Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Kun pikaliimaan sekoittaa ruokasoodaa, syntyy todella nopeasti kova liimaus. Miksi seos kovettuu pikaliimaa nopeammin ja kovemmaksi? Kuinka hyvin tällainen liimaus mahtaa kestää vettä?

On vaikea antaa tyhjentävää vastausta tietämättä, mitä materiaalia on liimattu, mitä pikaliimaa on käytetty ja kuinka paljon liimaan on sekoitettu ruokasoodaa. Jos pikaliima on syanoakrylaattiliimaa, reaktiota saattavat muuttaa nopeammaksi ja eksotermisemmaksi esimerkiksi alkoholit, emäkset ja kosteus. Ruokasooda on emäksistä, ja se sisältää paljon kosteutta. Vedenkesto heikkenee ainakin teoriassa, jos syanoakrylaattiliimaan lisää vesiliukoista ruokasoodaa. Lisättävällä soodamäärällä on varmasti paljon merkitystä.

Juha Vaani
Tuoteneuvonta, Kiilto Oy

Meidän piti lukiossa tehdä etanolista essee. Kirjoitin: ”Etanoli eli etyylialkoholi on herkästi syttyvä, väritön, biohajoava, myrkytön primäärinen alkoholi.” Nähdessään sanan ”myrkytön” opettaja sanoi: ”Hirveä virhe! Etanoli on tappavan myrkyllinen.” Onko asia todella noin? Mielestäni aineen myrkyllisyys riippuu paljon siitä, millaisesta määrästä on kyse. Jos etanoli on myrkyllistä vain sen takia, että sitä liikaa nauttiessaan voi kuolla, silloin kaurapuurokin on myrkyllistä. Jos puuroa nimittäin syö liikaa, voi kuolla mahan repeämiseen.

Kemikaalien (kemiallisten aineiden, kuten etanoli) luokitus perustuu kemikaalin sisäisiin ominaisuuksiin. Kemikaalilain 11 §:n mukaisesti terveydelle vaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka elimistöön joutuessaan voi aiheuttaa kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi jo vähäisenä määränä haittaa ihmisen terveydelle.

Ympäristölle vaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka ympäristöön joutuessaan voi aiheuttaa jo vähäisenä määränä haittaa elolliselle luonnolle. Palo- ja räjähdysvaarallisella kemikaalilla tarkoitetaan kemikaalia, joka fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi voi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen. Tarkemmat perusteet näille ”vaarallisuuksille” löytyvät sosiaali- ja terveysministeriön (STM) asetuksesta kemikaalien luokitusperusteista ja merkintöjen tekemisestä (807/2001, liite 1).

Kemikaalilainsäädännön mukaisissa niin sanotuissa aineluetteloissa (CLP-asetuksen EY N:o 1272/2008 liitteen VI osa 3) annetaan tietyille vaarallisille aineille EU-tasolla yhdenmukaistetut eli harmonisoidut luokitukset ja merkinnät. Se tarkoittaa, että aineluettelossa olevan aineen vaaraominaisuudet on selvitetty ja että luokitusta on noudatettava.

Aineluettelon mukaan etanoli eli etyylialkoholi luokitellaan väistyvän lainsäädännön (STM:n asetus 807/2001) mukaan helposti syttyväksi. CLP-asetuksen mukainen luokitus on ”syttyvä neste, kategoria 2”. Etanolia ei ole luokiteltu terveydelle tai ympäristölle vaaralliseksi. Aineiden luokituskriteerit esimerkiksi välittömän myrkyllisyyden osalta esitellään Tukesin neuvontapalvelun sivuilla väistyvän luokituksen ja CLP-asetuksen mukaan.

Kemikaalin varoitusetiketissä tai pakkauksessa ei saa käyttää sellaisia ilmauksia kuin ”myrkytön”, ”vaaraton”, ”ympäristöystävällinen”, ”ekologinen” tai muita lausekkeita, jotka antavat ymmärtää, että aine tai seos ei ole vaarallinen (CLP-asetus, artikla 25: 4.).

Kirsi Myöhänen, ylitarkastaja
Teollisuus- ja kuluttajakemikaalit, Turvallisuus- ja kemikaalivirasto (Tukes)

Miten elektolyysissä selitetään sähkövirran kulku elektrolyyttiliuoksessa? Johtimessa sähkövirta on elektronien kulkua anodilta katodille. Elektrolyyttiliuoksessa kationit kulkeutuvat katodille ja anionit anodille. Jos kationit ja anionit kulkevat eri suuntiin, ei muodostu ionien jonoa tiettyyn suuntaan. Onko sähkövirta liuoksessa siis vain satunnaista ionien liikettä?

