Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Nykyisin tunnetaan reilut 4000 erilaista mineraalia, kuten kristobaliitti, rooseveltiitti ja seinäjokiitti. Mistä nämä eriskummalliset nimet ovat peräisin?

Mineraali on kivikunnan laji,  jonka lyhyt määritelmä kuuluu ”Mineraali on alkuaine tai tav. kemiallinen yhdiste, joka on syntynyt geologisissa prosesseissa”.  Mineraali on siis kiven laji.  Mineraalilla on tietty (määrätty muttei vakio) kemiallinen koostumus ja järjestynyt atomirakenne. Suomessa puhutaan kivilajeista, mutta eivät ne oikeastaan mitään lajeja (species) ole, vaan tyyppejä, mineraalien sekoituksia. Pitäisi siis puhua kivityypeistä (engl. rock types), ei kivilajeista, mutta historiallinen käytäntö meillä suosii nimitystä kivilaji (vrt.  sama asia Ruotsissa: vanha stenart, nykyisin bergart), Tällä hetkellä tunnetaan noin 4400 (eräiden laskujen mukaan vähän yli 4700) erilaista mineraalia. Määrä on pieni verrattuna eri kasvi- ja eläinajeihin. Koska mineraali on kivikunnan laji, spesies, ansaitsee jokainen mineraali oman nimensä siinä missä jokainen eläin- ja kasvilajikin. Koska  mineraalit ovat tavallisesti kemiallisia yhdisteitä, ne voidaan luokitella kemiallisen koostumuksensa perusteella pääryhmiin (esim. alkuaineet, sulfidit, oksidit,  silikaatit, karbonaatit jne. ), mutta ei niitä voida pelkästään kemiallisen koostumuksensa perusteella nimetä, sillä koostumus voi olla hyvinkin vaihteleva ja monimutkainen tai kahdella tai useammallakin eri mineraalilla voi olla sama kemiallinen kaava (mutta erilainen kiderakenne).

On lisäksi huomattava, etteivät kaikki alkuaineet ole mineraaleja.  Esimerkiksi litium on alkalimetalli kuten kalium , natrium ja rubidiumkin, mutta ne ovat liian reaktiivisia, että ne voisivat esiintyä luonnossa mineraaleina. Tunnetaan toki litium-mineraaleja kuten petaliitti, LiAlSi₄O_10, ja spodumeeni, LiAlSi₂O₆.

”Kaiken luonnon luokittelijan ja nimeäjän” ruotsal. Carl von Linnén (Linnaeus) (1707–1778) esittämä ”Systema naturae” v. 1735 (10. painos 1758) luokitteli kasvit, eläimet ja mineraalit, mutta ehkä onneksi kivikunnan lajeja (mineraaleja) hän ei senhetkisillä tiedoilla (ei tunnettu vielä kaikkia keskeisiä alkuaineitakaan) kyennyt nimeämään. Näin mineraalinimet pysyivät  lyhyinä, ja ikivanhat yksinkertaiset nimet  säilyivät, ja lisäksi nimistöä on helppo täydentää. Uusi mineraalinimi muodostetaan esimerkiksi löytöpaikka-  tai henkilönimestä liittämällä siihen suomessa pääte -iitti tai -liitti. Pääte tulee kreikan kiveä tarkoittavasta sanasta lithos. Vajaa puolet mineraalinimistä on annettu henkilön kunniaksi, noin neljännes nimistä on johdettu paikannimistä saman verran on  johdettu uuden mineraalin kemiallisesta koostumuksesta tai jostain fysikaalisesta ominaisuudesta.

Kansainvälinen IMAn (International Mineralogical Association) mineraalinimilautakunta  (Commission on New Minerals and Mineral Names) aloitti toimintansa vasta vuonna 1959.  Komissiossa on n. 40 jäsentä, tunnettua mineralogia ympäri maailmaa ja eri maista. Se  hyväksyy (äänestyksen jälkeen) nykyisin noin 60 uutta mineraalia vuodessa.

