrjandi

Steinunn Gunnlaugsdóttir

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er eldfjallagas þungt eða létt?“ Vísindavefurinn, 5. mars 2021. Sótt 12. apríl 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=81318.

Þorsteinn Vilhjálmsson. (2021, 5. mars). Er eldfjallagas þungt eða létt? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=81318

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er eldfjallagas þungt eða létt?“ Vísindavefurinn. 5. mar. 2021. Vefsíða. 12. apr. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=81318>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Er eldfjallagas þungt eða létt?
Þetta er góð spurning og mikilvæg þegar þetta er skrifað og við getum átt von á eldfjallagösum upp úr jörðinni hvenær sem er. Þau eru af ýmsum tegundum og áhrif þeirra á menn og náttúru ráðast einkum af efnafræðilegum eiginleikum þeirra eða kæfandi áhrifum. Þyngd eða eðlismassi (massa á rúmmálseiningu, oft mælt í kg á rúmmetra þegar um gös er að ræða) skiptir þó einnig miklu máli í þessu tilliti.

Um efnafræðina er ekki spurt hér en hún ræður því hvort gösin eru eitruð eða hafa önnur óæskileg áhrif á okkur. Kæfandi áhrif lofttegunda stafa til dæmis af því að þau hindra aðgengi súrefnis við öndun. Öll gös önnur en súrefni (ildi) hafa kæfandi áhrif á okkur ef þau eru ekki blönduð með súrefni. En hitt skiptir líka sköpum hvort gösin eru léttari en andrúmsloftið, jafnþung og það eða kannski þyngri. Þau sem eru léttari stíga upp og dreifast um leið, þannig að þau hafa minni áhrif en hin. Þau sem eru jafnþung og loftið í lofthjúpnum leita hvorki upp né niður heldur breiðast fyrst og fremst út í allar áttir frá staðnum þar sem þau koma upp. Þau sem eru þyngri en loftið leita niður á við ef þess er kostur, til dæmis í kvosir í landslaginu eða í djúpa kjallara ef þeir eru á svæðinu.

Eldfjallagös eru af ýmsum tegundum og áhrif þeirra á menn og náttúru ráðast einkum af efnafræðilegum eiginleikum þeirra eða kæfandi áhrifum en eðlismassi gassins ræður því hvert það fer eftir að það kemur upp. Myndin er af eldgosinu í Holuhrauni 2014.

Eldfjallagös eru yfirleitt einföld efnasambönd tiltölulega algengra frumefna eins og til dæmis vetnis, kolefnis, niturs og annarra sem sjá má í þessari töflu:

Frumefni
Efnatákn
Sætistala
Massatala
Vetni
H
1
1,0
Kolefni
C
6
12,0
Nitur
N
7
14,0
Súrefni
O
8
16,0
Flúor
F
9
19,0
Kísill
Si
14
28,1
Brennisteinn
S
16
32,1
Klór
Cl
17
35,5
Tafla með nokkrum algengum frumefnum sem koma við sögu í svarinu. Taflan sýnir efnatáknið, sætistölu í lotukerfinu og massatölu, það er að segja massa atómsins í einingu sem er 1/12 af massa kolefnisfrumeindar.

Töflu um öll frumefnin er að finna í svari Emelíu Eiríksdóttur við spurningunni Hvað heita öll frumefnin? Rétt er að nefna að eðlismassi gastegundar stendur í beinu hlutfalli við massatölu frumeinda eða sameinda í henni, ef miðað er við sömu ytri aðstæður (hita og þrýsting); þess vegna eru þessar einföldu og handhægu tölur býsna mikilvægar og notadrjúgar.

Nitur (í forminu N2, þ.e. tvær frumeindir í sameind) er um 78% af rúmmáli andrúmsloftsins en súrefni (O2) 21%. Prósentan eina sem eftir er skiptir ekki máli hér. Sameindarmassi nitursins er 28 einingar (2*14) samkvæmt framansögðu, en súrefnisins 32. Virkur sameindarmassi loftsins er því um 29 einingar og sú tala ræður því hvort tiltekið aðskotagas er léttara eða þyngra en loft.

