Onko liukeneminen kemiallinen reaktio? Esimerkiksi NaCl:n veteen liukeneminen? Olomuoto muuttuu ja ionien väliset sidokset purkautuvat.
Kyllä, natriumkloridin liukeneminen veteen on kemiallinen reaktio. Natrium- ja kloridi-ionien väliset sidokset aukeavat ja ionit liukenevat veteen.
Olomuodonmuutoksella tarkoitetaan tavallisesti sulamisen tai kiehumisen tapaista, fysikaaliseksi muutokseksi kutsuttavaa ilmiötä.
Valmistan temperamaalausta varten puulle lefkaspohjustuksen. Ensin valmistetaan jänisliimaseos (65 g jänisliimarakeita/gelatiinia ja 1 l vettä). Mitä tapahtuu, kun seos liuotetaan (lämmitetyssä vesihauteessa)? Mikä on jänisliiman tai gelatiinin kemiallinen kaava? Mikä reaktio tapahtuu, kun tähän jänisliimaan sekoitetaan liitujauhoa (CaCO 3) kylläisen seoksen saamiseksi? Valmistus käy käytännössä siten, että vesihauteessa sekoitetaan liitujauhoa jänisliimaan niin kauan, ettei liitujauhoa enää sekoitu. Mikä rooli on käytettävällä Zn-jauheella (n. 1 ruokalusikallinen)? Millainen reaktio tapahtuu (vesi haihtuu yms.), kun tätä saatua lefkasta sivellään puupohjalle, jolloin saadaan temperamaalaukselle ja mahdolliselle kultaukselle sopiva pohja?
Gelatiini koostuu pääosin kollageenista, sillä valmistus tapahtuu eläinten nahoista ja luista uuttamalla. Kyse on siis lähinnä seoksesta, eikä ihan täsmällistä rakennekaavaa gelatiinille voi kirjoittaa.
Gelatiini keitetään vain paremman liukoisuuden saamiseksi: proteiinivyyhdit saadaan kuumassa vedessä paremmin auki kuin kylmässä. CaCO3 paitsi toimii täyteaineena myös tekee liuoksen hieman emäksiseksi, jolloin proteiiniketjujen happoryhmät neutraloituvat ja liukoisuus paranee entisestään. CaCO3:sta liukenee jonkin verran kalsiumioneja veteen, jotka muodostavat ionisiltoja proteiinissa. Varsinainen proteiinin silloittaja on sinkkijauhe (todennäköisesti ZnO), josta liukenevat sinkki-ionit muodostavat lisää ionisiltoja. Nämä ionisillat (proteiineissa jopa jonkinasteiset vyyhdit) parantavat lopputuotteen vedenkestoa, sillä mitä silloittuneempi proteiini on, sitä vaikeampi sitä on uudelleen saada liukenemaan veteen (tai jopa liuottimiin).
Kun vesi haihtuu pois tuotteesta, tämä muodostunut proteiiniverkko tiivistyy ja proteiiniketjut pakkaantuvat toisiaan vasten sekä muodostavat mahdollisesti lisää vyyhtejä. Voisin kuvitella, että näin tehdyllä tuotteella on verraten hyvä vedenkesto, mutta sen saa liukenemaan kuumaan veteen ja esimerkiksi vahvasti emäksisiin liuoksiin (kummallakin tavalla avataan proteiiniverkkoa eli mennään tavallaan valmistusprosessia taaksepäin). Proteiineilla on luonnostaan hyvä tartunta erilaisiin materiaaleihin, joten tartunta puuhun on varmasti hyvä.
Loputtomasti vedenkestoa ei pysty esimerkiksi sinkkioksidilla parantamaan, sillä jos proteiinia yritetään verkkouttaa liikaa keiton yhteydessä, se geeliytyy (syntyy liian tiheä verkko).
Miten lasketaan, kuinka monta molekyyliä on 3,48 grammassa asetonia?