Aikaisemmin  kuka tahansa saattoi esittää uuden mineraalinimen tai väittää löytäneensä uuden mineraalin ilman, että asia oli asiantuntijoiden ennakkoon tarkastama ja nimi heidän hyväksymänsä.  Jotta mineraali voidaan hyväksyä uudeksi lajiksi, tarvitaan siitä nykyisin riittävät tiedot mm. kemiallinen analyysi, röntgentutkimus (kidejärjestelmä, hilamitat ja pulverikuva eli  röntgendiffraktogrammi),  optiset ja muut fysikaaliset ominaisuudet kuten kovuus, lohkosuunnat  ja tiedot esiintymisestä sekä paikasta (museosta), missä tyyppinäytettä säilytetään. Näin pystytään estämään, ettei  eri puolilla maailmaa anneta täysin tarpeettomia nimiä hiukan erinäköisille tai –värisille saman mineraalin  muunnoksille (vrt. kuvat 1 ja 2) tai synteettisille yhdisteille.

Muunnosnimiä kertyi  ajan mittaan huomattavasti enemmän kuin varsinaisia mineraalinimiä (laji- eli spesiesnimiä). Näitä tarpeettomia muunnosnimiä on viime vuosikymmeninä karsittu systemaattisesti. Vaikeutena on ollut se, että vanhat mineraalikuvaukset ja -analyysit ovat usein puutteellisia tai virheellisiä.

Ennen 1800-luvun alkua ei myöskään ymmärretty, että mineraalin koostumus voi vaihdella. Esimerkiksi plagioklaasi on natrium-kalsiummaasälpä, kiinteäliuos (Na,Ca)Al(Si,Al)Si₂O₈ , joka koostumukseltaan voi olla liki puhdas NaAlSi₃O₈ (albiitti) tai CaAl₂Si₂O₈ (anortiitti) tai sen koostumus voi olla  mikä tahansa koostumus näiden kahden päätejäsenen väliltä. Vastaavasti oliviini (Mg,Fe)₂SiO₄ on mineraali, jonka koostumus vaihtelee välillä forsteriitti Mg₂SiO₄  –fayaliitti Fe₂SiO₄. Välikoostumuksille annettiin aikoinaan (mineralogisessa mielessä tarpeettomia) nimiä kuin ne olisivat olleet eri mineraaleja.

Toisaalta esimerkiksi piidioksidi, SiO₂, joka on kemiallisesti yksinkertainen, voi esiintyä luonnossa ainakin kuutena eri mineraalina eli piidioksidin  polymorfina, joilla on sama kemiallinen koostumus, mutta erilainen kiderakenne, ja erilaiset fysikaaliset ominaisuudet.   ”Tavallinen” kvartsi  on päämineraalina muun muassa graniiteissa, gneisseissä ja liuskeissa.  Laavakivissä piidioksidi voi esiintyä kvartsina, tridymiittinä ja kristobaliittina.  Korkean paineen olosuhteista, kuten meteoriittikraattereista, tunnetaan coesiitti ja stishoviitti.   Kuudes piidioksidin polymorfi on marsilaisista meteoriiteista v. 2004 löydetty seifertiitti.

Näistä mineraalinimistä kvartsi on vanha,  tulee mahdollisesti saksalaisten kaivosmiesten jo keskiajalla käyttämästä nimestä tai on vielä vanhempaa perua eli antiikin ajoilta. Nimi tridymiitti  (kreikan tridyma =  kolmonen) viittaa kiteiden kolmikulmaiseen muotoon, kristoballiitti tulee mineraalin ensimmäisen löytöpaikan meksikolaisen Cerro San Cristobalin mukaan.  Coesiitti on ristitty sen ensimmäisen synteettisen valmistajan amerikkalaisen  L. Coesin (s. 1915)  kunniaksi ja stishoviitti vastaavasti venäläisen S. M. Stishovin (s. 1937) mukaan, joka valmisti yhdisteen laboratoriossa v. 1960. Meteoriiteista löydetty piidioksidin uusin polymorfi seifertiitti on ristitty saksalaisen tohtori F. Seifertin (s. 1941) kunniaksi.

