Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Voiko kotikonstein mitata pajujen salisylaattipitoisuuksia?

Kysymyksestä ei käynyt ilmi kysyjän mielessä ollut salisylaattien käyttötarkoitus, mutta oletettavasti kiinnostuksen kohteena on rohdoskäyttö. Tieteelliset tutkimukset ovat osoittaneet salisylaattipitoisten kasvirohdosten olevan tehokkaita monenlaisten oireiden ja sairauksien hoitoon. Rohdosvalmisteiden saaminen markkinoille kuitenkin edellyttää pitkäaikaista tutkimusta ja tuotekehitystä. Koska kohderyhmä on kapea ja kasvipohjaisten rohdosvalmisteiden markkinat ovat pienet, ala kehittyy harmillisen hitaasti. Toivottavasti tämä vastaus tuo kuitenkin jotakin apua tiedontarpeeseen:

Pajun salisylaattipitoisuuden mittaamiseen ei ole olemassa luotettavaa kotikonstia, vaan luotettava määritys voidaan tehdä ainoastaan laboratoriossa. Pajun kuoressa ja lehdissä olevat salisylaatit voidaan esim. uuttaa hienonnetusta näytteestä metanoliin ja tutkia sitten salisylaattien pitoisuudet uutteesta nestekromatografilla. Salisylaattiyhdisteet hajoavat helposti näytteen käsittelyssä. Useimmat työvaiheet on siksi tehtävä nopeasti ja vakioiduissa olosuhteissa. Tämän vuoksi kotikäyttöön tarkoitetun pikatestin kehittäminen on haasteellista.

Pajun käyttö rohdoksena on osattu jo kauan. Vanhimmat tiedossa olevat dokumentit pajun lääkekäytöstä ovat 4000 vuoden takaa – assyrialaiset kuvasivat tuolloin pajurohdosten valmistamisen savitauluissaan, jotka ovat säilyneet tähän päivään. Vanha ohje pajurohdosten valmistamisesta kuvataan myös egyptiläisen lääketieteen historian helmessä, papyrukselle kirjoitetussa Ebersin käärössä, joka on peräisin 1500-luvulta (eaa). Suomalaisessa kansanlääketieteessä pajun käyttöä on kuvannut mm. Lönnrot.

Aistinvarainen havainnointi lienee pitkään ollut ainoa keino valita sopivimmat kasvit ja kasvinosat rohdosten valmistamista varten. Pajun ja muiden salisylaatteja sisältävien kasvien tiedetään olevan karvaan makuisia. Pajunkuorta pureskellessa makuaistimet kuitenkin kohtaavat useita muitakin vahvoja elämyksiä. Pajujen sisältämät tanniinit ja parkkiaineet saavat monen maistajan makunystyrät kipristelemään. Harjaantunut maistaja voisi todennäköisesti kuitenkin erottaan salisylaattien karvauden lehtiä pureskellessaan.

Nykytiede on osoittanut, että salisylaattiyhdisteiden pitoisuudet vaihtelevat pajulajeittain. Salisylaattiprofiilia voidaan käyttää kemotaksonomisena luokitteluperusteena pajujen tutkimisessa. Kotikäyttöön kerättävien pajurohdosten valinnan perusteeksi voisi siis riittää lajintunnistus. Mustuvapajun (Salix myrsinifolia) on ajateltu sopivan rohdoskäyttöön, sillä sen kuoren ja lehtien tiedetään sisältävän kohtalaisesti salisylaatteja. Lehdistä on mitattu 2-7 mg/g pitoisuuksia salisiinia ja 50-160 mg/g salikortiinia. Kuoressa näiden salisylaattien pitoisuudet ovat pienemmät. Laji esiintyy koko maassa ja se on Etelä- ja Keski- Suomessa yleinen. Lisäksi se on helppo tunnistaa lehden muodon ja korvakkeiden koon perusteella. Mustuvapajulle ominaista on tumman läiskän syntyminen lehden keskiosaan kuivattaessa.

Koska pajun salisylaattien ja muiden yhdisteiden pitoisuutta ei voida kotikonstein tarkasti määrittää, on sen rohdoskäytössä oltava varovainen. Liiallinen ja pitkäaikainen käyttö voi aiheuttaa terveysriskin. Aspiriiniallergikoille paju ei myöskään sovi. Annostelun pohjana voinee käyttää pitkään kokemukseen perustuvaa tietoa pajurohdosten käytöstä kansan- ja luonnonlääketieteessä.

