admin

Mihin perustuu happojen ja emästen syövyttävä vaikutus? Mikä reaktio tapahtuu aineen syöpyessä?

Hapot ja emäkset ovat reaktiivisia yhdisteitä, jotka vaikuttavat eri tavoin erilaisiin materiaaleihin. Klassisen happo-emäskäsityksen mukaan happo määritellään yhdisteenä, joka luovuttaa protonin eli vetyionin. Emäs taas määritellään yhdisteenä, joka vastaanottaa protonin.

Yleisesti voidaan ajatella, että happo reagoi emäksen kanssa ja toisin päin, mutta poikkeuksia esiintyy. On myös olemassa esimerkiksi Lewisin happoja ja emäksiä, jotka vastaanottavat ja luovuttavat elektronipareja. Todennäköisesti kysymyksessäsi haluat keskittyä ensin mainittuihin, vetyionia ”pallotteleviin” yhdisteisiin.

Vesiliuoksen happamuus määritellään oksoniumionin (H₃O⁺) pitoisuuden perusteella. Oksoniumioni syntyy esimerkiksi, kun vetykloridi (suolahappo) luovuttaa vesimolekyylille vetyionin seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

Emäs, esimerkiksi natriumhydroksidi, taas toimii vesiliuoksessa seuraavasti:

NaOH → Na⁺ + OH⁻

Happojen syövyttävä vaikutus perustuu vetyionin reaktioihin. Esimerkiksi metallien tapauksessa vesiliuoksessa oksoniumionin reaktiivisella vedyllä on vahva hapettava vaikutus epäjaloihin metalleihin. Kun metalli hapettuu (esim. rauta ruostuu), vetyioni pelkistyy ja syntyy puhdasta vetykaasua:

2 H₃O⁺ (aq) + Fe (s) → Fe²⁺ (aq) + H₂ (g) + 2 H₂O (l)

Hapettuneet rautaionit (Fe²⁺) joko liukenevat vesiliuokseen tai saostuvat suolana kohdatessaan vastaionin.

Jalometallien syöpyminen perustuu hapettavien happojen anionien yhteisvaikutukseen vetyionin kanssa. Myös vetyfluoridihappo voi syövyttää lasia sen sisältämän fluorin reagoidessa lasin silikaattien kanssa.

Eloperäisten materiaalien tai synteettisten hiilivetyjen syöpymisessä positiivinen vetyioni hakeutuu orgaanisissa molekyyleissä olevien negatiivisten osittaisvarausten (esim. happea sisältävien ryhmien) tai emäksenä toimivien ryhmien luo. Tällöin voi tapahtua pitkien hiilivetyketjujen pilkkoutumista tai orgaanisten yhdisteiden muuntumista vesiliukoisiksi.

Emästen tapauksessa syöpyminen tapahtuu lähinnä eloperäisissä materiaaleissa, joissa ne sen tekevätkin hyvin tehokkaasti. Esimerkiksi viemärinavausaine on miltei puhdasta natriumhydroksidia. Hydroksidi-ionit toimivat emäksenä hiilivetyketjujen happamille vedyille tai napsivat helposti heikosti kiinnittyneitä vetyjä. Heikosti kiinnittyneitä vetyjä ovat lähinnä sellaiset vedyt, jotka ovat kiinnityneet positiivisesti osavarauksellisiin hiiliin. Tällöin hiiliketjut muuttuvat joko vesiliukoisiksi tai pilkkoutuvat.

Jos 1,0-molaariseen (mol/l) bentsoehapon (C₆H₅CO₂H) vesiliuokseen lisätään natriumhydroksidia, kunnes pH = 8,0, mikä on [C₆H₅CO₂H]? Tiedän, että K_a(C₆H₅CO₂H) = 6,5 · 10⁻⁸ mol/l.

Bentsoehappo C₆H₅CO₂H on heikko happo, joka muuttuu protonin luovuttaessaan bentsoaatiksi C₆H₅CO₂⁻:

C₆H₅CO₂H + H₂O → C₆H₅CO₂⁻ + H₃O⁺

Kun liuoksen pH on 8, sen oksoniumionikonsentraatio on [H₃O⁺] = 10⁻⁸ mol/l. Neutraloinnissa syntyneen bentsoaatin konsentraatio on tuntematon, joten merkitään sitä x:llä. Koska bentsoehappo oli alun perin 1,0-molaarista happomuodon konsentraatio on tasapainossa 1 − x (mol/l).

Sijoitetaan arvot happovakion lausekkeeseen:

K_a = [C₆H₅CO₂⁻][H₃O⁺]/[C₆H₅CO₂H] = x · 10⁻⁸ mol/l / (1 − x) = 6,5 · 10⁻⁸ mol/l.

