Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Onko olemassa orgaanista yhdistettä, joka ei sisällä hiiltä?

Orgaanisissa yhdisteissä yleisiä alkuaineita ovat hiili, vety, happi, typpi ja rikki. Muut alkuaineet kuin hiili muodostavat keskenään esimerkiksi vettä, rikkivetyä, ammoniakkia, typen oksideja ja niin edelleen. Nämä yhdisteet luokitellaan jo määritelmällisesti epäorgaanisiksi. Ei siis ole olemassa orgaanista yhdistettä, joka ei sisältäisi hiiltä.

Onko liukeneminen kemiallinen reaktio? Esimerkiksi NaCl:n veteen liukeneminen? Olomuoto muuttuu ja ionien väliset sidokset purkautuvat.

Kyllä, natriumkloridin liukeneminen veteen on kemiallinen reaktio. Natrium- ja kloridi-ionien väliset sidokset aukeavat ja ionit liukenevat veteen.

Olomuodonmuutoksella tarkoitetaan tavallisesti sulamisen tai kiehumisen tapaista, fysikaaliseksi muutokseksi kutsuttavaa ilmiötä.

Valmistan temperamaalausta varten puulle lefkaspohjustuksen. Ensin valmistetaan jänisliimaseos (65 g jänisliimarakeita/gelatiinia ja 1 l vettä). Mitä tapahtuu, kun seos liuotetaan (lämmitetyssä vesihauteessa)? Mikä on jänisliiman tai gelatiinin kemiallinen kaava? Mikä reaktio tapahtuu, kun tähän jänisliimaan sekoitetaan liitujauhoa (CaCO ₃) kylläisen seoksen saamiseksi? Valmistus käy käytännössä siten, että vesihauteessa sekoitetaan liitujauhoa jänisliimaan niin kauan, ettei liitujauhoa enää sekoitu. Mikä rooli on käytettävällä Zn-jauheella (n. 1 ruokalusikallinen)? Millainen reaktio tapahtuu (vesi haihtuu yms.), kun tätä saatua lefkasta sivellään puupohjalle, jolloin saadaan temperamaalaukselle ja mahdolliselle kultaukselle sopiva pohja?

Gelatiini koostuu pääosin kollageenista, sillä valmistus tapahtuu eläinten nahoista ja luista uuttamalla. Kyse on siis lähinnä seoksesta, eikä ihan täsmällistä rakennekaavaa gelatiinille voi kirjoittaa.

Gelatiini keitetään vain paremman liukoisuuden saamiseksi: proteiinivyyhdit saadaan kuumassa vedessä paremmin auki kuin kylmässä. CaCO₃ paitsi toimii täyteaineena myös tekee liuoksen hieman emäksiseksi, jolloin proteiiniketjujen happoryhmät neutraloituvat ja liukoisuus paranee entisestään. CaCO₃:sta liukenee jonkin verran kalsiumioneja veteen, jotka muodostavat ionisiltoja proteiinissa. Varsinainen proteiinin silloittaja on sinkkijauhe (todennäköisesti ZnO), josta liukenevat sinkki-ionit muodostavat lisää ionisiltoja. Nämä ionisillat (proteiineissa jopa jonkinasteiset vyyhdit) parantavat lopputuotteen vedenkestoa, sillä mitä silloittuneempi proteiini on, sitä vaikeampi sitä on uudelleen saada liukenemaan veteen (tai jopa liuottimiin).

Kun vesi haihtuu pois tuotteesta, tämä muodostunut proteiiniverkko tiivistyy ja proteiiniketjut pakkaantuvat toisiaan vasten sekä muodostavat mahdollisesti lisää vyyhtejä. Voisin kuvitella, että näin tehdyllä tuotteella on verraten hyvä vedenkesto, mutta sen saa liukenemaan kuumaan veteen ja esimerkiksi vahvasti emäksisiin liuoksiin (kummallakin tavalla avataan proteiiniverkkoa eli mennään tavallaan valmistusprosessia taaksepäin). Proteiineilla on luonnostaan hyvä tartunta erilaisiin materiaaleihin, joten tartunta puuhun on varmasti hyvä.

