Vihreän kemian 12 pääperiaatetta:

Transkriptio

1 Kemian opettajankoulutusyksikkö Helsingin yliopisto Vihreä laboratorio Opettajan ohje Topias Ikävalko, Oona Kiviluoto, Iines Kuosmanen ja Toni Silvennoinen Vihreä laboratorio KOHDERYHMÄ: Työ soveltuu lukion kursseille Ke2, Ke3, Ke4 ja reaktiotyyppien kertaukseen. KESTO: Työ kestää noin 60 min. MOTIVAATIO: Olet kemistinä vihreän kemian yrityksessä. Pomosi vaatii, että sinun on noudatettava vihreän kemian periaatteita suorittaessasi reaktioita. Mitä käytännön hyötyä yrityksille on reaktioiden suunnittelusta? Miksi tarvitsemme vihreää kemiaa? TAVOITE: Työn tavoitteena on pohtia, miten yhdistää vihreän kemian periaatteet käytännön laboratoriotyöskentelyyn. Lisäksi työn tavoitteena on oppia argumentoimaan kemiaa vihreän kemian 12 periaatteeseen nojaten, kirjoittamaan reaktioyhtälöitä ja luokittelemaan reaktiota reaktiotyyppeihin. VINKKEJÄ: Työ koostuu ennakkotehtävästä ja kokeellisesta työstä. Ennakkotehtävä voidaan antaa kotitehtäväksi tai suorittaa tunnilla ennen kokeellista osiota. AVAINSANAT: Vihreä kemia Reaktiotyypit Argumentaatiotaidot Reaktiotyyppien tutkimus on helposti kouluissa suoritettava tutkimus lukiolaisille. Tehtävä koostuu kahdesta osasta, joista ensimmäinen on vihreän kemian periaatteisiin perehtyvä ennakkotehtävä, joka voidaan suorittaa myös kotitehtävänä. Toisessa osiossa opiskelijat perehtyvät yksin, pareittain tai pienissä ryhmissä neljään eri reaktiotyyppiin, joista heidän pitää valita jokaisesta reaktiomallista turvallisempi ja ympäristöystävällisempi vaihtoehto kahdesta eri reaktiosta. Valittu reaktio toteutetaan ja valinta perustellaan argumentoimalla vihreän kemian periaatteisiin nojaten. Opiskelijat oppivat tehtävässä reaktiotyypit, kuinka tarkkailla reaktioita ja ennustaa lopputuotteet sekä kuinka arvioida kriittisesti kemiallisia reaktioita käyttäen vihreän kemian 12 pääperiaatetta.

2 TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY - Käytä työn aikana suojatakkia, suojalaseja ja suojakäsineitä. - Muista laboratorio- ja työturvallisuus käytettäessä tulitikkuja ja Bunsen-poltinta sekä reagensseja. - Suorita työt vetokaapissa. - Suolahappo, HCl, saattaa ärsyttää silmiä, hengityselimiä ja ihoa. - Kuparisulfaatti, CuSO 4, ärsyttää silmiä ja ihoa. - Jos liuoksia joutuu iholle, huuhtele heti runsaalla vedellä ja saippualla. - Lajittele syntyvät jätteet oikein. TAUSTA Olet saanut kesätyön vihreän kemian laboratoriosta, jossa on hyvin tarkkaavainen ja vihreälle kemialle omistautunut laboratorion johtaja. Valppaana ja ympäristöasioista tietoisena olet huolestunut jätteistä ja niiden vaikutuksista ympäristöön. Pomosi tulee valittamaan sinulle jätteidenkäsittelyn lisämaksuista Reaktioista on saatava vihreämpiä!, huutaa pomosi pää punaisena. Ennen viikonlopun vapauttavaa onnea, sinulla on neljä reaktiota tehtävänä ja näissä jokaisessa on kaksi vaihtoehtoa, miten reaktion voisi toteuttaa. Palautat mieleesi vihreän kemian pääteesit, käärit hihasi ja aloitat pohtimaan vaihtoehtoja. Vain toinen vaihtoehto on vihreämpi, mutta kumpi? Viikonlopun vietto laboratoriossa ei houkuttele. ENNAKKOTEHTÄVÄ Vihreä kemia pyrkii kehittämään mahdollisimman ympäristöystävällisiä kemiallisia yhdisteitä -ja prosesseja. Tutustu vihreän kemian 12:sta periaatteeseen ja selvitä Internettiä ja oppikirjoja avuksi käyttäen vastaukset kysymyksiin Vihreän kemian 12 pääperiaatetta: 1. Jätteen synnyn ehkäisy 2. Atomiekonomia 3. Vaarattomat kemialliset reaktiot 4. Turvallisten kemikaalien suunnittelu 5. Turvallisten liuottimien käyttö ja apuyhdisteiden käytön välttäminen 6. Energian käytön minimoiminen 7. Uudistuvien lähtöaineiden käyttö 8. Tarpeettomien johdosten muodostumisen välttäminen 9. Katalyyttien suosiminen 10. Tuotteiden hajoaminen elinkaaren lopussa 11. Reaaliaikaiset analyysit 12. Onnettomuuksien välttäminen esimerkiksi oikeilla kemikaalivalinnoilla