Ratkaisuksi saadaan x ≈ 0,8667 (mol/l).

Vastaukseksi tulee [C₆H₅CO₂H] = 1 − x ≈ 0,13 (mol/l).

Kuinka korkea täytyy lämpötilan olla jotta 25 litraa 4-asteista vettä lämpiää 8-asteiseksi kahdessa tunnissa? Kysymys on elintarvikekuljetuksesta, joka kestää enintään 2 tuntia, eikä tuote saisi lämmetä yli 8-asteiseksi kuljetuksen aikana.

Jotta elintarvikkeet pysyisivät alle 8 °C:ssa, kuljetusastian lämpötilan täytyy pysyä alle 8 asteessa. Se voidaan saavuttaa tehokkaalla eristyksellä. Lämmönsiirrossa on merkitystä ympäristön lämpötilalla. Jos ulkona on hellettä, vesi lämpenee tavallista nopeammin. Talvella ilmiö on päinvastainen, kun vesi voi jäätyä pakkasella.

Jotta 25 litraa puhdasta vettä lämpenisi 4 °C:sta 8 °C:seen, se tarvitsee noin 420 kJ energiaa. Tehoksi muutettuna kahden tunnin ajalle se on noin 60 W. Ulkoa tuleva lämpöteho ei saa olla siis olla korkeampi kuin 60 W. Tilannetta voidaan tarkastella Fourier’n lain avulla:

(P × x) / (k × (T[ympäristö] − T[astian sisällä]) × A)

missä k on lämmönjohtokyky, P lämpöteho, x eristeen paksuus, A eristeen pinta-ala ja T on lämpötila.

Mahdollisesti eristeenä käytettävän styroksin lämmönjohtokyky k on 0,04 W/(m °C). Jos oletetaan 25 litraa vettä olevan kuution muotoisena kappaleena, sen sivun pituus on 29,2 cm. Siten eristeen pinta-ala sisällä on A = 0,511 m².

Oletetaan, että vesiastia sopii tiiviisti styroksikuutioon, jolloin ilmaa ei jää veden ja eristeen väliin. Astian sisällä on siten aluksi 4 °C. Oletetaan, että ulkona on hellettä, ja ulkolämpötila on 25 °C. Täytyy kuitenkin muistaa, että auringonpaisteessa on vielä kuumempaa ja lämpötila pitää mitata tarkasti mittarilla, esimerkiksi kuljetettaessa vesiastiaa auton takakontissa.

Lasketaan näillä oletuksilla vaadittava styroksieristeen paksuus:

x = (k × (T[ympäristö] − T[astian sisällä]) × A) / P
= (0,04 W/(m °C) × (25 °C − 4 °C) × 0,511 m²) / 60 W
= 0,0072 m ≈ 1 cm

Teoriassa siis noin yhden senttimetrin paksuinen styroksiastia riittäisi pitämään 4-asteisen veden alle 8 asteessa 2 tuntia. Se vaatisi styroksiastialta täydellistä tiiviyttä. Käytännössä lämmönhukkaa tapahtuu kuljetuksen ja säilytyksen aikana, joten kesäpäivinä on varmuuden vuoksi syytä lisätä kylmäkalleja vesiastian ympärille.

Miksi pilvi ei voi olla vesihöyryä?

Kun ilman suhteellinen kosteus ylittää 100 prosenttia, vettä alkaa tiivistyä pisaroiksi tai härmistyä jääkiteiksi. Näkemämme pilvet ovat pienen pienistä vesipisaroista tai jääkiteistä muodostuneita rykelmiä. Pilvet ovat siis ilman ja pisaroiden seoksia eli aerosoleja. Pilven pisaroiden olomuoto riippuu lämpötilasta ja ilmanpaineesta.

Kansankielessä vesihöyryllä usein tarkoitetaan näkyviä nestemäisiä pisaroita. Tieteessä höyry on kuitenkin synonyymi läpinäkyvälle kaasulle, jota syntyy nesteen höyrystyessä.

Itse asiassa pilvi sisältää hieman vesihöyryä. Kaasuuntunutta vettä on vesipisaroiden ja muiden ilman molekyylien seassa.

Miten määritellään orgaaninen kemia? Onko hiilidioksidi (CO₂) orgaaninen yhdiste?

Orgaaninen kemia käsittelee yhdisteitä, jotka muodostuvat pääasiassa hiilestä ja vedystä. Yhdisteet saattavat sisältävät jonkin verran muun muassa happea, typpeä, halogeeneja ja rikkiä.