Fjallað er um helstu gastegundir í eldgosum í svari Níelsar Óskarssonar við spurningunni Hvaða gastegundir koma upp í eldgosi? og við getum auðveldlega fundið massatölu þeirra efna sem þar eru nefnd. Tökum sem fyrsta dæmi koltvísýring, CO2. Massatala þeirrar sameindar er 12 + 2*16 = 44 eða verulega hærri en 29 sem er virk massatala loftsins. Þetta sýnir að CO2 er verulega þyngra gas en loftið og það leitar því niður í lofthjúpnum.

Kolsýringssameind, CO, hefur massatöluna 12 + 16 = 28 þannig að kolsýringur er ívið léttari en loft. Hann leitar þá eilítið upp á við en dreifist þó mest í lárétta stefnu og þynnist sem betur fer um leið, því að hann er lífshættulegur dýrum eins og margir þekkja frá ófullkomnum bruna eldsneytis, til dæmis í bílum.

Niðurstaðan fyrir vatnsgufu, H2O, sem getur líka komið frá eldgosum, kemur kannski meira á óvart, því að massatalan er aðeins 2*1 + 16 = 18, eða mun minni en lofts (29). Það þýðir meðal annars að rakt loft er léttara í sér en þurrt, hvort sem við trúum því við fyrstu sýn eða ekki!

Hér fer á eftir tafla um massatölur eldfjallagasanna sem eru nefnd í fyrrnefndu svari Níelsar:

Gastegund
Efnatákn
Massatala
Vetni
H2
2
Metan
CH2
16
Flúorsýra
HF
20
Kolsýringur
CO
28
Andrúmsloft
N2 og O2
29
Brennisteinsvetni
H2S
32
Saltsýra (klórsýra)
HCl
36,5
Koltvísýringur
CO2
44
Brennisteinn
S2
64
Brennisteinstvíoxíð
SO2
64
Gösin sem eru á undan andrúmsloftinu í töflunni leita upp þegar þau koma út í lofthjúpinn en hin leita niður, í kvosir í landslaginu. Þessi áhrif eru þeim mun meiri sem massatalan víkur lengra frá massatölu andrúmsloftsins, 29.

Í svari Níelsar kemur fram að

algengustu loftegundirnar eru vatn (H2O), vetni (H2), koltvíoxíð (CO2), kolsýringur (CO) og brennisteinstvíoxíð (SO2), en magn þeirra getur náð tugum hundraðshluta af rúmtaki gassins (mól%). Aðrar sameindir aðalefnanna, svo sem brennisteinsvetni (H2S), brennisteinn (S2) og metangas (CH4), og einnig klórsýra (HCl) og flúorsýra (HF), eru ávallt til staðar en gjarnan langt undir einum hundraðshluta af rúmtaki.

Rétt er að vara við því að flest efnin í töflunni ganga greiðlega í efnasamband, þau eru þess vegna það sem kallast hvarfgjörn og þannig hættuleg mönnum, dýrum og jafnvel plöntum. Má þar einkum nefna HF, CO, H2S, HCl, S2 og SO2. Önnur eru ekki sérlega hvarfgjörn en þau sem eru verulega þyngri en loft leita niður á við og ryðja burt súrefni og geta því stöðvað eða hamlað öndun lífvera á svæðinu. Þetta á einkum við um koltvísýring, CO2. Hann leitar í kvosir kringum gjósandi eldfjöll og getur kæft þar ýmis dýr, til dæmis sauðfé og fugla hér á landi. Ef menn af tegundinni Homo sapiens (viti bornir menn) þurfa að vera á ferð á slíkum svæðum er heillaráð að forðast kvosir og niðurgrafna kjallara.

Mynd:

Höfundur þakkar Ágústi Kvaran, prófessor í eðlisefnafræði við Háskóla Íslands, og Sigurði Steinþórssyni, prófessor emeritus í jarðfræði, fyrir yfirlestur og gagnlegar ábendingar....