Sähkövirta ei ole satunnaista ionien liikettä, vaan kationit liikkuvat kohti katodia ja anionit kohti anodia, siis vastakkaisiin suuntiin, sähkökentän ajamina. Sähkövirta I on

I = F Σ(z _i J _i ),

jossa z_i on ionin varausluku ja J_i ionin vuo (mol/s); F on Faradyn vakio. Koska J_i on vektorisuure, anionien ja kationien vuon etumerkit ovat vastakkaiset. Tulo z_i J_i on siten aina positiivinen, ja anionien ja kationien vuot summautuvat yhteen virran suuruudessa.

Systeemin varaustasapaino, elektroneutraalisuus, säilyy elektrodireaktioiden kautta. Esimerkiksi Suomelle tärkeässä metallien elektrolyysissä metallikationit ottavat vastaan katodilla elektroneja eli pelkistyvät metalliksi, kun taas anodilla yleinen reaktio on hapen kehitys, jossa elektroneja syntyy. Sinkin tapauksessa puolireaktiot ovat:

katodi: Zn ²⁺ + 2 e ⁻ → Zn
anodi: 2 H ₂ O → 4 H ⁺ + 4 e ⁻ + O ₂

Liuokseen syntyy siis kaksi protonia kutakin pelkistynyttä sinkkikationia kohti, ja liuos pysyy elektroneutraalina. Elektronit kiertävät ulkoisen virtapiirin kautta.

Elektrodireaktioiden merkitystä ei voi liikaa korostaa, koska ne määräävät, mikä on kennon jännite ja siten tehontarve elektrolyysissä. Hapen kehitys vaatii melko suuren jännitteen, joten jos jännitettä voitaisiin pienentää, elektrolyysin energiakustannukset alenisivat huomattavasti.

Lasse Murtomäki
Kemian laitos, Aalto-yliopisto

Milloin pH voi olla välin 0–14 ulkopuolella?

Jos H₃O⁺ tai OH⁻ -ionien konsentraatiot ovat korkeintaan 1 M:n suuruisia, pH-asteikko 0–14 on riittävä. Hyvin happamissa tai emäksisissä liuoksissa tämä konsentraatio voi ylittyä, jolloin pH-asteikko laajenee. Esimerkiksi [H₃O⁺] = 10 M vastaa pH-arvoa −1 ja [OH⁻] = 10 M vastaa pH-arvoa 15. On siis täysin mahdollista valmistaa niin happamia liuoksia, että pH on negatiivinen, tai niin emäksisiä liuoksia, että pH ylittää arvon 14.

Liuoksen pH on yhteydessä veden ionituloon. Veden ionitulo puhtaassa vedessä 25 °C:ssa on K_w = [H₃O⁺ ][OH⁻ ] = 1 · 10⁻¹⁴, eli pK_w = −lg[H₃O⁺ ] + (−lg[OH⁻ ]) = pH + pOH = 14. Ionitulo riippuu lämpötilasta: 25 °C:ssa pK_w = 14 mutta 0 °C:ssa pK_w = 14,94. Jos siis [OH⁻] = 1 M, niin pH on 14 lämpötilassa 25 °C, mutta 14,94 lämpötilassa 0 °C. Lämpötilan ohella pK_w-arvoon vaikuttavat liuoksessa mahdollisesti läsnä oleva taustaelektrolyytti ja liuoksen ionivahvuus.

Käytännössä pH-mittarien ja -elektrodien valmistajat ilmoittavat laitteidensa käyttöalueeksi laajimmillaan pH-alueen 0–14. Käyttöalueen äärirajoillakin hyvin happamissa tai emäksisissä liuoksissa esiintyy pientä vääristymää. Vaikka pH-mittari voi näyttää laitteen käyttöalueen ylittäviä lukemia, alueen ulkopuolella tehdyt mittaukset ovat hyvin epätarkkoja.

Helena Hyvönen
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Fenyylialaniini on elimistölle välttämätön aminohappo, eli sitä pitää saada ravinnosta. On kuitenkin olemassa fenyyliketonuriaksi kutsuttu sairaus, jossa elimistö ei pysty käsittelemään fenyylialaniinia (siihen liittyviä varoituksia on aspartaamia sisältävissä tuotteissa). Eikö fenyylialaniini olekaan välttämätön aminohappo? Miten fenyyliketonuriaa sairastavat ihmiset saavat tarvitsemansa aminohapot?