Asetonimolekyylissä (C3H6O) on kolme hiiliatomia, kuusi vetyatomia ja yksi happiatomi. Hiilen moolimassa on 12,01 g/mol, vedyn 1,008 g/mol ja hapen 16,00 g/mol. Asetonin moolimassa on siten
(3 · 12,01 + 6 · 1,008 + 16,00) g/mol = 58,08 g/mol.
Yksi mooli (1 mol) molekyylejä tarkoittaa 6,022 · 1023 :a molekyyliä. Määrän ilmaisee Avogadron vakio (6,022 · 1023 mol −1). Asetonin moolimassa 58,09 g/mol tarkoittaa siis, että 6,022 · 1023 kappaletta asetonimolekyylejä painaa 58,09 g. Tästä massasta 3,48 g on 5,99 %.
Asetonimolekyylien lukumääräksi saadaan:
0,0599 · 6,022 · 1023 = 3,61 · 1022
eli ilman potenssimerkintää ilmaistuna 36 100 000 000 000 000 000 000.
Tehtävä voidaan ratkaista lyhyesti sijoittamalla lukumäärän kaavaan N = nNA ainemäärän kaava n = m/M. Kaavoissa N on lukumäärä, n ainemäärä, NA Avogadron vakio, m massa ja M moolimassa.
Miten paljon kalsiumhydroksidia (poltettua kalkkia) liukenee veteen 20 °C:ssa? Osallistuuko ainoastaan liuennut kalsiumhydroksidi reaktioon, kun saostetaan kalsiumfluoridia jätevedestä (fluorivetyhappoa ja vettä) kalkkimaidolla (kalsiumhydroksidi + vesi)?
Kalsiumhydroksidi Ca(OH)2 on niukkaliukoinen suola, eli se hajoaa veteen liuetessaan vain osittain kalsium- ja hydroksidi-ioneiksi. Liukenemista kuvaavien liukoisuustulojen arvot on yleisesti kirjallisuudessa annettu 25 °C:ssa, joka on lähellä kysymääsi 20 °C:a. [Ca2+] ja [OH−] tarkoittavat kalsiumin ja hydroksidin konsentraatioita liuoksessa.
Kalsiumhydroksidin liukoisuustulo on MAOL-taulukoiden mukaan
[Ca2+][OH−] 2 = 5,0 · 10−6 (mol/l)3 .
Kun yhtälön avulla ratkaistaan ratkaistaan Ca(OH)2:n liukoisuus, saadaan arvoksi 0,01077 mol/l eli grammoiksi muutettuna 0,798 g/l. Kalsiumhydroksidia liukenee veteen siis noin 800 milligrammaa litraa kohden.
Kalsiumfluoridi CaF2 on noin 10 000 kertaa niukkaliukoisempi kuin kalsiumhydroksidi. Lisättäessä fluoridi-ioneja liuenneet kalsiumionit alkavat saostua kalsiumfluoridiksi. Se vaikuttaa liuoksen tasapainoon siten, että kalsiumhydroksidia alkaa liueta samalla, kun kalsiumfluoridia saostuu. Ainoastaan kalsium-ioni reagoi fluoridin kanssa. Hydroksidi-ioni vaikuttaa kalsiumin saostumiseen fluoridina vain mutkan kautta.
On sanottu, että maidon homogenoinnin yhteydessä rasvapallot pilkkoutuvat niin pieniksi, että ne pääsevät imeytymään verenkiertoon. Kun maito homogenoidaan, pilkkoutuvatko myös maidon valkuaisaineet yhtä pieniksi hiukkasiksi ja imeytyvät verenkiertoon?
Maito homogenoidaan lähinnä sen vuoksi, ettei siinä olisi ikäviä rasvapaakkuja, jotka saattaisivat häiritä makukokemusta.
Mahan sappineste ajaa tehokkaammin saman asian kuin homogenointi eli muuttaa rasvan vielä pienemmiksi pisaroiksi. Ruoansulatuskanavan lipaasi-entsyymit hajottavat rasvat vielä pienemmiksi osasiksi, rasvahapoiksi ja glyseroliksi. Rasvahapot imeytyvät lopulta ohutsuolen nukkalisäkkeiden kautta elimistöön.
