admin

Onko tislatun veden juominen haitallista?

Vesi, josta on poistettu liuenneet kivennäisaineet tai niiden pitoisuutta on huomattavasti alennettu (pienemmäksi kuin 50–100 mg/l) joko tislaamalla tai muulla tavoin, ei sovellu juotavaksi muuten kuin erikoistapauksissa.

Tällaisen veden jatkuva nauttiminen lisää virtsan eritystä, kehon nestetilavuutta ja seerumin natriumpitoisuutta, laskee seerumin kaliumpitoisuutta sekä lisää natriumin, kaliumin, kloridin, kalsiumin ja magnesiumin eritystä. Nämä muutokset tapahtuvat monimutkaisten säätelymekanismien välityksellä, joissa ovat osallisina erilaiset reseptorit ja hormonit.

Oireina nestetasapainon häiriöstä ovat muun muassa väsymys, heikkous, päänsärky, lihaskouristukset ja rytmihäiriöt. Suuri määrä kivennäisaineista puhdistettua tai tavallistakin vettä saattaa nopeasti juotuna aiheuttaa hyponatremian kautta ”vesimyrkytyksen”, johon liittyy pahimmillaan aivojen turvotuksen kautta hengenvaarallisia seurauksia.

Ilkka Ojanperä, oikeuskemian professori
Hjelt-instituutti, Helsingin yliopisto

Mikä tekee aineesta magneettisen atomitasolla? Miten magneettisuus näkyy atomitasolla?

Atomien magneettisuus johtuu kahdesta eri syystä. Yksinkertaistaen voidaan ajatella, että elektronien rataliike ytimien ympäri muodostaa virtasilmukoita eli pieniä magneettisia (dipoli)momentteja. Nämä momentit aiheuttavat magneettikentän ja vuorovaikuttavat ulkoisten magneettikenttien kanssa. Toisaalta elektroneilla on sisäinen, spiniin liittyvä magneettinen momentti. Myös monilla atomiytimillä on magneettinen momentti, joka on kuitenkin huomattavasti heikompi kuin elektronin magneettinen momentti.

Aineen magneettiset ominaisuudet määräytyvät siitä, millä tavalla yksittäisten atomien sisäiset magneettiset momentit summautuvat yhteen. Kun atomin elektronien rataliikkeeseen ja spiniin liittyvät momentit kumoutuvat niin, että jäljelle ei jää nettomomenttia, aine on diamagneettinen. Kun diamagneettinen aine asetetaan ulkoiseen magneettikenttään, sen elektronien aaltofunktio muuttuu siten, että aineeseen indusoituu sähkövirtoja, jotka pyrkivät hieman vastustamaan ulkoista kenttää.

Paramagneettisissa aineissa atomeilla on magneettinen momentti, jolle on energeettisesti edullista suuntautua siten, että atomaariset momentit vahvistavat ulkoista kenttää. Jos paramagneettisessa aineessa olevat magneettiset momentit vuorovaikuttavat riittävän voimakkaasti toistensa kanssa, ne pyrkivät suuntautumaan tietyllä tavalla toisiinsa nähden ja syntyy erilaisia järjestysmagnetismin lajeja, kuten ferromagnetismi.

Ferromagneettisissa aineissa lähellä toisiaan olevat atomaariset magneetit suuntautuvat samansuuntaisesti. Ferromagneettisessa aineessa olevat, samansuuntaisista momenteista koostuvat alueet eli domeenit vahvistavat ulkoista kenttää suuresti.

Juha Vaara, professori
Fysiikan laitos, Oulun yliopisto

Miten molekyylikaavasta voi päätellä, kuinka monella eri yhdisteellä on sama molekyylikaava? Esimerkiksi C₃H₆ on ilmeisesti kahden yhdisteen kaava.

Eri yhdisteitä, joilla on sama molekyylikaava, kutsutaan toistensa isomeereiksi. Pienimolekyylisillä orgaanisilla yhdisteillä isomeerien määrä voidaan todeta yksinkertaisesti piirtämällä mahdolliset rakennekaavat. Molekyylin koon kasvaessa mahdollisten muunnelmien lukumäärä lisääntyy kuitenkin hämmästyttävän nopeasti.