3 1. Mitä tarkoittaa atomiekonomia? Atomiekonomialla tarkoitetaan reaktion enegriatehokkuutta eli kuinka monta prosenttia lähtöaineen atomeista päätyy tuotteeseen. 2. Mitä ovat katalyytit? Ne nopeuttavat reaktiota kulumatta itse reaktion aikana. Ihmisessä entsyymit ovat katalyytteja, jotka nopeuttavat monia erilaisia aineenvaihdunnan toimintoja ja muita elintoimintoja. Katalyytti laskee reaktion aktivoitumisenergiaa. 3. Mitä tarkoittaa tuotteen elinkaari? Jonkin tietyn tuotteen, esim. t-paidan matka alkaen raaka-aineiden keräämisestä ja tuotteen valmistamisesta näitä raaka-aineita käyttäen, aina tuotteen kierrätykseen/roskiin viemiseen saakka. REAGENSSIT 0,1 M kuparikloridiliuosta (CuCl 2) 0,1 M suolahappoa (HCl) 0,1 M kupari(ii)sulfaattiliusota (CuSO 4) 0,1 M kaliumkarbonaattiliuosta (K₂CO₃) 0,1 M kalsiumkloridiliuosta (CaCl 2) 0,1 M nauriumkarbonaattiliuosta (Na 2CO 3) 5-6 % vetyperoksidia (H 2O 2) Kiinteää magnesiumia kuten magnesiumnauhaa Kiinteää sinkkiä Kiinteää kalsiumkarbonaattia, CaCO 3 Kiinteää kalsiumoksidia, CaO Kiinteää kuparia kuten kuparilankaa Pala raakaa perunaa TARVIKKEET Koeputkia ja koeputkiteline Yksi kuminen korkki yhteen koeputkeen Teräsvillaa Bunsen-poltin ja tulitikut Kolmijalka Metalliverkko tai keraaminen verkko Pihdit ja spaatteli ph-paperia

4 TYÖN SUORITUS Jokaiselle reaktiotyypille A - D on kaksi vaihtoehtoa. Lue työohje ja valitse sen jälkeen, kumpi reaktioista noudattaa paremmin vihreän kemian 12:sta pääperiaatetta. Kirjaa perustelusi taulukkoon. Tunnista reaktiotyypit A - D ja kirjoita valitsemasi reaktion reaktioyhtälö. Suorita valitsemasi reaktio. Reaktiotyyppi A 1. Mittaa 5 ml 0,1 M kuparikloridia, CuCl 2, koeputkeen. 2. Ota pieni pala kiinteää magnesiumia ja puhdista se teräsvillalla. 3. Kuvaile liuoksen ja metallipalan fyysisiä ominaisuuksia taulukkoon. 4. Laita magnesiumpalanen koeputkeen ja kirjaa havainnot taulukkoon. Valmista reaktiotyyppi B valmiiksi, jonka jälkeen palaa havainnoimaan koeputkea A1. 1. Mittaa 5 ml 0,1 M suolahappoa, HCl, koeputkeen. 2. Ota pieni pala kiinteää sinkkiä ja puhdista se teräsvillalla. 3. Kuvaile liuoksen ja metallipalan fyysisiä ominaisuuksia taulukkoon. 4. Laita sinkkipalanen koeputkeen ja kirjaa havainnot taulukkoon. Valmista reaktiotyyppi B valmiiksi, jonka jälkeen palaa havainnoimaan koeputkea A2.