Loputtomasti vedenkestoa ei pysty esimerkiksi sinkkioksidilla parantamaan, sillä jos proteiinia yritetään verkkouttaa liikaa keiton yhteydessä, se geeliytyy (syntyy liian tiheä verkko).

Miten lasketaan, kuinka monta molekyyliä on 3,48 grammassa asetonia?

Asetonimolekyylissä (C₃H₆O) on kolme hiiliatomia, kuusi vetyatomia ja yksi happiatomi. Hiilen moolimassa on 12,01 g/mol, vedyn 1,008 g/mol ja hapen 16,00 g/mol. Asetonin moolimassa on siten

(3 · 12,01 + 6 · 1,008 + 16,00) g/mol = 58,08 g/mol.

Yksi mooli (1 mol) molekyylejä tarkoittaa 6,022 · 10²³ :a molekyyliä. Määrän ilmaisee Avogadron vakio (6,022 · 10²³ mol ⁻¹). Asetonin moolimassa 58,09 g/mol tarkoittaa siis, että 6,022 · 10²³ kappaletta asetonimolekyylejä painaa 58,09 g. Tästä massasta 3,48 g on 5,99 %.

Asetonimolekyylien lukumääräksi saadaan:

0,0599 · 6,022 · 10²³ = 3,61 · 10²²

eli ilman potenssimerkintää ilmaistuna 36 100 000 000 000 000 000 000.

Tehtävä voidaan ratkaista lyhyesti sijoittamalla lukumäärän kaavaan N = nN_A ainemäärän kaava n = m/M. Kaavoissa N on lukumäärä, n ainemäärä, N_A Avogadron vakio, m massa ja M moolimassa.

Miten paljon kalsiumhydroksidia (poltettua kalkkia) liukenee veteen 20 °C:ssa? Osallistuuko ainoastaan liuennut kalsiumhydroksidi reaktioon, kun saostetaan kalsiumfluoridia jätevedestä (fluorivetyhappoa ja vettä) kalkkimaidolla (kalsiumhydroksidi + vesi)?

Kalsiumhydroksidi Ca(OH)₂ on niukkaliukoinen suola, eli se hajoaa veteen liuetessaan vain osittain kalsium- ja hydroksidi-ioneiksi. Liukenemista kuvaavien liukoisuustulojen arvot on yleisesti kirjallisuudessa annettu 25 °C:ssa, joka on lähellä kysymääsi 20 °C:a. [Ca²⁺] ja [OH⁻] tarkoittavat kalsiumin ja hydroksidin konsentraatioita liuoksessa.

Kalsiumhydroksidin liukoisuustulo on MAOL-taulukoiden mukaan

[Ca²⁺][OH⁻] ² = 5,0 · 10⁻⁶ (mol/l)³ .

Kun yhtälön avulla ratkaistaan ratkaistaan Ca(OH)₂:n liukoisuus, saadaan arvoksi 0,01077 mol/l eli grammoiksi muutettuna 0,798 g/l. Kalsiumhydroksidia liukenee veteen siis noin 800 milligrammaa litraa kohden.

Kalsiumfluoridi CaF₂ on noin 10 000 kertaa niukkaliukoisempi kuin kalsiumhydroksidi. Lisättäessä fluoridi-ioneja liuenneet kalsiumionit alkavat saostua kalsiumfluoridiksi. Se vaikuttaa liuoksen tasapainoon siten, että kalsiumhydroksidia alkaa liueta samalla, kun kalsiumfluoridia saostuu. Ainoastaan kalsium-ioni reagoi fluoridin kanssa. Hydroksidi-ioni vaikuttaa kalsiumin saostumiseen fluoridina vain mutkan kautta.

On sanottu, että maidon homogenoinnin yhteydessä rasvapallot pilkkoutuvat niin pieniksi, että ne pääsevät imeytymään verenkiertoon. Kun maito homogenoidaan, pilkkoutuvatko myös maidon valkuaisaineet yhtä pieniksi hiukkasiksi ja imeytyvät verenkiertoon?

