Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Valosähköisessä ilmiössä metalliin kohdistetaan valoa, ja siitä saadaan irtoamaan delokalisoituneita sidoselektroneja. Hapettuuko metalli? Jos hapettuu, niin mikä pelkistyy?

Valosähköisessä ilmiössä ei tapahdu kemiallista reaktiota, vaan se on kvantti-ilmiö, joka kuvaa valon hiukkasominaisuuksia tämän törmätessä elektroniin. Valon energia sitoutuu törmäyksessä kvantteina elektroneihin. Ilmiön selittämisestä Albert Einstein sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1921.

Metallista irtoaa elektroneja, mutta sitä ei kutsuta kemialliseksi hapettumiseksi. Elektronien pitäisi siirtyä suoraan jollekin toiselle atomille, joka pelkistyisi. Valosähköisessä ilmiössä ei ole siitä kyse.

Miksi timantti on hyvä lämmönjohde?

Lämmön johtuminen on usein sidoksissa elektronien liikkeeseen (johtumiseen) – näin, kuten tunnettua, metalleilla. Toinen lämmönjohtumiseen vaikuttava tekijä on fononit, hilavärähtelyt, joiden avulla lämpö kulkee (lämpöhän on värähtelyä).

Timantin erityisen poikkeavia ominaisuuksia on selitetty seuraavasti:

• Timantti on aina hyvin kiteinen aine. Kiteinen aine johtaa aina paremmin kuin amorfinen.
• Timantin kovalenttinen sitoutuminen on ”puhdasta”, ja tämä täydellinen elektronien jakautuminen samankaltaisten atomien kanssa edesauttaa lämmön johtumista.
• Timantin fononirakenne on edullinen lämmön johtumiselle. Erityisesti matalissa lämpötiloissa fononien kontribuutio lämmön johtumiseen on merkittävä.

Markku Leskelä, professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Jos natriumjodidia sekoittaa vetyperoksidin kanssa, syntyy paljon vaahtoa (”norsun hammastahnaa”). Onko vaahto vaarallista?

Norsun hammastahna on yksi hauskimmista laboratoriotöistä. Vaahdon aiheuttaa saippualiuoksessa hajoava vetyperoksidi. Vetyperoksidi hajoaa happikaasuksi ja vedeksi. Vaahdon kuplat ovat siis puhdasta happea.

Natriumjodidin tehtävä on kiihdyttää hajoamista eli toimia katalyyttinä. Saippua taas alentaa veden pintajännitystä, jotta kaasut jäisivät kuplina vaahtoon.

Vaahdon vaarallisin aine on vetyperoksidi, joka on hapettavaa ainetta. Sitä käytetään esimerkiksi hiusten valkaisuun. Sillä ei kuitenkaan kannata lähteä hampaita valkaisemaan

Miten ylikylläistä natriumasetaattiliuosta sisältävä pakkaus toimii?

Lämpöpakkaukset ovat monikäyttöisiä ja toimivat näppärästi uudelleenlämmityksen jälkeen. Niiden toiminta perustuu ylikylläiseen natriumasetaattiliuokseen. Joissain pusseissa on sisällä myös pieni metallilevy. Kun pussia puristellaan, natriumasetaattia alkaa kiteytyä nopeasti metallilevyn pinnalla. Natriumasetaatin kiteytyminen on eksoterminen reaktio, eli se tuottaa lämpöä.

Reaktio on nopea sen vuoksi, että ylikylläinen natriumasetaattiliuos on hyvin epävakaa. Metallilevy tarjoaa kiteytymispisteen, jossa runsas kiteytyminen alkaa. Kun pussia käytön jälkeen lämmitetään, natriumasetaatti liukenee ja muuttuu jäähdyttyään jälleen käyttövalmiiksi. Ylikylläinen liuos syntyy liuoksen jäähtyessä

Ylikylläisen liuoksen sukulainen on alijäähtynyt vesi. Alijäähtyneenä satava vesi on alle 0-asteista, mutta se ei ole kiteytynyt, koska siltä on puuttunut kiteytymispisteitä, kuten pölyhiukkasia.