Lähteitä:

• Heiska, S. (2009). Herbal willow – 4000 years of relief for fever, headache and rheumatic pain. In: Awaad, A., Govil, J., Singh, V. (eds.), Recent Progress in Medicinal Plants. Studium Press. USA. (Uudehko review pajun rohdoskäytöstä ja mahdollisuuksista.)
• Julkunen-Tiitto, R. (1989). Phenolic constituents of Salix: a chemotaxonomic survey of further Finnish species. Phytochemistry 28:2115-2125. (Perustavaa laatua oleva tutkimus suomalaisten pajulajien salisylaattipitoisuuksista.)

Susanne Heiska, projektipäällikkö
Metsäntutkimuslaitos, Savonlinna

Eri lähteitä tutkiessani olen törmännyt omituiseen ilmiöön kaasulakien nimeämisen saralla. Järjestelmällisesti näyttää suomenkielisissä oppikirjoissa olevan Charlesin laki p = kT, jossa k vakio. Kun taas englanninkielisissä julkaisuissa Charlesin laki olisi V = kT, jossa k vakio. Vastaavasti suomenkielisissä oppikirjoissa Gay-Lussacin laki on V = kT, kun taas englanninkielisissä julkaisuissa p = kT. Mistä tämä ero lakien nimeämisessä johtuu? Historia? Käännöskukkanen?

Nk. tilavuuksien lain (V = kT) julkaisi Joseph Louis Gay-Lussac vuonna 1802. Hän käytti Jacques Charlesin julkaisematonta dataa vuodelta 1787. Gay-Lussac itse nimesi lain Charlesin mukaan. Esimerkiksi Suomessa laki tunnetaan yleensä Gay-Lussacin lakina, Saksassa Gay-Lussacin 1. lakina, kun taas Britanniassa yhä melko usein Charlesin lakina.

Nk. painelain (p = kT) periaatteet löysi alunperin Guillaume Amontons, joka vuosina 1700-1702 havaitsi, että vakiotilavuuksisen ja -massaisen kaasun paine on lämpötilariippuvainen. Tätä lakia kutsutaan esimerkiksi Suomessa usein Charlesin laiksi, Saksassa Gay-Lussacin 2. laiksi ja Britanniassa pelkästään Gay-Lussacin laiksi. Yleiset nimet ovat sinänsä harhaanjohtavia, että Gay-Lussac julkaisi alunperin tutkimuksensa (Charlesin datan pohjalta) nimenomaan tilavuuden ja lämpötilan riippuvuudesta, ei paineen ja lämpötilan riippuvuudesta.

Tämä selostus pohjautuu englanninkielisen Wikipedian tietoihin. Eri fyysikot lienevät suosineen eri nimityksiä, jotka ovat sitten heidän kulttuuripiireissään/kielialueillaan vakiintuneet fysiikan kielenkäyttöön.

Miksi kynttilä sammuu puhallettaessa?

Palaminen vaatii palavan materiaalin, happea ja riittävän korkean lämpötilan. Kun kynttilä sytytetään tulitikulla, kynttilän sydämessä oleva vaha, joka voi olla steariinia tai parafiinia, alkaa ensin sulaa ja sitten höyrystyä.

Höyrystynyt vaha leimahtaa tuleen palavan tulitikun ja ympäröivän ilman vaikutuksesta. Tulitikku kasvattaa lämpötilan riittävän korkeaksi leimahdukselle, ja ilmassa on palamisessa tarvittavaa happea. Kynttilän liekin ansiosta vahan höyrystyminen jatkuu ja lämpötila pysyy riittävän korkeana. Lisäksi liekki aiheuttaa nousevan ilmavirtauksen, joka tuo happea ja vie palokaasut pois.

Kun kynttilä sammutetaan puhaltamalla, ainakaan happi ei lopu. Palava materiaalikaan ei lopu, minkä voi todeta helposti viemällä palavan tulitikun juuri sammutetun kynttilän sydämen lähelle. Kynttilä leimahtaa uudelleen palamaan, sillä vahaa höyrystyy vielä vähän aikaa kynttilän sammuttua. Puhallus saa kuitenkin lämpötilan pienenemään niin matalaksi, että kynttilä sammuu.