Maito homogenoidaan lähinnä sen vuoksi, ettei siinä olisi ikäviä rasvapaakkuja, jotka saattaisivat häiritä makukokemusta.

Mahan sappineste ajaa tehokkaammin saman asian kuin homogenointi eli muuttaa rasvan vielä pienemmiksi pisaroiksi. Ruoansulatuskanavan lipaasi-entsyymit hajottavat rasvat vielä pienemmiksi osasiksi, rasvahapoiksi ja glyseroliksi. Rasvahapot imeytyvät lopulta ohutsuolen nukkalisäkkeiden kautta elimistöön.

Maidon proteiinien joutuessa mahalaukkuun pepsiini-niminen entsyymi hajottaa proteiinit pieniksi aminohapoiksi, jotka imeytyvät nukkalisäkkeiden kautta verenkiertoon.

Työtoverini lämmitti mikrossa lasillisen vettä. Kun hän lisäsi kuumaan veteen teräksisellä lusikalla hunajaa, vesi roiskahti kasvoille kuin geysir. Miksi näin tapahtui?

Vaikka vesi lämmitettäisiin kiehumispisteeseen tai ylikin, se ei kuitenkaan välttämättä vielä kiehu. Tämä johtuu siitä, että kiehuminen alkaa niin sanotuista tiivistymiskeskuksista, joina voi toimia esimerkiksi naarmu astian reunassa tai jokin vedessä olevan epäpuhtaus. Kun tiivistymiskeskuksia ei ole, vesi voi lämmetä monta astetta yli kiehumispisteensä.

Ilmiö tapahtuu kotioloissa lähinnä mikroaaltouunissa, jossa vesi lämpenee tasaisesti joka puolelta. Lisäksi astian pitää yleensä olla sileähkö ja puhdas.

Kun ylikuumentuneeseen veteen sitten lisätään vaikkapa sokeria, teepussi tai lusikka, niin tiivistymiskeskuksia onkin yhtäkkiä tarjolla ja vesi kiehuu silmänräpäyksessä synnyttäen suuria höyrykuplia. Purkaus voi olla niin raju, että pahaa-aavistamaton vedenkeittelijä saa koko kupillisen kuumaa vettä päälleen.

Ilkka Hendolin
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Meille on opetettu: ”Ensin vesi, sitten happo, muuten tulee sormeen rakko.” Jos nimittäin vettä lisättäisiin vahvaan happoliuokseen, vesi alkaisi kiivaassa reaktiossa kiehua ja happoa saattaisi roiskua. Päteekö sama emäksiin? Kun laimennetaan vahvaa emäsliuosta, pitääkö ennen emäksen annostelemista lisätä mittapulloon vettä pohjalle?

Sama sääntö pätee myös vahvoihin emäksiin. Jos esimerkiksi kiinteästä natriumhydroksidista valmistetaan liuos, on ensin laitettava astiaan vettä ja sen jälkeen emästä pienissä erissä. Natriumhydroksidin liukeneminen veteen tuottaa runsaasti lämpöä, joten vesi saattaa alkaa kiehua kuten happoa lisättäessä.

Seppo Lindroos
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Onko ksylitolin IUPAC-nimi 1,2,3,4,5-pentahydroksipentaani?

Ehdottamasi nimi on muuten oikea, mutta nimessä on otettava huomioon, miten ksylitolin alkoholiryhmät suuntautuvat toisiinsa nähden molekyylissä. Tämä kerrotaan käyttämällä niin sanotun Cahn–Ingold–Prelog-järjestelmän mukaisia stereokemiallisia etuliitteitä R ja S. Ksylitolin koko nimi kuuluukin (2R,3r,4S)-pentaani-1,2,3,4,5-pentaoli. Numerot viittaavat ksylitolin hiiliatomeihin, ja kolmannen hiilen merkintä r pienellä alkukirjaimella viittaa siihen, että molekyyli on tämän hiilen suhteen symmetrinen.