Fenyylialaniinia tarvitaan proteiinien synteesissä. Fenyylialaniini on ihmiselle välttämätön aminohappo, koska ihmiselimistö ei sitä pysty tekemään. Se on proteiinisynteesin takia välttämätön myös potilaille, joilla on fenyyliketonuria (PKU).

Fenyyliketonuriaa sairastavilla synnynnäinen entsyymivika estää fenyylialaniinin normaalin metaboloitumisen kehossa. Siksi fenyylialaniinia kertyy heidän kudoksiinsa, mikä aiheuttaa muun muassa aivojen kehityksen häiriön.

Toisaalta PKU-potilaat tarvitsevat fenyylialaniinia, sillä he syntetisoivat proteiineja aivan kuten muutkin ihmiset. Heidän hoitonsa on siten tasapainoilua, jossa ruuasta ja mahdollisista ravintolisistä on saatava fenyylialaniinia tarpeeksi muttei liikaa.

Fenyylialaniinia tulee pääosin ruuan proteiineista, mutta sitä voi syntyä elimistössä muistakin aineista, kuten aspartaamista. Ravitsemusterapeutit ja lääkärit suunnittelevat potilaille sellaiset ruokavaliot, että fenyylialaniinin määrät pysyvät sopivina.

Risto Lapatto
Kliininen laitos, Helsingin yliopisto

Eräässä tehtävässä pitää laskea liukenemislämpö, kun 3,88 g ammoniumnitraattia liuotetaan 60,0 millilitraan vettä. Alku- ja loppulämpötilat T₁ ja T₂ tiedetään ja liukenemislämpö q lasketaan kaavalla q = cm(T₂ − T₁). Lämpökapasiteetiksi c voidaan varmaan valita veden ominaislämpökapasiteetti, mutta tulisiko massan m olla veden massa 60,0 g vai liuoksen kokonaismassa 63,88 g?

Kaava c_pmΔT on likiarvo, kun lämpökapasiteetti vakiopaineessa c_p otetaan puhtaan veden mukaan. Massa m on kokonaismassa, koska koko massa kokee lämpötilan muutoksen.

Markku Lampinen, professori
Energiatekniikan laitos, Aalto-yliopisto

Miksi juuri Mentos-pastilli saa kolajuoman kuohumaan? Tuleeko kevytkolajuomalla parempi kolageysir kuin tavallisella kolajuomalla?

Kolajuoman kuohumista edistävät muun muassa lämmittäminen, sekoittaminen ja sopivat aineet. Tunnettu temppu on pudottaa kolaan Mentos-pastilleja. Kuohumista syntyy myös esimerkiksi sokeripaloilla, mutta Mentos-pastillit ovat pyöreitä ja sokeripaloja raskaampia, joten ne saa nopeasti pullon pohjalle.

Mintunmakuisissa Mentoksissa yhdistyy monta kolageysirin muodostumista edistävää asiaa: sopivan koon ja painon lisäksi pastilleilla on hieman rosoinen pinta. Sokerittomissa Mentoksissa on sileä pinta, minkä vuoksi ne eivät toimi yhtä hyvin.

Pastillin pinnan koloset toimivat ydintymiskeskuksina, joissa juomaan liuennut hiilidioksidi kerääntyy kaasukupliksi. Kaasu vaatii paljon tilaa, joten pullossa tulee nopeasti ahdasta ja juoma purkautuu reippaasti jopa parin metrin korkeuteen.

Sokeriton kola kuohuu sokerillista paremmin, koska sillä on makeutusaineen vuoksi pienempi pintajännitys ja kuplia muodostuu siten helpommin. Sokeriton juoma ei myöskään houkuta kesällä paikalle yhtä paljon ampiaisia ja kärpäsiä!

Jaana Saarni
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Miten koivun mahlaa voidaan tutkia laboratoriossa, jotta saadaan selville pitoisuudet ja makeudet? Miten mahlan laatua voidaan luokitella?

Mahlan sokerit ja (hedelmä)hapot voidaan tutkia esimerkiksi kaasukromatografi-massaspektrometrilla (GC-MS) haihtuvina trimetyylisilyyli (TMS) -johdoksina. Myös HPLC-kromatografia-analyysi on mahdollinen. Hivenaineet voidaan tutkia atomiabsorptiospektrometrilla (AAS) tai massaspektrometrilla (ICP-MS).