Maidon proteiinien joutuessa mahalaukkuun pepsiini-niminen entsyymi hajottaa proteiinit pieniksi aminohapoiksi, jotka imeytyvät nukkalisäkkeiden kautta verenkiertoon.
Työtoverini lämmitti mikrossa lasillisen vettä. Kun hän lisäsi kuumaan veteen teräksisellä lusikalla hunajaa, vesi roiskahti kasvoille kuin geysir. Miksi näin tapahtui?
Vaikka vesi lämmitettäisiin kiehumispisteeseen tai ylikin, se ei kuitenkaan välttämättä vielä kiehu. Tämä johtuu siitä, että kiehuminen alkaa niin sanotuista tiivistymiskeskuksista, joina voi toimia esimerkiksi naarmu astian reunassa tai jokin vedessä olevan epäpuhtaus. Kun tiivistymiskeskuksia ei ole, vesi voi lämmetä monta astetta yli kiehumispisteensä.
Ilmiö tapahtuu kotioloissa lähinnä mikroaaltouunissa, jossa vesi lämpenee tasaisesti joka puolelta. Lisäksi astian pitää yleensä olla sileähkö ja puhdas.
Kun ylikuumentuneeseen veteen sitten lisätään vaikkapa sokeria, teepussi tai lusikka, niin tiivistymiskeskuksia onkin yhtäkkiä tarjolla ja vesi kiehuu silmänräpäyksessä synnyttäen suuria höyrykuplia. Purkaus voi olla niin raju, että pahaa-aavistamaton vedenkeittelijä saa koko kupillisen kuumaa vettä päälleen.
Ilkka Hendolin
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto
Meille on opetettu: ”Ensin vesi, sitten happo, muuten tulee sormeen rakko.” Jos nimittäin vettä lisättäisiin vahvaan happoliuokseen, vesi alkaisi kiivaassa reaktiossa kiehua ja happoa saattaisi roiskua. Päteekö sama emäksiin? Kun laimennetaan vahvaa emäsliuosta, pitääkö ennen emäksen annostelemista lisätä mittapulloon vettä pohjalle?
Sama sääntö pätee myös vahvoihin emäksiin. Jos esimerkiksi kiinteästä natriumhydroksidista valmistetaan liuos, on ensin laitettava astiaan vettä ja sen jälkeen emästä pienissä erissä. Natriumhydroksidin liukeneminen veteen tuottaa runsaasti lämpöä, joten vesi saattaa alkaa kiehua kuten happoa lisättäessä.
Seppo Lindroos
Kemian laitos, Helsingin yliopisto
Onko ksylitolin IUPAC-nimi 1,2,3,4,5-pentahydroksipentaani?
Ehdottamasi nimi on muuten oikea, mutta nimessä on otettava huomioon, miten ksylitolin alkoholiryhmät suuntautuvat toisiinsa nähden molekyylissä. Tämä kerrotaan käyttämällä niin sanotun Cahn–Ingold–Prelog-järjestelmän mukaisia stereokemiallisia etuliitteitä R ja S. Ksylitolin koko nimi kuuluukin (2R,3r,4S)-pentaani-1,2,3,4,5-pentaoli. Numerot viittaavat ksylitolin hiiliatomeihin, ja kolmannen hiilen merkintä r pienellä alkukirjaimella viittaa siihen, että molekyyli on tämän hiilen suhteen symmetrinen.
Käytännössä kukaan ei käytä ksylitolista IUPAC-nimeä, eikä sitä missään tarvitakaan, koska kemistit viestivät toisilleen piirtämällä yhdisteen rakenteen. Jos rakennetta ei voida piirtää, käytetään tunnetuille yhdisteille usein aineen CAS-numeroa, jonka antaa amerikkalainen Chemical Abstracts Service. Kemikaalien kaupassa CAS-numero on tavallisin tapa varmistaa, että puhutaan oikeasta aineesta.