Käytännössä kukaan ei käytä ksylitolista IUPAC-nimeä, eikä sitä missään tarvitakaan, koska kemistit viestivät toisilleen piirtämällä yhdisteen rakenteen. Jos rakennetta ei voida piirtää, käytetään tunnetuille yhdisteille usein aineen CAS-numeroa, jonka antaa amerikkalainen Chemical Abstracts Service. Kemikaalien kaupassa CAS-numero on tavallisin tapa varmistaa, että puhutaan oikeasta aineesta.

Tietokoneohjelmien käyttöön on kehitetty erilaisia molekyylirakenteen kuvauskieliä, kuten SMILES ja InChi. SMILES-merkkijonona ksylitolin rakenne on OC[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO, ja InChi-merkkijonona se on 1S/C5H12O5/c6-1-3(8)5(10)4(9)2-7/h3-10H,1-2H2/t3-,4+,5+. Merkkijonoja ei tarvitse tehdä itse, sillä erilaiset kemian piirto-ohjelmat muodostavat yhdisteelle kuin yhdisteelle SMILES– tai InChi-merkkijonon.

Piirto-ohjelmat osaavat nykyään myös nimetä yhdisteet! Paljastankin tässä kemistien ammattisalaisuuden: nämäkin nimet ja merkkijonot tein nopeasti piirtämällä ksylitolin rakenteen ChemDraw-ohjelmalla, minkä jälkeen ohjelma osasi itse nimetä yhdisteen ja tuottaa SMILES– ja InChi-merkkijonot.

Petri Pihko, orgaanisen kemian professori
Kemian laitos, Jyväskylän yliopisto

Kun kuuma lasi jäähtyy vapaasti, eli ilman, että sen jäähtymistä hidastetaan siihen tarkoitetuilla laitteilla, sen ulko- ja sisäosat jäähtyvät eri tahtiin. Niiden välille syntyy jännityksiä, jotka muuttavat lasin optiikkaa. Nämä jännitykset voidaan havaita polariskoopin avulla.

Seuraamalla lasin jäähtymisprosessia havaitaan, että jännityksiä syntyy sinne, missä lämpötilaerot ovat suurimmat. Osa jännityksistä purkautuu jäähtymisen aikana, kun lämpötilaerot tasautuvat.

Jännityksiä on eniten, kun lasi on 400–600-asteista. Tälle välille sijoittuu myös lasitransitiolämpötila, jossa esimerkiksi lasin lämpölaajeneminen muuttaa käyttäytymistään [1].

Polariskooppi

Polariskooppi tarkoittaa yksinkertaisimmillaan systeemiä, jossa kaksi lineaarisesti polaroivaa kalvoa asetetaan siten, että niiden läpi ei pääse valoa lainkaan. Kuvattava esine pannaan kalvojen väliin.

Jännitykset lasissa muuttavat valon polarisaatiota, jolloin niiden kohdalla kamerassa havaitaankin valoa.

Mitä kuvissa näkyy?

Esineet on kuvattu polariskoopin reunalla: vasemmalla puolella esineet näkyvät kuten paljain silmin; oikea puoli paljastaa lasissa kytevät jännitykset. Kuvien värit kertovat, minkälainen jännitys on kyseessä: punainen viittaa puristus- ja sininen vetojännitykseen [2].

Kuvista havaitaan, että veto- ja puristusjännitykset vuorottelevat ja saavat aikaan raidallisia kuvioita. Vapaasti jäähtyneen kuution keskustaan on kaasuuntunut ilmakupla ulkoreunojen nopean jäähtymisen takia.

Jännitykset aiheuttavat lasin hajoamisen kappaleiksi, mutta koska ne ovat paljain silmin näkymättömiä, vaikuttaa siltä, että räjähtäminen tapahtuu ilman syytä.

Teksti ja kuvat: Laura Aalto-Setälä.

Lähteet:

[1] Torquato, S., Nature 405 (2000)

[2] Falk, T. ym., Boken om glas, 2005