Vapaat aminohapot voidaan tutkia millä tahansa aminohappoanalysaattorilla tai vaihtoehtoisesti sopivina johdoksina HPLC:llä. C-vitamiini voidaan määrittää tavanomaisilla HPLC-menetelmillä, mutta määritys onnistuu kokeneelta tutkijalta myös kaasukromatografilla TMS-johdoksena. Mahlassa on vähän entsyymiproteiinejakin, mutta niiden tutkimiseen pitää olla hyvät laitteet.

Liukoinen kuiva-aine määritetään yleisesti Brix-asteina taitekerrointa mittaavalla refraktometrilla. Lukema on hieman suurempi kuin sokeripitoisuus prosentteina, koska laite mittaa myös vähäisessä määrin esiintyviä liukoisia molekyylejä, kuten hedelmähappoja. Suomalaisen mahlan lukemat ovat tyypillisesti 0,5–1,0 Brix-astetta. Sokeripitoisuuteen vaikuttavat kasvupaikka, koivulaji ja ajankohta.

Mahlan valumakauden jälkimmäisellä puoliskolla sekä sokerien (glukoosin ja fruktoosin) että hedelmähappojen (erityisesti omenahapon) pitoisuudet saavuttavat maksiminsa. Tällöin mahla on raikkaimman makuista ja sokerien määrä suhteessa happoihin on pienimmillään. Juuri ennen mahlakauden päättymistä hapot häviävät, sokeripitoisuus pienenee ja vapaiden aminohappojen määrä kasvaa. Mahlan laatu heikkenee ja kausi on ohi.

Mahlan pahimmat viholliset ovat metsän ja keruuastioiden mikrobisto sekä holtiton mahlankerääjä. Hiivat, homeet ja bakteerit rakastavat koivunmahlaa.

Heikki Kallio, professori
Biokemian ja elintarvikekemian laitos, Turun yliopisto

Jos pitää piirtää kaava tertiääriselle pentanolille, onko oikea yhdiste 2-metyyli-2-butanoli? Ymmärrän kyllä, että kyseinen alkoholi on tertiäärinen, mutta miksi sitä kutsuttaisiin pentanoliksi. Sama ongelma lienee, miksi 2-metyyli-2-propanoli on tertiäärinen butanoli.

Molemmat nimeämistavat ovat oikeita, vaikka ne tuntuvatkin keskenään ristiriitaisilta. Triviaalinimeen lasketaan siis hiiliatomien kokonaismäärä, kun taas IUPAC:n käytännön mukaiseen nimeen vaikuttaa pisimmän ketjun hiiliatomien määrä. Kuitenkin esimerkiksi fenyyliryhmä ilmoitetaan erikseen ja esteri-, eetteri- tai amidiryhmä katkaisee nimeen kuuluvan hiiliatomien lukumäärän laskemisen.

Myös iso-liitteen kanssa käytetään samanlaista nimeämistapaa: esimerkiksi isobutaani on toiselta nimeltään 2-metyylipropaani.

Kemistille nimitysten ”tertiäärinen” ja ”iso-” käyttö tuo heti yleiskäsityksen yhdisteen rakenteesta ja luo oletuksia yhdisteen ominaisuuksista. Vasta tarkka nimeäminen kertoo koko totuuden.

Sulatin suklaata vesihauteessa, ja kipon pohjalle oli jäänyt pieni tilkka vettä. Suklaa ei sulanutkaan normaaliin tapaan vaan muuttui jauheiseksi köntiksi. Mitä ihmettä tapahtui suklaan ja veden välillä?

Ilmiön syy liittyy emulgointiaineena käytetyn lesitiinin toimintaan. Suklaassa sokeri hienonnetaan niin hienoksi, että 1 grammalla sokeria on pinta-alaa noin 4–6 neliömetriä. Suklaan valmistuksessa raaka-aineita sekoitetaan erittäin kauan maun ja rakenteen ominaisuuksien kehittämiseksi halutuiksi.

Yksi tällainen ominaisuus on suklaan viskositeetti. Kaikkien sokerihiukkasten tulee olla ohuen rasvakalvon (kaakaovoin) peittämiä, jolloin suklaamassan liikuessa kiintoainepartikkelin väliin jää rasvakalvo. Tällöin viskositeeti eli juoksevuus on alhainen.

Lesitiinin tehtävä on estää vesimolekyyliä rikkomasta rasvakalvoa. Sokeripartikkelien välinen kitka on erittäin suuri. Kyse on siis siitä, että vettä on ollut enemmän kuin lesitiini pystyy sitä sitomaan. Tuloksena on silloin paksu suklaapuuro.

Enzo Contursi
Kuluttajapalvelu, Cloetta Fazer Makeiset Oy