Aiemmin orgaaninen kemia käsitettiin eloperäisten yhdisteiden kemiana. Tieteen kehittyessä pystyttiin keinotekoisesti eli synteettisesti valmistamaan luonnossa esiintyviä orgaanisia yhdisteitä. Jako orgaaniseen ja epäorgaaniseen kemiaan kuitenkin jäi.

Hiiliyhdisteistä epäorgaanisiksi luetaan tavallisesti muun muassa yksinkertaiset hiilen oksidit, karbonaatit, syanidit ja karbidit. Hiilidioksidia, joka on siis epäorgaaninen yhdiste, muodostuu sekä epäorgaanisissa että orgaanisissa reaktioissa, esimerkiksi karbonaatti-ionin hajotessa vesiliuoksessa tai hiilivetyjen palaessa ilmassa. Epäorgaanisesta natriumsyanidista (NaCN) vapautuu helposti syanidi-ioni, kun taas orgaanisella asetonitriilillä (CH₃CN) näin ei tapahdu. Karbideista yksinkertainen esimerkki on suolamainen kalsiumkarbidi (CaC₂).

Etikkahapon natriumsuola on natriumasetaatti. Miksi etikkahapon esteritkin nimetään asetaateiksi? Ainakin Mooli 1 -kirjan mukaan etikkahaposta irtoaa esteröitymisessä koko OH-ryhmä, kun suolanmuodostuksessa lähtee vain vetyioni. Onko siis esterien nimeäminen -aatti -päätteellä loogista?

Esterin muodostuessa OH-ryhmä lähtee tosiaan karboksyylihapolta eikä alkoholilta. Nimeämisen kannalta ei ole kuitenkaan väliä, kummalta molekyyliltä väliin jäävä yhdyshappi on peräisin. Jos rakennekaavassa näkyy samanlainen asetaattimuoto kuin natriumasetaatissa, yhdiste voidaan ajatella etikkahapon suolaksi ja sitä kutsutaan asetaatiksi. Molekyylin rakenne määrää siis sen, miksi molekyyliä kutsutaan.

Nimeä asetyyli käytetään, jos toinen esteroityvistä aineista on korkeammalla nimeämisprioriteetilla, kuten asetyylisalisyylihapossa. Salisyylihapossa on sekä karboksyyliryhmä että hydroksyyliryhmä, ja etikkahappo esteröityy jälkimmäisen kanssa.

Mikä on lentokerosiinin (lentopetrolin) kemiallinen kaava?

Lentopetroli on monen erilaisen hiilivedyn seos. Hiilivedyt ovat suoraketjuisia, rengasrakenteisia ja haaroittuneita sekä aromaattisia. Kyseessä on suoratislausjae, jossa kaikkia hiilivetyjä on pieniä mutta vaihtelevia määriä riippuen raaka-ainesyötöstä. Erillisinä näkyvät suoraketjuiset hiilivedyt. Tyypillisiä hiilivetyjä ovat C9–C14-hiilivedyt (luku ilmoittaa ketjussa olevien hiiliatomien määrän). Lentopetroleiden kiehumispistealue on noin 160–300 °C. Mukana on pieniä määrä rikki- ja typpiyhdisteitä.

Paula Karjalainen, ryhmäpäällikkö
HSE-ryhmä, Tutkimus ja teknologia, Neste Oil

Miten seuraavat aineet reagoivat:

[Fe(SCN)]²⁺ (aq) + KSCN (aq),
[Fe(SCN)]²⁺ (aq) + Fe(NO₃)₃ (aq),
[Fe(SCN)]²⁺ (aq) + Fe(NO₃)₃ (s),
[Fe(SCN)]²⁺ (aq) + Na₂HPO₄ (s)?

Kysymys on hyvin mielenkiintoinen ja pohtii kemiallisten reaktioiden todellista luonnetta. Kemialliset reaktiot ovat aina tasapainoreaktioita. Tämän huomasi ranskalainen kemisti Henry Louis Le Chatelier, joka tutki kemiallisia reaktioita tasapainon näkökulmasta 1800-luvun lopulla. Otetaan ensin lämmittelyesimerkki.

Puun hiilen palaminen hiilidioksidiksi on tasapainoreaktio, vaikka yleensä nuoli piirretäänkin vain eteenpäin (→):

C + O₂ ↔ CO₂

Jos polttoprosessiin lisätään lähtöainetta, kuten happea, reaktio kiihtyy ja syntyy enemmän tuotteita eli hiilidioksidia. Reaktion tasapainoa voidaan siten siirtää tuotteiden puolelle eli reaktioyhtälössä oikealle. Jos taas polttoprosessiin lisättäisiin hiilidioksidia, reaktion tasapaino alkaisi siirtyä vasemmalle eli lähtöaineisiin. Ilmiö on havaittavissa hiilidioksidisammuttimien toiminnassa.

