Mitä kemia on? Kemiaa on kaikkialla. Kemia on kemiallisten yhdisteiden tutkimista.

Transkriptio

1 Mitä kemia on? Kemia on kemiallisten yhdisteiden tutkimista. Kaikki ympärillämme oleva koostuu kemiallisista yhdisteistä: maaperä, meri, taivas, talot, autot, ruoka, vaatteet ja oma elimistö Tutkimalla mistä yhdisteet koostuvat ja miten reagoivat muiden yhdisteiden kanssa kemistit voivat kehittää uusia, hyödyllisiä yhdisteitä. Kemiaa on kaikkialla

2 Kemia Aineiden jako eri ryhmiin Metallit Metallit ovat alkuaineita tai seoksia, joilla on seuraavia ominaisuuksista: - metallikiilto - hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky (vapaita elektroneja) - yleensä hyvä muokattavuus ja sitkeys - useilla metalleilla korkea sulamispiste (lähes kaikki kiinteitä huoneenlämpötilassa) - useimmat reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja ja vapauttaen vetyä - luovuttavat helposti elektroneja muodostaen positiivisia ioneja

3 Puolimetallit Puolimetalleiksi kutsutaan alkuaineita, joilla on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia. Monet niistä ovat samalla puolijohteita. Puolimetalleja ovat boori (B), pii (Si), germanium (Ge), arseeni (As), antimoni (Sb), telluuri (Te) ja polonium Po. Piitä ja muita käytetään sellaisenaan ja seoksina puolijohteissa (mm. transistorit). Ne ovat mahdollistaneet nykyiset tietokoneet. Epämetallit Epämetallit ovat yleensä kaasuja tai kiteytyviä aineita, kuten hiili, typpi, happi, fosfori, rikki, seleeni. Jalokaasut: helium, neon, krypton, argon, ksenon ja radioaktiivinen radon. Halogeenit: fluori, bromi, jodi, astatiini. Epämetalleita esittävässä kuvassa höyryää bromi. Se on huoneenlämmössä tummanruskea raskas neste, josta lähtee ruskeanpunaisia, limakalvoja voimakkaasti ärsyttäviä ja syövyttäviä höyryjä. Se on myös nesteenä iholle haitallinen. Jodia ja bromia käytetään mm lääketeollisuudessa. Orgaaninen kemia Yhdisteet Orgaaninen kemia on hiiliyhdisteiden kemiaa. Orgaaniset aineet sisältävät ainakin sekä hiiltä että vetyä. Esimerkiksi CH4 (metaani) on orgaaninen aine. Maakaasussa 99% metaania. Metaani on hiilivety. Muita hiilivetyjä ovat etaani ja nestekaasusäiliöissä myydyt butaani ja propaani. Orgaaninen kemia on nimensä mukaisesti luonnon kemiaa: esim. kasvien lehtivihreä valmistaa vedestä ja hiilidioksidista auringonvalon avulla sokeria. Ilmiö on yhteyttäminen eli fotosynteesi Vesi = H2O Hiilidioksidi = CO2 H = vety, O = happi, C = hiili Yhteyttämisen kaava = 6 H2O + 6 CO2 = C6H O2 C6H1206 = rypälesokeri (C6H10O5)n = tärkkelys ja selluloosa, joiden pitkät molekyylirakenteet poikkeavat toisistaan. Rypälesokerin kasvit voivat muuttaa tärkkelykseksi (esim. perunajauho) ja selluloosaksi (olki, ruoho. puuaines, paperi). Fotosynteesi on kaiken elämän elinehto maapallolla. Sokeri muuttuu kasveissa mm. tärkkelykseksi (peruna, vilja) ja eläimille kelpaavaksi selluloosaksi (ruoho, olki sekä puuaines). Lisäksi yhteyttämisessä vapautuu kasveista happea ilmakehään. Kuvassa kasvien tarvitsemia ravintoaineita.

4 Puun kemiallinen koostumus Puuaines muodostuu puun lehdissä tapahtuneessa fotosynteesin eli yhteyttämisessä syntyvistä ja maaperästä juurien avulla saaduista aineista. Valtaosa puusta on näin ollen vetyä, happea ja hiiltä, siis samoin kuin raakaöljy ja maakaasu. Selluloosa ja paperiteollisuus Puuaines sisältää % selluloosaa. Puuvillan kuidut ovat lähes puhdasta selluloosaa. Selluloosa erotetaan puuaineksesta keittämällä ja kemikaalien avulla (sooda-, sulfiitti- ja sulfaattimenetelmät). Paperiteollisuudessa selluloosa muodostaa suurimman osan paperimassan kuiva-aineesta eli puumassasta. Paperitehdas