Isomeerien lukumäärän johtaminen matemaattisesti on monimutkaista, vaikka tarkasteltaisiin pelkästään hiilivetyjä eli yhdisteitä, jotka sisältävät vain hiili- ja vetyatomeja. Isomeriaa aiheuttavat sekä hiiliketjun haaroittuminen että rengasrakenteiden tai kaksois- tai kolmoissidosten muodostuminen. Avaruus- eli stereoisomeria voi vielä moninkertaistaa vaihtoehtojen määrän suurilla molekyyleillä.

Kysymyksessä mainittu C₃H₆ on tyydyttymätön yhdiste, jonka molekyylissä on yksi kaksoissidos tai rengasrakenne. Mahdolliset muodot ovat propeeni ja syklopropaani.

Hiili- ja vetyatomien lukumäärän suhde kertoo, onko hiilivety tyydyttynyt vai tyydyttymätön ja montako tyydyttymättömyyttä aiheuttavaa tekijää molekyylissä on. Jos hiiliatomien lukumäärä on n ja molekyylikaava on yleisessä muodossa C_nH_2n+2 , yhdiste on tyydyttynyt. Silloin molekyyli ei sisällä kaksois- eikä kolmoissidoksia eikä rengasrakenteita ja isomeria voi johtua vain hiiliketjun haaroittumisesta.

Jos yhdisteen yleiskaava on C_nH_2n , tyydyttymättömyysaste on yksi ja molekyylissä on joko kaksoissidos tai rengas. Jos yleiskaava on C_nH_2n−2 , tyydyttymättömyyttä aiheuttavia tekijöitä on kaksi. Mahdollinen kolmoissidos lisää tyydyttymättömyysastetta kahdella.

Tätä päättelyä voidaan jatkaa: mitä vähemmän vetyatomeja on suhteessa hiiliatomeihin, sitä enemmän on moninkertaisia sidoksia tai rengasrakenteita. Kun otetaan lisäksi huomioon erilaiset funktionaaliset ryhmät, mahdollisten orgaanisten yhdisteiden lukumäärä on käytännössä rajaton. Kaikkia teoreettisia isomeereja ei kuitenkaan pystytä käytännössä valmistamaan. Tutkittuja orgaanisia yhdisteitä on esitetty kirjallisuudessa noin 10 miljoonaa.

Mikko Oivanen, orgaanisen kemian professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Kun pikaliimaan sekoittaa ruokasoodaa, syntyy todella nopeasti kova liimaus. Miksi seos kovettuu pikaliimaa nopeammin ja kovemmaksi? Kuinka hyvin tällainen liimaus mahtaa kestää vettä?

On vaikea antaa tyhjentävää vastausta tietämättä, mitä materiaalia on liimattu, mitä pikaliimaa on käytetty ja kuinka paljon liimaan on sekoitettu ruokasoodaa. Jos pikaliima on syanoakrylaattiliimaa, reaktiota saattavat muuttaa nopeammaksi ja eksotermisemmaksi esimerkiksi alkoholit, emäkset ja kosteus. Ruokasooda on emäksistä, ja se sisältää paljon kosteutta. Vedenkesto heikkenee ainakin teoriassa, jos syanoakrylaattiliimaan lisää vesiliukoista ruokasoodaa. Lisättävällä soodamäärällä on varmasti paljon merkitystä.

Juha Vaani
Tuoteneuvonta, Kiilto Oy

Meidän piti lukiossa tehdä etanolista essee. Kirjoitin: ”Etanoli eli etyylialkoholi on herkästi syttyvä, väritön, biohajoava, myrkytön primäärinen alkoholi.” Nähdessään sanan ”myrkytön” opettaja sanoi: ”Hirveä virhe! Etanoli on tappavan myrkyllinen.” Onko asia todella noin? Mielestäni aineen myrkyllisyys riippuu paljon siitä, millaisesta määrästä on kyse. Jos etanoli on myrkyllistä vain sen takia, että sitä liikaa nauttiessaan voi kuolla, silloin kaurapuurokin on myrkyllistä. Jos puuroa nimittäin syö liikaa, voi kuolla mahan repeämiseen.

Kemikaalien (kemiallisten aineiden, kuten etanoli) luokitus perustuu kemikaalin sisäisiin ominaisuuksiin. Kemikaalilain 11 §:n mukaisesti terveydelle vaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka elimistöön joutuessaan voi aiheuttaa kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi jo vähäisenä määränä haittaa ihmisen terveydelle.