5 Reaktiotyyppi B 1. Mittaa 5ml kupari(ii)sulfaattia, CuSO 4, koeputkeen. 2. Ota 5ml kaliumkarbonaattia, K₂CO₃, koeputkeen. Tutki ja kirjaa ylös sen fyysiset ominaisuudet. 3. Sekoita nämä kaksi liuosta koeputkessa. Tarkkaile ja kirjaa ylös lopputulos. 4. Jätä koeputki koeputkitelineeseen. Suorita reaktiotyyppi C ja palaa sen jälkeen katsomaan koeputkea varmistaaksesi, että kaikki havainnot on tehty. 1. Mittaa 5ml kalsiumkloridia, CaCl 2, koeputkeen ja kirjaa ylös sen fyysiset ominaisuudet. 2. Mittaa 5ml natriumkarbonaattia, Na 2CO 3, koeputkeen ja kirjaa ylös sen fyysiset ominaisuudet. 3. Sekoita nämä kaksi liuosta koeputkessa, tarkkaile ja kirjaa ylös lopputulos. 4. Jätä koeputki koeputkitelineeseen. Suorita reaktiotyyppi C ja palaa sen jälkeen katsomaan koeputkea varmistaaksesi, että kaikki havainnot on tehty.

6 Reaktiotyyppi C 1. Mittaa 15 ml noin 5-6 % vetyperoksidia, H 2O 2, koeputkeen. 2. Upota pieni pala raakaa perunaa koeputkeen ja sulje koeputki välittömästi asettamalla kuminen korkki koeputken päälle kevyesti. Älä paina korkkia sisään. 3. Tarkkaile reaktiota 10 sekunnin ajan ja kirjaa havaintosi taulukkoon. 4. Sytytä tulitikku. Puhalla se kevyesti sammuksiin niin, että tulitikun pää on edelleen hiilloksella. Poista kumikorkki koeputken suulta ja vie hehkuva tulitikku välittömästi koeputken suulle. Kirjaa havaintosi taulukkoon. 1. Ota pihdeillä pieni pala kiinteää kalsiumkarbonaattia, CaCO 3. Tutkija ja kirjaa ylös sen fyysiset ominaisuudet. 2. Kokoa Bunsen-kuumennus välineistö. Aseta kolmijalan päälle keraaminen verkko tai rautalankaverkko ja aseta Bunsen-poltin kolmijalan alle. 3. Aseta pala kalsiumkarbonaattia pihdeillä kokoamasi kuumennuslaitteiston metalliverkon päälle, ei keraamiselle alustalle. Kuumenna kalsiumkarbonaattia metalliverkon lävitse Bunsenin sinisellä liekillä noin 5 minuuttia. 4. Sammuta Bunsen-poltin ja anna kalsiumkarbonaattipalan jäähtyä 2 minuuttia. Tarkastele sen ulkonäköä ja kirjaa havaintosi taulukkoon. Reaktiotyyppi D 1. Ota spaattelin avulla pieni määrä kiinteää kalsiumoksidia, CaO, kahteen koeputkeen. Tutki sen fyysisiä ominaisuuksia ja kirjaa ne taulukkoon. 2. Lisää toiseen koeputkeen 15 ml vettä. 3. Lisää kolmanteen koeputkeen 15 ml vettä. 4. Tutki ph-paperilla jokaisen näytteen ph. (1. kalsiumoksidi, 2. kalsiumoksidi + vesi, 3. vesi) 5. Tutki mitä veden ph:lle tapahtuu, kun se reagoi kalsiumoksidin kanssa ja kirjaa havaintosi taulukkoon. 1. Ota kuparilangan palanen, tutki sen fyysisiä ominaisuuksia ja kirjaa ne taulukkoon. 2. Kuumenna lankaa kaasupolttimen kuumimmassa kohdassa 30 sekunnin ajan. 3. Kun lanka on jäähtynyt raaputa sen pintaa spaattelin avulla. Kirjaa havaintosi taulukkoon.

7 HAVAINNOT Reaktiotyyppi A hapettumis-pelkistymisreaktio Atomimuodossa oleva epäjalompi metalli (Mg) pelkistää ionimuodossa olevan jalomman metalli-ionin (Cu + ) atomiksi: CuCl 2 (aq) + Mg (s) MgCl 2 (aq) + Cu (s) Reaktiossa muodostui magnesiumkloridia (MgCl 2). Yhdiste on luonnon mineraalisuola, jota voidaan valmistaa muun muassa haihduttamalla merivettä. Merivedessä on noin 17% magnesiumkloridia. Epäjalometalli (Zn) hapettuu happoliuoksissa (HCl) vapauttaen vetyä: Zn (s) + 2 HCl (aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) Reaktiossa muodostui sinkkikloridia (ZnCl 2 ), joka on hygroskooppinen suola. Reaktion lähtöaine vetykloridi ei ole ympäristölle vaarallinen. Oikea reaktio ja perustelut Molemmissa reaktioissa syntyi suolaa, mutta ensimmäisen reaktion lähtöaine kuparikloridi on ympäristölle haitallinen. Reaktiossa 1 syntyy kiinteää jätettä, kun taas reaktiossa 2 syntyy kaasua. Joten reaktio 2 on enemmän vihreämpi reaktio kuin reaktio 1. Reaktiotyyppi B substituutioreaktio Reaktiossa muodostuu kiinteää kuparikarbonaattia, jota käytetään mm. metallitöissä, väriaineissa, lääketieteessä ja hyönteismyrkyissä. CuSO 4 (aq) + K 2CO 3 (aq) CuCO 3 (s) + K 2SO 4 (aq) Reaktiossa muodostuu myös kaliumsulfaattia, joka on lievästi myrkyllistä hengitettynä tai limakalvoille joutuessa. Kaliumsulfaattipöly voi aiheuttaa hengenahdistusta ja nieltynä kaliumsulfaatti aiheuttaa vatsakipuja ja huonovointisuutta. Muodostuu kalsiumkarbonaattia ja tavallista ruokasuolaa. CaCl 2 (aq) + Na 2CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq) Kalsiumkarbonaattia käytetään vatsan liikahappoisuuden hoidossa, eli antasidina ja myös erilaisina lisäravinteina. Tavallista ruokasuolaa käytetään sellaisenaan jokaisessa kotitaloudessa.