5 Biodiesel ja muita biopolttoaineita Puu tms. kasvikunnan tuote kuten voidaan myös hajottaa molekyyleiksi, ja valmistaa niistä nykyiselle dieselmoottorikannalle sopivaa polttoainetta, biodieseliä. Biodiesel on uusiutuvista luonnon raaka-aineista jalostettu dieselöljyä vastaava polttoaine. Euroopassa yleisin liikenteen biopolttoaine on biodiesel ja maailmassa bioetanoli. Biodieselin raaka-aineet Erilaisia vaihtoehtoja biopolttoaineen raaka-aineiksi ovat esimerkiksi rypsi, rapsi, sinappi, vehnä, maissi, peruna, sokerijuurikas, kookospähkinät, soija ja öljypalmun hedelmät sekä kierrätysöljyt (esimerkiksi ravintoloiden paistorasvat) ja mäntyöljy (em. selluteollisuuden sivutuote). Bioetanolin valmistukseen käytetään perunaa, viljakasveja ja sokerikasveja ja biometanolin (polttokennojen polttoaine) valmistukseen puuta. Porvoon jalostamo, Nestle oil

6 Kuivatislaus Erilaisten aineiden erottamiseen puusta ym. käytetään kuivatislaus eli pyrolyysi jossa orgaanisia kiinteitä aineita hajotetaan kuumentamalla ilman hapen pääsemättä vaikuttamaan prosessiin. Kuivatislaus on voimakkaasti pelkistävä (aineesta happea poistava) reaktio, ja pilkkoo pitkiä molekyyliketjuja (selluloosa, tärkkelys) komponentteihinsa ja erottaa pieniä molekyylejä. Tavallisimmat kuivatislaustuotteet (alitteet) ovat koksi, terva ja sysi. Tisleenä saatuja tuotteita ovat vesi, hiilimonoksidi, erilaiset hiilivedyt, etikkahappo, metanoli, ammoniakki, fenolit ja orgaaniset emäkset. Teollisuuden pyrolyysireaktiot tehdään pääsääntöisesti C:n lämpötilassa. Teollisuudessa kuivatislataan muun muassa puuta, kivi- ja ruskohiiltä, turvetta ja hartsia. Entisaikaan se oli miilunpolttoa ja tervanpolttoa, jossa saatiin lähinnä tervaa, jossa oli kaikki sekaisin. Nykyään aineet erotellaan ja saadaan puutervan ohella etikkahappoa, metanolia, asetonia ja tärpättiä. Kivihiilen kuivatislauksessa saadaan valokaasua, koksia, ammoniakkia, raakaa bentseeniä sekä kivihiilitervaa.

7 Hiilen monimuotoisuus Hiili, orgaanisen kemian perusaine Hiilen neljä muotoa: grafiitti, timantti, nanoputki ja fulleriini Hiili voi esiintyä neljässä erilaisessa (allotrooppisessa) muodossa, mutta ne kaikki ovat pelkkää hiiltä. 1. Grafiitti on hiilen yleisin muoto. Sen kiteet ovat kuusikulmaisen levyn muotoinen. Lyijykynästä niitä irtoaa paperille. Grafiitti on siten liukasta ja kestää kovaa kuumuutta ja sopii siten voiteluaineeksi. Lisäksi se johtaa sähköä ja käytetään sähkömoottorien harjoissa. 2. Timantin kiderakenne on kuutiomainen, mikä tekee siitä kovimman alkuaineen. Keinotekoisesti eli synteettisesti on pystytty tekemään kaksi timanttia kovempaa ainetta. Timantin kiderakenteen yksikkökoppi Timantin kiderakenne, yksikkökoppien liittyminen toisiinsa Raakatimantti kivessä Hiottuja timantteja 3. Nanoputki 4. Fulleriini Nanoputki on vuonna 1991 keksitty hiilen allotrooppinen muoto. Se on painoon suhteutettuna kymmenestä sataan ja kertaa terästä vahvempaa. Fulleriini eli pallohiili on 60 atomista koostuva ontto hiilimolekyyli. Siinä 20 kuusikulmaista 12 viisikulmaista tahkoa kuten jalkapallossa. Sisään voidaan sijoittaa vieras atomi. Siitä voidaan ehkä kehittää ns. kvanttitietokone. Fulleriinia esiintyy mm. noessa. Hiilen monipuolisuus tarjoaa yhä uusia mahdollisuuksia tekniikan ja jopa lääketiteen kehittymiselle.