Tietokoneohjelmien käyttöön on kehitetty erilaisia molekyylirakenteen kuvauskieliä, kuten SMILES ja InChi. SMILES-merkkijonona ksylitolin rakenne on OC[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO, ja InChi-merkkijonona se on 1S/C5H12O5/c6-1-3(8)5(10)4(9)2-7/h3-10H,1-2H2/t3-,4+,5+. Merkkijonoja ei tarvitse tehdä itse, sillä erilaiset kemian piirto-ohjelmat muodostavat yhdisteelle kuin yhdisteelle SMILES– tai InChi-merkkijonon.
Piirto-ohjelmat osaavat nykyään myös nimetä yhdisteet! Paljastankin tässä kemistien ammattisalaisuuden: nämäkin nimet ja merkkijonot tein nopeasti piirtämällä ksylitolin rakenteen ChemDraw-ohjelmalla, minkä jälkeen ohjelma osasi itse nimetä yhdisteen ja tuottaa SMILES– ja InChi-merkkijonot.
Petri Pihko, orgaanisen kemian professori
Kemian laitos, Jyväskylän yliopisto
Developing IBSE – New Issues -tiedekonferenssin kolmantena päivänä pohdittiin tiedeopetuksen ja työelämän tulevaisuutta, esiteltiin malleja koulu-yritys-yhteistyöhön ja pohdittiin, minkälaista tiedeopetusta yritykset, opiskelijoiden tulevat työnantajat, kaipaavat.
Kolmepäiväisen Developing IBSE – New Issues -konferenssin puheenvuoroissa toistui huoli lasten ja nuorten asenteista matemaattis-luonnontieteellisiä aineita ja niiden opiskelua kohtaan. Jotain on tapahduttava, jotta tarpeeksi nuoria saataisiin koulutettua alalle. Kyse on tulevaisuuden kilpailukyvyn säilyttämisestä.
Samaan aikaan myös työelämä muuttuu ja matemaattis-luonnontieteelliset ja tekniset alat nojaavat yhä enemmän rutiininomaisten työtehtävien sijaan innovointiin ja projektiluontoisuuteen.
Työelämän tarpeista Developing IBSE – New Issues -konferenssissa oli puhumassa Marita Aho (kuvassa yllä) Elinkeinoelämän keskusliitosta (EK). EK:n Oivallus-projektissa on kartoitettu osaamistarpeita tulevaisuuden Suomessa.
Yritykset muuttuvat yhä innovaatiovetoisemmiksi ja pyrkivät tekemään tuotteita, joita muut eivät tee tai osaa tehdä, Aho kertoi ja vertasi tulevaisuuden työelämää elokuvantekoon. Tietty projekti, jolla on suunnitelma ja päämäärä toteutetaan tietyllä tiimillä ja sitten siirrytään toiseen, erilaiseen projektiin.
Se vaatii, että työnteko ajatellaan uudelleen ja käytetään luovuutta uusien, tieteen alojen rajat ylittävien toimintatapojen etsimiseen. Siinä vaaditaan verkostoitumistaitoja.
Työelämän uudet vaatimukset vaativat uusia tuulia myös opetukseen. Ahon mukaan muutos vaatii sitä, että koulu antaa valmiudet oppia oppimaan toisella tavalla, johon kuuluvat oppiaineiden välinen yhteistyö sekä opitun luova soveltaminen.
Rutiininomaisen työn muuttuessa Euroopassa yhä enemmän asiantuntijatyöksi, on arvioitu, että 35 % Euroopan työpaikoista tulee vaatimaan korkeakoulututkinnon. Tällä hetkellä Euroopan työikäisistä 26 %:lla on korkeakoulututkinto.
Jo nyt yksi viidestä nuoresta Euroopassa on työtä vailla. Menetämme kokonaisia sukupolvia, ellei koulutukseen ja sen tärkeyden korostamiseen panosteta, sanoi tilaisuuden toinen puhuja Ana Maria Costa Freitas (kuvassa yllä) Euroopan komissiosta.