Toinen sangen tunnettu esimerkki on hiili ( C ), joka esiintyy luonnossa tavallisesti  grafiittina, joskus timanttina. Pehmeä grafiitti tulee kreikan sanasta graphein = kirjoittaa, timantti kreikan sanasta adamas = voittamaton, mikä viittaa sen suureen kovuuteen. Näiden kahden, fysikaalisilta ominaisuuksiltaan hyvinkin erilaisen hiilen polymorfin lisäksi tunnetaan luonnosta myös chaoiitti ja lonsdaleiitti, joilla on siis sama kemiallinen koostumus kuin grafiitilla ja timantilla mutta erilainen kiderakenne ja näin erilaiset fysikaaliset ominaisuudet.  Chaoiitti on  nimetty kiinalaissyntyisen geologin Edward C.T. Chaon (1919–2008) ja lonsdaleiitti brittiläisen kidetieteilijä  Kathleen Lonsdalen (1903–1971) kunniaksi.

Mineraalinimistön kehittyessä  nimiä on jouduttu muuttamaan tai korjaamaan. Näin varsinkin,  jos samalle mineraalille on eri maissa annettu eri nimi. Tällöin ensimmäisellä  (vanhimmalla) nimellä on yleensä etuoikeus, ja tilanne on korjattu usein vasta vuosien kuluttua. Esimerkiksi Grönlannista löydetty  lorenzeniitti tuli  käyttöön v. 1897 tanskalaisen mineralogin J.Th. Lorenzenin (1855–1884) kunniaksi. Alkuperäinen kemiallinen analyysi näytteestä oli kuitenkin virheellinen (analysoidussa näytteessä  oli epäpuhtautena runsaasti zirkoni-nimistä mineraalia sulkeumina, ja kemiallisessa analyysissa oli vastaavasti korkea zirkoniumoksipitoisuus).  Näin venäläisillä oli täysi syy nimetä Kuolasta 1937 löytämänsä mineraali (kemiall. kaava: Na₂Ti₂Si₂O₉, ei lainkaan zirkoniumia, Zr!) ansioituneen suomalaisen Kuolan tutkijan prof. Wilhelm Ramsayn mukaan ramsayiitiksi. Kraus ja Mussnug 1941 sekä  Sahama 1947 osoittivat  kuitenkin, että ramsayiitti onkin oikeastaan lorenzeniitttia, jolloin nimellä lorenzeniitti on vanhempana nimenä etuoikeus, vaikka alkuperäinen kemiallinen analyysi oli virheellinen.

Venäläiset katsoivat kuitenkin, että  prof. Wilhelm Ramsay oli niin merkittävä Kuolan tutkija, että hän ansaitsee sieltä oman mineraalinsa. Näin he antoivat v. 2006 Kuolasta löytyneelle uudelle mineraalille nimen wilhelmramsayiitti (Cu₃FeS₃•2H₂O). Nimi edustaa uudempaa nimityyppiä, jossa henkilön etu- ja sukunimi kirjoitetaan yhteen.  Tällaisia henkilöiden kunniaksi ristittyjä mineraalinimiä on nykyään hyväksytty useita kuten carlhintzeiitti, brianyoungiitti, lotharmeyeriitti ja carlosturaniitti.

Tieteelle uusi mineraali voidaan nimetä myös löytöpaikkansa kuten Kaatialan (kaatialaiitti, FeAs₃O₉•6–8H₂O), Viitaniemen (viitaniemiitti, Na(Ca,Mn)Al(PO₄)(F,OH)₃) tai  Seinäjoen  (seinäjokiitti, (Fe,Ni)(Sb,As)₂) mukaan. Tässä suhteessa on muistettava, että nimestä ei voida aina päätellä löytöpaikkaa.  Berliniitti, alumiinifosfaatti AlPO₄, on nimetty ruotsalaisen Lundin yliopiston farmakologian (’lääkeaineopin’)  professori Nils Johan Berlinin (1812–1891) kunniaksi, ei Saksan pääkaupungin mukaan. Vastaavasti fosfaattimineraali bergeniitti on nimetty Hampurin eteläpuolella sijaitsevan  Bergenin alueen mukaan, ei Norjan toiseksi suurimman kaupungin mukaan.  Ilmajokiitti on nimetty Kuolanniemimaalla olevan joen Ilmajok mukaan, ei Etelä-pohjanmaalla olevan Ilmajoen kunnan mukaan.