8 Epäorgaaninen kemia Epäorgaaninen kemia on yksi kemian osa-alueista. "Epäorgaaninen" tarkoittaa elotonta ja "orgaaninen" taas elollista. Orgaaniset aineet sisältävät sekä hiiltä että vetyä. Epäorgaaniset aineet voivat tällöin sisältää jompaa kumpaa. Esimerkiksi CH4 eli metaani on orgaaninen aine, kun taas C02 eli hiilioksidi on epäorgaaninen. Muita kemian osa-alueita ovat muun muassa orgaaninen kemia, analyyttinen kemia, fysikaalinen kemia, biokemia, lääkeainekemia ja radiokemia. Epäorgaanisen kemian tuote, ruokasuola, sisältää kahta alkuainetta, natriumia ja klooria. Kaava on NaCl. Suolakiteessä jokaista natriumionia ympäröi 6 kloori-ionia ja päinvastoin. Varoitus: Runsas suolankäyttö nostaa verenpainetta ja altistaa sepelvaltimotaudille, aivohalvaukselle, sydämen ja munuaisen vajaatoiminnalle ja osteoporoosille. Koska kohonnut verenpaine ei välttämättä oireile, moni sairastaa sitä tietämättään. Ruokasooda, natriumbikarbonaatti (NaHCO3), on valkoista veteen hyvin liukenevaa jauhetta, josta käytetään suomen kielessä myös nimeä natriumvetykarbonaatti. Natriumvetykarbonaatti hajoaa kuumennettaessa natriumkarbonaatiksi, hiilidioksidiksi (ja kakkutaikina nousee) sekä vedeksi.

9 Liuos Liuos on seos jossa kaksi ainetta on sekoittunut toisiinsa muodostaen yhtenäisen faasin. Liuos on kyseessä silloin, kun ainehiukkaset eivät ole havaittavissa edes mikroskoopilla eivätkä saostu liuoksen seistessä suljetussa astiassa. Yleensä liuoksesta puhuttaessa tarkoitetaan tilannetta jossa liuotin on nestemäinen aine, mutta myös kiinteän tilan liuokset ovat mahdollisia. Suolaa tai sokeria tai molempia sekoittamalla veteen saadaan liuos. Liuos on kylläinen, kun siihen ei liukene enempää ainetta. Se riippuu nesteen lämpötilasta: lämpimämpään liukenee enempi. Desilitraan eli 100 ml:aan vettä liukenee n.100 g sokeria. Myös vesijohtovesi on liuos, koska se sisältää ioneja (mm. kalsium- ja magnesiumioneja, vetykarbonaatti-ioneja, kloridi- ja sulfaatti-ioneja) sekä liuennutta kaasua (mm. ilmaa). Kiinteän tilan liuoksista esimerkkeinä ovat useat metalliseokset, esimerkiksi pronssi. Kahvi ei ole liuos, vaikka se vaikuttaa kirkkaalta. Kahvin seistessä astiaan jää ruskea saostuma kun liuoksessa olevat hiukkaset eroavat nesteestä. Suodatinkahvi on kolloidinen seos. Myöskään maito ei ole liuos vaan kolloidinen seos, sillä se sisältää valkuaisaineita ja rasvaa pieninä pallosina. Pallosia ei voi nähdä, mutta ne aiheuttavat valon hajoamista (punerrus) valonsäteen kulkiessa maitokerroksen läpi. Metalliseos Metalliseos eli lejeerinki koostuu kahdesta tai useammasta alkuaineesta, joista vähintään yksi on metalli. Lähes kaikki tekniset metallituotteet ovat jonkinlaisia seoksia. Seostuksen avulla parannetaan esimerkiksi kuumamuokattavuutta, hitsattavuutta, kuumalujuutta, virumislujuutta ja iskusitkeyttä. Hyvinkin pienet seosainelisäykset tai epäpuhtaudet voivat aiheuttaa merkittäviä muutoksia metalliseoksen kemiallisissa ja fysikaalisissa ominaisuuksissa, esimerkiksi 0,01% boorilisäys tekee teräksestä huomattavasti lujempaa.. Muutamia metalliseoksia (lejeerinkejä): messinki (sisältää kuparia ja sinkkiä), pronssi (sisältää kuparia ja tinaa), uushopea (sisältää kuparia, sinkkiä ja nikkeliä) Woodin metalli (sisältää kadmiumia (Cd), tinaa (Sn), lyijyä (Pb), vismuttia (Bi) suhteessa 1:1:2:4), sulamispiste 70 C lämpötilassa sulava metalliseos