Costa Freitas kertoi, että tiedeopetus koetaan tutkimusten mukaan vaikeaksi ja hyödyttömäksi. Toimenpiteet kiinnostuksen lisäämiseksi ovat toistaiseksi poikineet vain vaatimattomia tuloksia, mutta jotta nuorten kiinnostus ja alan tarjoamat uramahdollisuudet kohtaisivat, tulisi opetuksessa korostaa tieteen merkitystä sekä kehittää opetuksesta palkitsevampaa ja joustavampaa ja ulottaa se myös luokkahuoneen ulkopuolelle.
Costa Freitas esitteli tilaisuudessa Eurooppa 2020 -kasvustrategian tavoitteita, jotka tukevat älykästä, kestävää ja osallistavaa kasvua Euroopassa. Konkreettisina tavoitteina on listattu opintonsa keskeyttäneiden osuuden laskeminen 10 prosenttiin nykyisestä 15 prosentista ja korkeakoulututkinnon suorittaneiden määrän lisääminen 30–34-vuotiaiden keskuudessa 40 prosenttiin nykyisestä 31 prosentista vuoteen 2020 mennessä.
Teksti: Elisa Lautala. Kuvat: Sakari Tolppanen.
Developing IBS – New Issues –tiedeopetuskonferenssin toisena päivänä esiin nousivat teemat, kuten oppilasarviointi sekä tasa-arvo ja tyttöjen osallistuminen tiedeopetuksessa.
Oma isäni kannusti minua tieteen pariin, kertoi tunisialainen naisprofessori Faouzia Farida Charfi Developing IBSE – New Issues -konferenssin luennollaan. Nykyisin fysiikan professorina toimiva Charfi oli mukana perustamassa maan ensimmäistä fysiikan laboratoriota vuonna 1975.
Vaikka Tunisiassa naisten asemaa on edistetty jo vuosisata ja systemaattisemmin 1950-luvulta saakka, on kyseessä arabimaa, jossa tasa-arvon toteutumisen tiellä on monia haasteita.
Koulutuksen saralla tyttöjen ja naisten asemaan on kuitenkin panostettu voimakkaasti ja se näkyy. Vuoden 1991 koulutusreformi teki koulunkäynnistä ilmaista ja pakollista kaikille 16 ikävuoteen saakka ja aivan kuten Suomessa, valtaosa kouluista on julkisia.
Tyttöjen osuus perusopetuksessa on 48 % ja kasvaa toiselle asteelle mentäessä jo 68 %:in ja korkeakouluopinnoissa 62 %:in. Syynä tähän on Charfin mukaan se, että tytöt suoriutuvat opinnoissa poikia paremmin.
Tieteellis-tekniset alat eivät kuitenkaan houkuttele tyttöjä, vaan he hakeutuvat useammin huonosti työllistäville humanistisille aloille. Osin alavalinnan takia, osin johtuen yleisestä haluttomuudesta palkata naisia, työttömyys on vakava ongelma kouluttautuneiden naisten joukossa – joka kolmas kouluttautunut on Tunisiassa työttömänä ja heidän joukostaan 2/3 on naisia.
Naisten asema ja työmahdollisuudet saattavat kuitenkin tulevaisuudessa parantua, Charfi kertoo. Viime vuosikymmenien aikana erityisesti matemaattis-luonnontieteellisten alojen opintojen suosio on noussut tyttöjen keskuudessaan ja valtaosa esimerkiksi lääke- ja biotieteelliseen koulutukseen valmistavien toisen asteen opintojen suorittajista on tyttöjä. Tekniikan alan suosio tyttöjen keskuudessa kuitenkin vielä vaatimatonta.
Tulevaisuuden haasteena on parantaa tiedeopetuksen laatua opetuksen kaikilla tasoilla. Erityisenä haasteena on perusopetus, jonka tulee korostaa tieteen tärkeyttä ja lisätä sen kiinnostavuutta esimerkiksi kokeellisuuden ja tutkimuksellisuuden kautta. Tässä Charfin mukaan tarvitaan yhteistyötä muiden maiden kanssa.
Developing IBSE: New Issues jatkuu Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella vielä huomenna 1.6. Katso lisätiedot »
Teksti: Elisa Lautala.