Nimeäminen voidaan tehdä myös mineraalin kemiallisen koostumuksen tai jonkin fysikaalisen ominaisuuden kuten väri, kiilto tai lohkosuunnat (esim. ortoklaasi = suoraan lohkeava) mukaan. Suomalaissyntyinen kuuluisa mineralogi, myös tutkimusmatkailijana tunnettu A.E. Nordenskiöld nimesi Tukholmassa löytämiään uusia mineraaleja mm. niiden ominaisuuksien mukaan. Esimerkkeinä tällaisista mineraaleista mainittakoon ganomaliitti (kreikan ganoma = loistava, nimi viittaa mineraaalin loistavaan  kiiltoon), taumasiitti (kreikan = thaumasein = hämmästyttävä, nimi viittaa mineraalin erikoiseen kemialliseen koostumukseen, se kun on yhtäaikaa silikaatti, karbonaatti ja sulfaatti) tai hyalotekiitti (kreikan hyalos= lasi ja tekein = sulaa, nimi viittaa mineraalin helppoon sulamiseen kirkkaaksi lasiksi).

Uusi mineraali voidaan nimetä sen  löytäjän, jonkin tiedemiehen, yleensä geologin tai mineralogin, kunniaksi mutta ei diktaattorin tai poliitikon – ei ole olemassa esimerkiksi staliniittia tai hitleriittiä –  kekkoneniitista puhumattakaan. Muutama poikkeus taitaa kuitenkin olla,  yksi viimeisimpiä on nyerereriitti, harvinainen karbonaattimineraali, joka löydettiin 1963 tansanialaisen Oldoinyo Lengai –tulivuoren karbonatiittilaavasta.  Julius Nyerere (1922–1999) oli paitsi poliitikko ja Tansanian presidentti myös ”kansakunnan isä”.  Muitakin poikkeuksia on. Yksi tällainen on willemiitti Zn₂SiO₄, joka on nimetty Alankomaiden kuninkaan William I:n (1772-1843) kunniaksi. Vielä löytyy rivadaviitti, joka on nimetty Argentiinan ensimm.  presidentin Bernardino Rivadavian (1780-1845) ja rooseveltiitti BiAsO₄, joka on nimetty Yhdysvaltojen presidentti Franklin Rooseveltin (1882-1945) kunniaksi.

Hauskana yksityiskohtana mainittakoon wyllieiitti, fosfattimineraali, joka on ristitty yhdysvaltal. geologian prof. Peter Wyllien (s. 1930) mukaan ja samankaltainen fosfaatti, rosemaryiitti, joka on ristitty prof. Wyllien vaimon Rosemaryn (s. 1930) mukaan.

Monesti on minulta  kysytty väyryneniitistä. Se on nimetty v. 1947 Teknillisen korkeakoulun geologian professorin Heikki Väyrysen (1888–1956) mukaan, nimellä ei ole mitään tekemistä presidenttiehdokas Paavo Väyrysen kanssa.

Jo antiikin ajan jalokivinimet kuten timantti, berylli, korundi, rubiini, safiiri, topaasi jne. tulevat yleensä muinaisista Intian niemimaan kielistä tai kreikasta. On myös mahdollista, että kääntäjät, jotka eivät ole olleet erityisemmin perillä mineralogiasta, ovat tehneet käännösvirheitä ja näin muuttaneet  nimien merkitystä.

Teksti: Martti Lehtinen. Kuvat: Kivimuseon arkisto.

---

Kirjallisuutta

Blackburn, W.H.  & Dennen, W.H. (1997) Encyclopedia of Mineral Names. The Canadian Mineralogist, Special Publication 1. 360 pp.

Dana (1899) The System of Mineralogy of James Dwight Dana 1837 – 1868.

Descriptive Mineralogy. Sixth Edition by Edward Salisbury Dana. Entirely rewritten and much enlarged, illustrated with over 1400 figures. With Appendix I, Completing the Work to 1899. John Wiley & Sons, New York, 1134 pp. + 75 pp.

de Fourestier, J. (1998) Glossary of Mineral Synonyms. The Canadian Mineralogist, Special Publication 2, 434 pp.