Kysymyksen reaktioissa on toisena lähtöaineena raudan ja tiosyanaatti-ionin reaktiossa syntyvä rautatiosyanaattikompleksi [Fe(SCN)]²⁺ (aq). Kompleksin muodostumisreaktiossa

Fe³⁺ + SCN⁻ ↔ [Fe(SCN)]²⁺ (aq)

tasapaino on voimakkaasti rautatiosyaatin syntymisen puolella. Liuoksessa on tasapainoperiaatteen mukaisesti myös rauta- ja tiosyanaatti-ioneja.

Kysymyksen ensimmäinen reaktio on kompleksin reaktio kaliumtiosyanaatin kanssa. Kun liuokseen lisätään tiosyanaattia SCN⁻, tasapaino siirtyy tuotteiden suuntaan. Tiosyanaatti ei siis reagoi rautatiosyanaattikompleksin kanssa, vaan se tukee tämän syntymistä. Kalium-ioni toimii tapauksessa vain ”turistina” ja sivustakatsojana.

Toisessa ja kolmannessa reaktiossa on ensimmäisen reaktion kaltainen tilanne, mutta nyt liuokseen lisätään rautaioneja. Kiinteä rautanitraatti Fe(NO₃)₃ (s) liukenee helposti veteen, joten käytännössä molemmat reaktiot tarkoittavat samanlaisia tilanteita. Lähtöaineen lisääminen siirtää tasapainoa oikealle eli tuotteiden puolelle. Nitraatti-ioni on nyt turistina, koska sillä ei ole liuoksessa potentiaalisia reagointikohteita.

Neljännessä reaktiossa on erilainen tilanne, sillä natriumioni ja vetyfosfaatti-ioni eivät suoraan vaikuta kompleksin muodostumisen tasapainoon. Fosfaatti-ioni PO₄³⁻ voi kuitenkin muodostaa rautaioneiden kanssa niukkaliukoista rautafosfaattia emäksisissä liuoksissa, jossa hydroksidi-ioni nappaa liuenneen vetyfosfaatti-ionin vedyn:

HPO₄²⁻ + OH⁻ ↔ PO₄³⁻ + H₂O

Syntynyt fosfaatti-ioni alkaa reagoida liuoksen vapaiden rautaioneiden kanssa muodostaen kiinteää rautafosfaattia, jos ionitulo täyttyy.

Kun rautatiosyanaatin lähtöainetta eli rautaionia alkaa hävitä, kompleksin muodostumisen tasapaino siirtyy vasemmalle eli lähtoaineiden puolelle. Rautatiosyanaattikompleksia alkaa hävitä, kunnes uusi tasapainotila on muodostunut. Natriumioni on tässä tapauksessa turistina, joten se on jätetty pois reaktioyhtälöstä:

[Fe(SCN)]²⁺ + HPO₄²⁻ + OH⁻ ↔ FePO₄ (s) + SCN⁻ + H₂O

Happamassa liuoksessa [Fe(SCN)]²⁺ (aq) ei reagoi Na₂HPO₄ (s):n kanssa.

Miten niukkaliukoinen lääkeaine-emäs saadaan liukenemaan, jotta se voisi imeytyä? Emäs imeytyy happamasta mahasta hyvin, mutta se ei liukene sinne. Lääkeaineenhan pitää ensin liueta, jotta se voisi imeytyä.

Lääkeaineen tehon kannalta on tärkeää, että lääke liukenee vatsassa. Toiset lääkeaineet ovat rasva- ja toiset vesiliukoisia. Olennaista on, että lääkeaine on nesteenä tai nesteessä, jotta se imeytyisi suolistosta parhaiten. Joskus se voidaan derivatisoida lääkeainesuolaksi, jotta siitä tulisi vesiliukoinen.

Lääkeaine, joka on emäksinen, liukenee hyvin happamaan mahanesteeseen ja muuttuu vesiliukoiseksi. Mahan nesteen ja ruokamassan liikkuessa ohutsuoleen lääkeaineet alkavat imeytyä suolen seinämien kautta verenkiertoon. Jos lääkeaine kuitenkin pysyy tällöin jostain syystä kiinteänä, se ei voi imeytyä ja lääke jää tehottomaksi. Tällaistahan mikään lääkevalmistaja ei tahdo.