Kasvirasvoista, jotka ovat nestemäisiä (lukuun ottamatta epäterveellistä kookosrasvaa), joudutaan tuhoamaan kaksoissidokset vedyttämällä, jotta saadaan kiinteää rasvaa. Hydrauksessa katalyyttinä toimii kuitenkin karsinogeeninen aine. Selvitin katalyytin olevan aktivoitua nikkeliä. Vaikuttaisi siltä, että kasvismargariinit ja sokerialkoholit, kuten ksylitoli ja sorbitoli, ovat kaikki karsinogeenisiä. Ovatko nyt siis myös ksylitolipurukumit ja hammastahna (sisältää myös muita hydrattuja aineita) karsinogeenisiä? Ainakin niissä on jäämiä nikkelistä.

Kasvirasvat tosiaan kovetetaan hydraamalla katalyytin avulla. Katalyytit toimivat ainoastaan reaktion kiihdyttäjinä, eivätkä ne itse kulu tai sitoudu lopputuotteisiin. Reaktio tapahtuu katalyytin pinnalla.

Kasvirasvojen kovettamisessa hydrataan hiiliketjun kaksois- ja kolmoissidoksia. Kun kaikki kaksois- ja kolmoissidokset ovat hydrautuneet, rasvasta tulee tyydyttynyt. Puoliksi tyydyttyneillä rasvoilla on se ongelma, että synteettisessä hydrauksessa reaktion luonnollinen stereokemia häiriintyy ja syntyy niin sanottuja trans-rasvoja. Niillä on todettu olevan yhteyksiä sydän- ja verisuonitauteihin.

Hydrauksessa yleisimpiä katalyyttejä ovat mainitsemasi nikkeli (Raney-nikkeli), palladium ja platina. Erään uuden tutkimuksen mukaan platinalla saataisiin tehokkaampia tuloksia verrattuna nikkeliin. Platinan ongelma on sen kalleus: se on noin kaksi kertaa kalliimpaa kuin kulta.

Kovat kasvirasvat sekä sorbitoli ja ksylitoli valmistetaan hydraamalla. Ksylitoli voidaan valmistaa ksyloosista myös hiivojen avulla. Luonnollisesti ksyloosia käyttävän Pichia stipitis -hiivan geenejä on siirretty Suomessa VTT:n tutkimuksessa leivinhiivaan ksylitolin tuotantoa ajatellen.

Hydrausprosessin jälkeen tuotteet aina puhdistetaan. Siksi niistä löytyy tuskin lainkaan katalyyttinä käytettyä nikkeliä. Trans-rasvojen terveyshaitoista on sen sijaan näyttöä.

Miksi 30-massaprosenttista etanolia jäähdytettäessä seoksen lämpötila kohoaa noin −20 °C:n kohdalla ja laskee sen jälkeen uudelleen (jäätymispiste vaihtelee eri lähteissä −15 ja −17,5 asteen välillä)?

Etanolin vesiliuoksen jäätymispisteestä ja tiheydestä voidaan päätellä alkoholipitoisuus luotettavasti. Jos liuoksessa on mukana muita aineita, kuten suoloja, nekin vaikuttavat alentavasti jäätymyspisteeseen tiettyyn suolapitoisuuteen saakka.

Jäähdytettäessä liuosta lämpötilan pitäisi laskea tasaisesti. Ainoastaan mahdolliset kemialliset reaktiot tai eristyksen tai jäähdyttäjän pettäminen voivat suurentaa lämpötilaa jäähdytyksen aikana. Jos kyse on puhtaasta etanolin ja veden seoksesta, reaktioita ei synny. Tällöin on todennäköistä, että syy on jäähdytyksen pysähdyksessä tai eristyksen pettämisessä.

Jos etanoliseos oli nesteenä vielä −20 °C:ssa, liuos on ollut vahvempaa kuin 30 tilavuusprosenttia. Liuoksen, jonka pitoisuus on 40 %, jäätymispiste on noin −23 °C.

Mistä johtuu alumiinin passivoituminen vahvassa typpihapossa? Eikö pinnalle syntyvä alumiinioksidi, joka on amfoteerinen oksidi, voisi aivan hyvin reagoida hapettavankin hapon kanssa? Mitään ei kuitenkaan tapahdu. Miksi?