Flink, G. (1899), (1901) On the minerals from Narsarsuk on the Firth of Tunugdliarflik in Southern Greenland.  Meddelelser om GrØnland 24, 9–180.

Hytönen, Kai (1999) Suomen mineraalit. Geologian tutkimuskeskus, Erillisjulkaisu,  399 s.

Kostyleva, E. (1937) Ramsayite. In: A.E. Fersman and E.M. Bohnstedt, (Eds.) Minerals of  the Khibina and Lovozero tundras. Pp. 132–135. Lomonossov Institute of the Academy Sciences of USSR, Moscow.

Kraus, O., & Mussnug, F. (1941) Identität von Lorezenit und Ramsayit.  Naturwissenschaften  29, 182.

Nordenskiöld, A.E. (1863) Beskrifning öfver de i Finland funna Mineralier.  Andra, omarbetade upplagan.  Finska Litteratur-sällskapets tryckeri, Helsingfors,  P.Th. Tolpes förlag. 177 s. + Register.

Pekov, I.V., Chukanov, N.V., Boldyreva, M.M., Dubinchuk, V.T. (2006) Wilhelmramsayite, Cu₃FeS₃•2H₂O, a new mineral from Khibiny Massif, Kola Peninsula. Proceedings of the Russian Mineralogical Society, 135(1), 38–48.

Sahama Th.G. (1947) Analysis of ramsayite and lorenzenite. American Mineralogist  32, 59–63.

Miksi alkoholijuomat säilyvät sitä paremmin, mitä väkevämpiä ne ovat? Viini hapettuu avatussa pullossa muutamassa päivässä, mutta esimerkiksi votka säilyy hyvin. Molemmissa on kuitenkin samanlaisia etanolimolekyylejä, joiden hapetustuote on etikkahappo.

Väkevät juomat säilyvät alkoholin suhteen laimeampia paremmin, koska elävät organismit eivät elä yli 20-tilavuusprosenttisissa alkoholijuomissa. Viini on siis tavallaan elävä tuote, jossa hiivat, homeet ja bakteerit voivat elää ja tuhota juomaa hapettumisen ynnä muun kautta. Juuri tästä syystä laimeisiin juomiin täytyy lisätä säilöntäaineita, kuten sulfiitteja.

Alkoholin hapettuminen on huomattavasti hitaampaa korkeissa alkoholipitoisuuksissa, mutta toki niissäkin tapahtuu hapettumista. Ratkaisevaa on se, kuinka juomaa säilytetään. Optimisäilytystila on pimeä ja viileä.

Myös pullon tyyppi vaikuttaa säilymiseen. Juomat säilyvät hyvin lasipullossa, mutta yleisesti ottaen muut säilytyspakkaukset, kuten PET-pullot, laskevat happea ja muita molekyylejä lävitseen, jolloin tuote muuttuu nopeammin.

Pekka Lehtonen, laboratorionjohtaja
Alkoholintarkastuslaboratorio, Alko

Metanolin palaessa syntyy hiilidioksidia ja vettä. Happi ja hiilidioksidi ovat kaasuja, mutta mikä olomuoto tulee reaktioyhtälöön metanolille ja vedelle? Nehän ovat huoneenlämmössä nesteitä mutta palamislämpötilassa kaasuja.

Reaktioyhtälön lähtöaineet ja tuotteet ilmoittavat reaktion alku- ja lopputilan ottamatta kantaa siihen, miten näiden tilojen välillä kuljetaan. Jos siis poltetaan nestemäistä metanolia, on luonnollista merkitä reaktioyhtälöön lähtöaineeksi CH₃OH (l), vaikka metanoli höyrystyykin ennen palamistaan. Merkintää voi käyttää yhtä hyvin polttokennolle, joka kuluttaa nestemäistä metanolia mutta jossa metanoli reagoi katalyytin pinnalle kiinnittyneenä.

Sellainen metanolin palamisen reaktioyhtälö, jossa lähtöaineena on CH₃OH (l):n asemesta CH₃OH (g), kuvaa eri tapahtumaa. Tällaisessa prosessissa metanoli on jo valmiiksi kaasuna. Höyrystymiseen on kulunut energiaa, joten reaktiossa syntyvä lämpö on pienempi.