Ympäristölle vaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka ympäristöön joutuessaan voi aiheuttaa jo vähäisenä määränä haittaa elolliselle luonnolle. Palo- ja räjähdysvaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi voi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen. Tarkemmat perusteet näille ”vaarallisuuksille” löytyvät sosiaali- ja terveysministeriön (STM) asetuksesta kemikaalien luokitusperusteista ja merkintöjen tekemisestä (807/2001, liite 1).

Kemikaalilainsäädännön mukaisissa niin sanotuissa aineluetteloissa (CLP-asetuksen EY N:o 1272/2008 liitteen VI osa 3) annetaan tietyille vaarallisille aineille EU-tasolla yhdenmukaistetut eli harmonisoidut luokitukset ja merkinnät. Se tarkoittaa, että aineluettelossa olevan aineen vaaraominaisuudet on selvitetty ja että luokitusta on noudatettava.

Aineluettelon mukaan etanoli eli etyylialkoholi luokitellaan väistyvän lainsäädännön (STM:n asetus 807/2001) mukaan helposti syttyväksi. CLP-asetuksen mukainen luokitus on ”syttyvä neste, kategoria 2”. Etanolia ei ole luokiteltu terveydelle tai ympäristölle vaaralliseksi. Aineiden luokituskriteerit esimerkiksi välittömän myrkyllisyyden osalta esitellään Tukesin neuvontapalvelun sivuilla väistyvän luokituksen ja CLP-asetuksen mukaan.

Kemikaalin varoitusetiketissä tai pakkauksessa ei saa käyttää sellaisia ilmauksia kuin ”myrkytön”, ”vaaraton”, ”ympäristöystävällinen”, ”ekologinen” tai muita lausekkeita, jotka antavat ymmärtää, että aine tai seos ei ole vaarallinen (CLP-asetus, artikla 25: 4.).

Kirsi Myöhänen, ylitarkastaja
Teollisuus- ja kuluttajakemikaalit, Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)

Miten elektolyysissä selitetään sähkövirran kulku elektrolyyttiliuoksessa? Johtimessa sähkövirta on elektronien kulkua anodilta katodille. Elektrolyyttiliuoksessa kationit kulkeutuvat katodille ja anionit anodille. Jos kationit ja anionit kulkevat eri suuntiin, ei muodostu ionien jonoa tiettyyn suuntaan. Onko sähkövirta liuoksessa siis vain satunnaista ionien liikettä?

Sähkövirta ei ole satunnaista ionien liikettä, vaan kationit liikkuvat kohti katodia ja anionit kohti anodia, siis vastakkaisiin suuntiin, sähkökentän ajamina. Sähkövirta I on

I = F Σ(z _i J _i ),

jossa z_i on ionin varausluku ja J_i ionin vuo (mol/s); F on Faradyn vakio. Koska J_i on vektorisuure, anionien ja kationien vuon etumerkit ovat vastakkaiset. Tulo z_i J_i on siten aina positiivinen, ja anionien ja kationien vuot summautuvat yhteen virran suuruudessa.

Systeemin varaustasapaino, elektroneutraalisuus, säilyy elektrodireaktioiden kautta. Esimerkiksi Suomelle tärkeässä metallien elektrolyysissä metallikationit ottavat vastaan katodilla elektroneja eli pelkistyvät metalliksi, kun taas anodilla yleinen reaktio on hapen kehitys, jossa elektroneja syntyy. Sinkin tapauksessa puolireaktiot ovat:

katodi: Zn ²⁺ + 2 e ⁻ → Zn
anodi: 2 H ₂ O → 4 H ⁺ + 4 e ⁻ + O ₂

Liuokseen syntyy siis kaksi protonia kutakin pelkistynyttä sinkkikationia kohti, ja liuos pysyy elektroneutraalina. Elektronit kiertävät ulkoisen virtapiirin kautta.

Elektrodireaktioiden merkitystä ei voi liikaa korostaa, koska ne määräävät, mikä on kennon jännite ja siten tehontarve elektrolyysissä. Hapen kehitys vaatii melko suuren jännitteen, joten jos jännitettä voitaisiin pienentää, elektrolyysin energiakustannukset alenisivat huomattavasti.

Lasse Murtomäki
Kemian laitos, Aalto-yliopisto

Milloin pH voi olla välin 0–14 ulkopuolella?