Seppo Andersson
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Kaliumtiosyanaatin käyttöturvallisuustiedotteessa sanotaan, että aine muodostaa happojen kanssa erittäin myrkyllistä kaasua. Monissa laboratoriotöissä kaliumtiosyanaattiliuosta kuitenkin lisätään happamaan liuokseen. Onko tällaisissa tilanteissa vaarana, että liuoksessa muodostuu esimerkiksi vetysyanidia?

Tiosyanaatti-ioni SCN⁻ voi protonoitua happamassa liuoksessa muodostaen tiosyaanihappoa HSCN, jonka pK_a on −1,8 (happovakion arvo vaihtelee lähteen mukaan). Tiosyanaatti-ioni on siten protonoituneena vahvasti happamissa liuoksissa.

Tiosyaanihappoa on valmistettu happamissa olosuhteissa esimerkiksi käyttäen lähtöaineina KSCN:ää ja HClO₄:ää (Z. Anal. Chem. 1975, 276, 117–120), joten mitään välitöntä myrkyllisyyttä ei ilmeisesti esiinny hapon melko väkevissäkään vesiliuoksissa.

Tiosyaanihapon vesiliuoksen on toisaalta havaittu vapauttavan vähitellen rikkivetyä, joka on tietysti erittäin myrkyllistä. Rikkivety on sitä isompi ongelma, mitä väkevämpi liuos on. Vapautuvan rikkivedyn absoluuttiseen määrään vaikuttavat väkevyyden ohella useat tekijät, kuten liuostilavuudet, liuospinnan ala ja lämpötila. Varminta on suorittaa tiosyanaattityöt vetokaapissa.

Paavo Perämäki, professori
Kemian laitos, Oulun yliopisto

Jos radonkaasua kerättäisiin ja se nesteytettäisiin, voisiko sitä käyttää polttoaineena?

Radonin avulla voisi tuottaa energiaa periaatteessa kahdella tavalla: radioaktiivisessa hajoamisessa tai kemiallisessa reaktiossa. Radonia tuskin pystytään keräämään niin paljon, että saatava kokonaisaktiivisuus olisi mitenkään merkittävä energialähde. Radonin kemiallista hyödyntämistä taas haittaa radonatomien nopea hajoaminen.

Radon on jalokaasu, mutta se on saatu muodostamaan joitakin yhdisteitä. Radon voisi tuottaa energiaa kemiallisesti esimerkiksi siten, että keksittäisiin sopiva suurienergiainen radonyhdiste, jonka hajoaminen synnyttäisi paljon lämpöä. Ilmassa olevan radonin annettaisiin reagoida täksi yhdisteeksi ja yhdiste otettaisiin jotenkin talteen.

Ongelmaksi muodostuisi se, että polttoaineeksi valmistetun yhdisteen radonatomit hajoaisivat koko ajan radioaktiivisesti. Koska radonin vakaimman isotoopin puoliintumisaika on alle neljä päivää, huomattava osa yhdisteestä hajoaisi jo ennen polttoaineeksi käyttöä. Lyhyeen puoliintumisaikaan ovat kariutuneet myös yritykset poistaa radonia huoneilmasta kemiallisesti.

Markku Räsänen, fysikaalisen kemian professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Eräässä tehtävässä piti laskea, mikä on muodostuvan liuoksen pH, kun sekoitetaan yhtä suuret tilavuudet natriumhydroksidiliuoksia, joiden pH:t ovat 11,00 ja 12,00. Kun tehtävän teki laskemalla [H₃O⁺]:ksi uudessa liuoksessa (10⁻¹¹ + 10⁻¹²)/2 mol/dm³, tuli pH:ksi 11,26. Osa opiskelijoista laski tehtävän hydroksidi-ionien avulla. Uudessa liuoksessa [OH⁻] = (0,001 + 0,01)/2 mol/dm³, joten pOH on 2,26 ja pH on 11,74. Miksi tulokset eroavat toisistaan?