Veden olomuodon valitseminen on ongelmallisempaa. Kun metanoli palaa avoimessa astiassa, lämpötila on yli 100 celsiusastetta ja vesi on kaasumaista, joten tuotteeksi merkitään H₂O (g). Jos metanoli sen sijaan palaa vesihöyryllä kyllästyneessä kammiossa, vesi ei voi jäädä kaasutilaan vaan se tiivistyy, eli tuote on H₂O (l).

Jos reaktion yksityiskohdista ei ole tietoa, lähtöaineet ja tuotteet ilmoitetaan usein siinä olomuodossa, jossa ne ovat 25 °C:n lämpötilassa ja 1 baarin paineessa. Tällöin metanolin palamisen reaktioyhtälö on:

2 CH₃OH (l) + 3 O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 4 H₂O (l)

 

Koulussa opetetaan, että elektronit pyrkivät asettumaan ytimen ympärille mahdollisimman vähäiseen energiatilaan, ja että 4s-kuorella on pienempi energiataso kuin 3d-kuorella. Taulukkokirjan mukaan kromiatomilla alkaa kuitenkin täyttyä 3d-kuori, ennen kuin 4s on täynnä (sen rakenne on siis 3d5 4s1). Miksi näin?

Olet oppinut aivan oikein energiaminimin perussäännön joka pätee niin kemiallisiin reaktioihin kuin elektronien asettumiseen orbitaaleille. Toisin sanoen tila, jossa orbitaalit ovat täynnä, tuovat atomille vähäisen energian tilan. Vähäisen energian tilan tuovat myös puoliksi täydet orbitaalit, eli kaikissa orbitaalin ”kopeissa” on yksi elektroni saman suuntaisin spinnein.

Kromikaan ei tee tässä poikkeusta, vaikka ensisilmäyksellä voisi luulla toisin. Teoriassa kromin uloimpien orbitaalien järjestys pitäisi olla 3d4 4s2. Kuitenkin d-orbitaalin puoliksi täyttynyt tila on ainoastaan yhden elektronin päässä. Puoliksi täydessä tilassa se pääsisi vieläkin pienempään energiaan kuin tämä teoreettinen järjestys toisi. Siksi 4s-orbitaalilta hyppää yksi elektroni 3d-orbitaalille. Kromin puoliksi täyttyneet uloimmat orbitaalit on esitetty kuvassa.

Ennen kromia olevassa vanadiinissa tätä ilmiötä ei tapahdu. Puoliksi täyttynyt tila on kahden elektronin päässä, jota vanadiini ei voi saavuttaa elektroneja siirtämällä. Vanadiini pysyy Hundin säännön mukaisesti tilassa 3d3 4s2.

Hankin vuosi sitten yritykseeni jätevedenpuhdistamon, joka käyttää ferrosulfaattia. Pystynkö valmistamaan tätä liuosta itse, koska vettähän se pääasiassa on? Mikä on liuoksessa veden ja ferrosulfaatin suhde?

Ferrosulfaatti on yleisesti käytetty kemikaali, jolla poistetaan rehevöittäjänä tunnettua fosfaattia jätevesistä. Kaupallisesti myytävä ferrosulfaatti on kidevedellinen rautasulfaatti. Sen kemiallinen kaava on FeSO₄ · 7 H₂O.

Ferrosulfaatissa rauta on kahdenarvoisena. Jotta kahdenarvoinen rauta tulisi toimintakykyiseksi, sen täytyy hapettua ilman ja veden hapen avulla kolmenarvoiseksi. Joskus tätä hapettumista nopeutetaan kloorin avulla [1].

Ferrosulfaatin liukeneminen:

FeSO₄ · 7 H₂O → Fe²⁺ + SO₄²⁻ + 7 H₂O

Raudan hapettuminen kahdenarvoisesta kolmenarvoiseksi hapen avulla happamissa olosuhteissa:

Fe²⁺ + O₂ + 4 H⁺ → Fe³⁺ + 2 H₂O

Fosfaatille aktiivinen kolmenarvoinen rauta reagoi fosfaatin kanssa, jolloin syntyy rautafosfaattia:

Fe³⁺ + PO₄³⁻ → FePO₄

Puhdistamolle tulevan jäteveden fosforipitoisuus on tavallisesti 6–10 mg/l [1]. Rautafosfaatin saostuminen saadaan mahdollisimman täydelliseksi lisäämällä rautaa ylimäärin noin 1,5–2-kertaisesti teorettiseen fosfaattimäärään verrattuna. Käytännössä se tarkoittaa 80–180 g:n ferrosulfaattilisäystä yhteen kuutioon jätevettä [2].