Typpihappo on hapettava happo, siksi pinnan hapettuminen ei ole ihme. Alumiinioksidin pitäisi liueta happoihin, ja näin tapahtuukin. Alumiini siis liukenee typpihappoon, mutta hitaasti.

Pinnan passivoituessa syntyy oksidi-hydroksidipeitto, joka ei ole vain yhtä faasia. Mekanismia synnylle ei tarkkaan tunneta. Tämä hieman epämääräinen pinta liukenee sitten hitaasti, ja uutta oksidia syntyy. Alumiinin liukeneminen vetykloridihappoon (pH < 2) on muuten yhtä hidasta kuin typpihappoon liukeneminen.

Markku Leskelä, professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Miten kahvista saadaan kofeiinitonta? Kofeiini on vesiliukoista, joten onnistuuko poisto vedellä, pakastekuivauksella? Onko se mahdollista kotikonstein?

Kofeiinin poistamiseen käytetään eri menetelmiä. Niistä on kirjoitettu kymmenisen patenttia.

Yksinkertaisin tapa on aktiivihiilikäsittely. Papuja liotetaan ensin vedessä, jolloin kofeiini ja muut kahvin sisältämät aineet siirtyvät liuokseen. Sitten pavut poistetaan ja lisätään aktiivihiili. Aktiivihiileen tarttuu kofeiinin lisäksi myös makuaineita. Aktiivihiili suodatetaan pois ja liuos haihdutetaan pieneen tilavuuteen.

Teollisuudessa yleisesti käytetty tapa on hiilidioksidiuutto. Hiilidioksidi on ylikriittisessä tilassa, eli paine ja lämpötila ovat yli hiilidioksidin kriittisen pisteen (7 MPa, 31 °C).

Kofeiini voidaan myös uuttaa orgaanisilla liuottimilla, kuten etyyliasetaatilla. Se on vähemmän myrkyllinen yhdiste verrattuna aiemmin käytettyihin aromaattisiin ja halogenoituihin hiilivetyihin.

Mikä ero on protolyysireaktiolla ja neutralointireaktiolla? Milloin happo ja emäs reagoivat protolyysireaktiolla ja milloin neutralointireaktiolla? Onko veden (tai muiden amfolyyttien) ja hapon tai emäksen välinen reaktio aina protolyysireaktio eikä neutralointireaktio?

Protolyysireaktiolla ja neutralointireaktiolla on pieni vivahde-ero, mutta käytännössä ne ovat melkeinpä synonyymeja. Kun molekyyli luovuttaa toiselle molekyylille protonin, kyseessä on protolyysireaktio.

Neutralointireaktiossa happo luovuttaa emäkselle protonin. Se on siis myös protolyysireaktio.

Vesi voi toimia sekä happona että emäksenä, eli se voi olla joko heikko happo tai heikko emäs. Veden protolyysissä syntyy joko hapan oksoniumioni tai emäksinen hydroksidi-ioni. Tällaista protolyysiä ei voi kutsua neutraloinniksi, koska siinä heikosta emäksestä syntyy vahva happo tai heikosta haposta syntyy vahva emäs.

Ilmassa on happea noin 21 %. Voidaanko hapen määrä mitata luotettavasti polttamalla kynttilää suljetussa astiassa, jonne vesi pääsee nousemaan kuluneen hapen tilalle? Eikö samalla synny hiilidioksidia ja vesihöyryä? Liukeneeko hiilidioksidi veteen niin nopeasti, ettei sen määrää tarvitse huomioida mittauksessa?

Kynttilän palaessa syntyy pääasiassa hiilidioksidia ja vettä. Vesi tiivistyy astian reunoille, mutta hiilidioksidi jää kaasumuotoon, koska se ei liukene kovin hyvin veteen. Polton aikana itse asiassa veden pinta lämpenee, mikä vapauttaa nesteestä hiilidioksidia. Kuluvan hapen tilavuutta ei siten voi tällä koejärjestelyllä määrittää. Veden pinnan nousun selittää se, että astian sisällä oleva ilma tiivistyy jäähtyessään.

Hapen määrää ilmassa voi mitata erityisillä mitta-antureilla. Vaihtoehtoisesti voisi yrittää järjestää koe metallin palamiselle. Palamisessa on kuitenkin kaasujen laajeneminen ongelmallinen virhelähde.