Sekoituslaskuissa tulee aina tarkastella, miten kemiallinen tasapaino asettuu uudessa liuoksessa. Laskujen yksinkertaistamiseksi taas on hyvä miettiä, onko jotakin tasapainoreaktioihin osallistuvaa ainetta selvästi muita enemmän. Tässä tehtävässä oksoniumionien määrä on sen verran pieni, että [H₃O⁺]:n laskeminen tasapainossa ei ole niin suoraviivaista kuin voisi helposti ajatella.

Tehtävän seoksessa ainoa happo-emästasapainoreaktio on 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻. Tätä tasapainoa kuvaava veden ionitulo K_w = [H₃O⁺][OH⁻] on 1 · 10⁻¹⁴ mol²/dm⁶ lämpötilassa 25 °C. Sekoitushetkellä [H₃O⁺][OH⁻] ≈ 3 · 10⁻¹⁴ mol²/dm⁶, eli liuos ei ole tasapainossa. Liuos saavuttaa ionitulon 1 · 10⁻¹⁴ mol²/dm⁶, kun osa ioneista neutraloi toisensa.

Koska liuoksessa on hydroksidi-ioneja valtavan paljon enemmän kuin oksoniumioneja, neutraloituminen ei muuta merkittävästi [OH⁻]:ta. Lopullinen [OH⁻] on siis suunnilleen yhtä suuri kuin sekoittamishetken [OH⁻], joten pH:ksi saadaan [OH⁻]:sta helposti 11,74.

Oletetaan nyt tilanteen havainnollistamiseksi, että kumpaakin liuosta on aluksi yksi litra. Tällöin sekoitushetkellä n(H3O+) = 1,1 · 10⁻¹¹ mol ja n(OH⁻) = 0,011 mol. Reaktioyhtälön mukaan kumpaakin ionia neutraloituu yhtä paljon, ja veden ionitulon avulla voidaan laskea, että tämä ainemäärä on noin 7,4 · 10⁻¹² mol.

Tasapainon asetuttua n(H₃O+) = 1,1 · 10^₋₁₁ mol − 7,4 · 10⁻¹² mol = 3,6 · 10⁻¹² mol ja n(OH⁻) = 0,011 mol − 7,4 · 10^₋₁₂ mol ≈ 0,011 mol. Tällöin lopullisessa kahden litran liuoksessa pH = −lg(3,6 · 10⁻¹² / 2) = 11,74 tai toisaalta pH = 14 − pOH = 14 + lg(0,011/2) = 11,74. Liuoksen pH on siis sama niin oksoniumioneilla kuin hydroksidi-ioneillakin laskettuna, mutta tässä tehtävässä [OH⁻] on paljon helpompi selvittää kuin [H₃O⁺].

Teemu Arppe
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Miksi kypsäksi paistettu poronfilee maistuu maksalta? Vai maistuuko?

Riistaliha poikkeaa kasvatetun eläimen lihasta kypsennyksen kannalta ainakin kahdella merkittävällä tavalla: riistan rasvapitoisuus on hyvin pieni ja rautapitoisuus suuri. Pieni rasvapitoisuus merkitsee sitä, että lihaskudosten välissä ei ole lihassyitä eristävää ja lihaa mehevöittävää rasvakerrosta, joka pitää lihassyyt erillään myös kypsässä lihassa. Siksi vähärasvainen liha kypsyy yli ja kuivuu nopeammin kuin rasvainen liha.

Rasvattomassa ylikypsässä lihassa lihassyyt ovat tarttuneet toisiinsa, ja se tuntuu suussa maksamaiselta. Lihan raudan on todettu kiihdyttävän monia rasvojen ja proteiinien reaktioita, jotka pehmentävät lihaksen rakenteita ja aiheuttavat ylikypsän lihan maun.

Maksoittumisongelma esiintyy vain riistan mureissa eli rasvattomimmissa osissa. Se on yleensä merkki liiasta kypsentämisestä, mutta toisinaan myös medium-kypsä liha saattaa maistua maksaiselta. Tällöin lihaan on saattanut jäädä teurastuksessa verta, joka kypsyessään maksoittuu.

Anu Hopia, professori
Funktionaalisten elintarvikkeiden kehittämiskeskus, Turun yliopisto

Tatu Lehtovaara, ruokatuotannon lehtori
Helsingin palvelualojen oppilaitos

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