Voit valmistaa liuoksen itse. Prosessisi määrittää, miten ja missä kohdassa lisäys tapahtuu. Riippuen jäteveden virtauksen suuruudesta tai jätevetesi fosfaattipitoisuudesta joudut laskemaan lisäämäsi ferrosulfaatin määrän.

Jos esimerkiksi liettymisaltaissasi on yksi kuutio jätevettä, jonka fosforipitoisuus on 10 mg/l, lisäät 180 g ferrosulfaattia. Jos altaissasi on kaksi kuutiota, lisäät 360 g ferrosulfaattia jne. Ferrosulfaattia ei kuitenkaan suositella lisättävän kiinteänä suoraan altaaseen vaan liuoksena.

Kuutioon jätevettä lisättävän liuoksen valmistat liuottamalla 180 g ferrosulfaattia yhteen litraan vettä. Jos sinulla on kaksi kuutiota jätevettä, liuotat 360 g kahteen litraan vettä jne. Liukenemisen jälkeen voit lisätä liuoksen prosessiin. Liukenemista voi nopeuttaa esimerkiksi lämmittämällä.

Ferrosulfaatin myyjiä voit löytää helposti internetistä hakusanalla ferrosulfaatti.

Lähteet:
[1] Ferrosulfaatin käyttöopas, Kemira 2002
[2] Fosforin poisto, Suomen ympäristökeskus 2007

Voisitteko selittää Daniellin parin toimintaperiaatteen hyvin tarkkaan? Miten reaktio käynnistyy ja miten se etenee?

Englantilainen kemisti ja fyysikko John Frederic Daniell tutki sähkökemiallisia reaktioita ja kehitti 1820-luvulla sinkki-kupariparin, jota kutsutaan Daniellin pariksi.

Sähkökemialliset reaktiot ovat hapetus-pelkistysreaktioita. Kyseisen sähkökemiallisen parin reaktiossa kupari-ioni hapettaa metallisen sinkin pelkistyen itse metalliseksi kupariksi. Hapettumisessa vapautuneet elektronit luovat sähkövirran. Elektronit kulkeutuvat sinkkielektrodilta kuparielektrodille, jossa kupari-ionien pelkistyminen tapahtuu. Elektrodi voi olla metallilevy tai sauva.

Puolireaktioina paria voidaan kuvata seuraavasti:

pelkistyminen: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu

hapettuminen: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻

kokonaisreaktio: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Danielin parissa on käytännössä siis kaksi metallielektrodia, sinkkinen ja kuparinen. Kun Daniellin paria aletaan rakentaa, ne kytketään toisiinsa sähköä johtavalla johtimella. Johtimen väliin voidaan asettaa esimerkiksi jännitemittari mittaamaan jännitettä.

Molemmat elektrodit upotetaan eri astioissa oleviin omiin liuoksiinsa. Kuparielektrodin liuoksena on esimerkiksi kuparisulfaattiliuos ja sinkkielektrodin liuoksena sinkkisulfaattiliuos. Jotta sähköpiiri olisi täydellinen, liuokset yhdistetään suolasillalla. Suolasillan tehtävä on on tasapainottaa liuosten kokonaisvarausta. (Aluksi suolasillasta kulkeutuu kalium- ja kloridi-ioneita molemmille puolille tasaamaan varauseroa. Kun kyseiset ionit alkavat loppua sillasta, elektrolyyttiliuosten ionit alkavat liikkua. Kalium- ja kloridi-ionit kuuluvat siis ensimmäisiin Daniellin parin toiminnan hetkiin.)

Sähkökemiallinen reaktio alkaa heti, kun virtapiiri on yhdistetty täydelliseksi.

 

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.