Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

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.