8 Oikea reaktio ja perustelut Näistä kahdesta reaktiotyypistä vaihtoehto 2 on vihreämpi vaihtoehto. Kalsiumkarbonaatti ja ruokasuola ovat terveydelle ja luonnolle turvallisempia vaihtoehtoja kuin terveydelle haitallinen kalsiumsulfaatti ja hyönteismyrkyissä sekä maaliteollisuudessa käytettävä kuparikarbonaatti. Reaktiotyyppi C hajoamisreaktio Reaktiossa vetyperoksidi reagoi perunan solussa olevan katalaasi entsyymin kanssa. 2 H 2O 2 (aq) 2 H 2O (l) + O 2 (g) Katalaasi-entsyymiä on monissa soluissa. Sen tehtävänä on hajottaa solulle myrkyllinen vetyperoksidi nopeasti vedeksi ja hapeksi. Reaktiossa perunan tilalla voitaisiin käyttää esimerkiksi tipallista eläimen verta, jolloin veressä oleva katalaasi entsyymi reagoisi voimakkaasti vetyperoksidin kanssa hajottaen vetyperoksidin. Reaktiossa syntyvä happi sytyttää tulitikun uudelleen palamaan. Nestemäinen jäte voidaan hävittää viemäriin kaatamalla. Kiinteä jäte lajitellaan roskiksiin. Kalsiumkarbonaatti hajoaa kuumennettaessa kalsiumoksidiksi. Hiilidioksidia vapautuu kaasuna. Oikea reaktio ja perustelut CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) Reaktiossa 1 syntyvä jäte on helpompi hävittää. Tässä reaktiossa katalaasi entsyymi toimii katalyyttinä reaktiossa. Katalaasientsyymi on erittäin voimakas entsyymi ja jo pieni määrä sitä hajottaa kaiken vetyperoksidin. Näin ollen syntyvä nestemäinen jäte on vettä ja perunan rikkoutuneista soluista vapautuvaa tärkkelystä. Reaktiotyyppi D Muodostumisreaktio Kalsiumoksidin, CaO, ph on emäksinen. Veden ph on neutraali. Muodostuvan liuoksen ph on emäksinen. CaO (s) + H 2O (l) Ca(OH) 2 (aq) Ca 2+ (aq) + 2 OH - (aq) Kalsiumoksidi eli kalkki on kiteinen ja huoneenlämmössä kiinteä yhdiste. Kalsiumoksidin liuetessa veteen muodostuu kalsiumhydroksidia. Liukenemisreaktio on eksoterminen.

9 Kuparilankaa poltettaessa kupari reagoi hapen kanssa ja langan päälle muodostuu tumma kuparioksidikerros. Liekin väri muuttuu myös kuparista vihreäksi. Oikea reaktio ja perustelut 2 Cu(s) +O 2 (g) 2 CuO (s) Vaihtoehto kaksi on kemikaalien kannalta vihreämpi vaihtoehto. Kupari on kiinteänä turvallinen aine toisin kuin kalsiumoksidi, joka on ärsyttävä ja sen käsittely voi aiheuttaa terveydelle haitallisia vaikutuksia. Kirjoita tekemäsi reaktioiden tasapainoyhtälöt: A Zn (s) + 2 HCl (aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) B CaCl 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + 2NaCl (aq) C 2 H 2O 2 (aq) 2 H 2O (l) + O 2 (g) D 2 Cu(s) +O 2 (g) 2 CuO (s)