Jos H₃O⁺ tai OH⁻ -ionien konsentraatiot ovat korkeintaan 1 M:n suuruisia, pH-asteikko 0–14 on riittävä. Hyvin happamissa tai emäksisissä liuoksissa tämä konsentraatio voi ylittyä, jolloin pH-asteikko laajenee. Esimerkiksi [H₃O⁺] = 10 M vastaa pH-arvoa −1 ja [OH⁻] = 10 M vastaa pH-arvoa 15. On siis täysin mahdollista valmistaa niin happamia liuoksia, että pH on negatiivinen, tai niin emäksisiä liuoksia, että pH ylittää arvon 14.

Liuoksen pH on yhteydessä veden ionituloon. Veden ionitulo puhtaassa vedessä 25 °C:ssa on K_w = [H₃O⁺ ][OH⁻ ] = 1 · 10⁻¹⁴, eli pK_w = −lg[H₃O⁺ ] + (−lg[OH⁻ ]) = pH + pOH = 14. Ionitulo riippuu lämpötilasta: 25 °C:ssa pK_w = 14 mutta 0 °C:ssa pK_w = 14,94. Jos siis [OH⁻] = 1 M, niin pH on 14 lämpötilassa 25 °C, mutta 14,94 lämpötilassa 0 °C. Lämpötilan ohella pK_w-arvoon vaikuttavat liuoksessa mahdollisesti läsnä oleva taustaelektrolyytti ja liuoksen ionivahvuus.

Käytännössä pH-mittarien ja -elektrodien valmistajat ilmoittavat laitteidensa käyttöalueeksi laajimmillaan pH-alueen 0–14. Käyttöalueen äärirajoillakin hyvin happamissa tai emäksisissä liuoksissa esiintyy pientä vääristymää. Vaikka pH-mittari voi näyttää laitteen käyttöalueen ylittäviä lukemia, alueen ulkopuolella tehdyt mittaukset ovat hyvin epätarkkoja.

Helena Hyvönen
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Fenyylialaniini on elimistölle välttämätön aminohappo, eli sitä pitää saada ravinnosta. On kuitenkin olemassa fenyyliketonuriaksi kutsuttu sairaus, jossa elimistö ei pysty käsittelemään fenyylialaniinia (siihen liittyviä varoituksia on aspartaamia sisältävissä tuotteissa). Eikö fenyylialaniini olekaan välttämätön aminohappo? Miten fenyyliketonuriaa sairastavat ihmiset saavat tarvitsemansa aminohapot?

Fenyylialaniinia tarvitaan proteiinien synteesissä. Fenyylialaniini on ihmiselle välttämätön aminohappo, koska ihmiselimistö ei sitä pysty tekemään. Se on proteiinisynteesin takia välttämätön myös potilaille, joilla on fenyyliketonuria (PKU).

Fenyyliketonuriaa sairastavilla synnynnäinen entsyymivika estää fenyylialaniinin normaalin metaboloitumisen kehossa. Siksi fenyylialaniinia kertyy heidän kudoksiinsa, mikä aiheuttaa muun muassa aivojen kehityksen häiriön.

Toisaalta PKU-potilaat tarvitsevat fenyylialaniinia, sillä he syntetisoivat proteiineja aivan kuten muutkin ihmiset. Heidän hoitonsa on siten tasapainoilua, jossa ruuasta ja mahdollisista ravintolisistä on saatava fenyylialaniinia tarpeeksi muttei liikaa.

Fenyylialaniinia tulee pääosin ruuan proteiineista, mutta sitä voi syntyä elimistössä muistakin aineista, kuten aspartaamista. Ravitsemusterapeutit ja lääkärit suunnittelevat potilaille sellaiset ruokavaliot, että fenyylialaniinin määrät pysyvät sopivina.

Risto Lapatto
Kliininen laitos, Helsingin yliopisto

Eräässä tehtävässä pitää laskea liukenemislämpö, kun 3,88 g ammoniumnitraattia liuotetaan 60,0 millilitraan vettä. Alku- ja loppulämpötilat T₁ ja T₂ tiedetään ja liukenemislämpö q lasketaan kaavalla q = cm(T₂ − T₁). Lämpökapasiteetiksi c voidaan varmaan valita veden ominaislämpökapasiteetti, mutta tulisiko massan m olla veden massa 60,0 g vai liuoksen kokonaismassa 63,88 g?

Kaava c_pmΔT on likiarvo, kun lämpökapasiteetti vakiopaineessa c_p otetaan puhtaan veden mukaan. Massa m on kokonaismassa, koska koko massa kokee lämpötilan muutoksen.

Markku Lampinen, professori
Energiatekniikan laitos, Aalto-yliopisto