10 Kaasuseos Ilmakehä, ilma on kaasuseos. Se koostuu pääasiassa seuraavista kaasuista: typestä (78,08 %), hapesta (20,94 %), argonista (0,93 %), hiilidioksidista (0,038 %) neonista (0, %) heliumista (0, %) metaanista (0, %) kryptonista (0, %) vedystä (0, %) sekä muista kaasuista. Ilma sisältää myös vesihöyryä (0 5 %) ja kiinteitä hiukkasia. Ilmakehä avaruudesta nähtynä Haitalliset kaasut Maan ilmakehässä Vanhoja CFC-yhdisteitä, kauppanimellä freoni, saattaa edelleen esiintyä vanhoissa kylmälaitteissa, sumutinpulloissa ponnekaasuna ja vaahtomuoveissa. CFC-yhdisteiden on todettu tuhoavan ilmakehän stratosfäärin otsonikerrosta. Se säilyy ilmakehässä hyvin pitkään, keskimäärin sata vuotta, tuhoten otsonia koko ajan. Nykyisten ilmalämpöpumppujen lämpöä siirtävät ennen käytettyä freonia vähemmän vaaralliset kylmäaineet ovat fluorihiilivetyjä (HFC). Niistä kaikkein uusin kylmäaine, R-410A, on huomattavasti vähemmän vahingollinen Edeltäjiinsä verrattuna tämä kaasuseos vahingossa putkistosta karatessaan aiheuttaa merkittävästi vähemmän haittaa otsonikehälle. Tämä otsonin hajoaminen johtaa otsonikerroksen ohenemiseen eli otsonikatoon, joka on voimakkainta maapallon navoilla ja niitä ympäröivällä alueilla. Autojen ilmastoinneissa yleisimmin käytetty HFC-kylmäaine R-134a kuuluu fluorihiilivetyihin ja on 1400 kertaa pahempi kasvihuonekaasu kuin hiilidioksidi. Ihan pikkujutusta ei ole kyse, sillä maailmassa on liikenteessä arviolta 5 miljoonaa ilmastoitua autoa, joissa kussakin on noin grammaa kylmäainetta järjestelmän ollessa täynnä. Siksi synteettiset HFC-kylmäaineet kielletään lähitulevaisuudessa. Käyttöön otetaan hiilidioksidi (CO2) ilmalämpöpumpuissa. Tämän aineen ympäristöhaitat ovat olemattomat ja täysin luonnonmukaiset. Ongelmana on CO2:n nesteytymisen vaatima suuri paine HFC-kaasuihin verrattuna.

11 Liete Liete on nesteen ja hyvin pienten ainehiukkasten muodostama heterogeeninen seos. Liete näkyy nesteen sameutena, koska hiukkaset vajoavat pohjaan tai nousevat pintaan hyvin hitaasti. Geologiassa liete tarkoittaa veden ja savi- tai silttiaineksen tai molempien juoksevaa tai puolijuoksevaa seosta. Kiinteistä mineraalihiukkasista koostuvan hienoaineksen rakeiden koko on alle 0,06 mm. Koska vettä tiheämmät kappaleet vajoavat pohjaan sitä hitaammin mitä pienempiä ne ovat, saattaa hienoin saviaines pysyä kuukausia veteen liettyneenä. Luonnonvesien pohjalle laskeutuva liete muodostaa kerrostumia, sedimenttejä, kuten savea, liejua tai hiesua. Kuvassa savilietettä. Emulsio Emulsio on kahden luonnostaan toisiinsa sekoittumattoman nesteen, kuten veden ja ruokaöljyn, seos. Nesteet eivät muodosta homogeenista seosta, vaan emulsio saadaan aikaan sekoittamalla aineet keskenään. Esimerkiksi maito ja majoneesi ovat emulsioita. Maidossa vesi on ns. ulkofaasi ja siinä mikropisaroina oleva rasva on sisäfaasi. Mitä pienempiä mikropisarat ovat, sitä stabiilimpi eli vakaampi emulsio on. Emulgaattori on emulsion muodostumista edistävä aine. Tunnettu emulgaattori on munankeltuainen, jota käytetään majoneesien ja salaatinkastikkeiden valmistuksessa Kokeita vesi-öljy-emulsiolla öljystä saastuneen veden puhdistamiseksi. Oikeanpuolimmaisessa on käytetty kemikaalia öljyn erottamiseksi.

12 Vaahto Vaahto on seos, jossa nesteen tai kiinteän aineen sisälle on jäänyt kaasukuplia. Vaahtoa saadaan puhaltamalla kaasua nesteeseen tai vatkaamalla nestettä. Veden vaahdottaminen on vaikeaa, sillä tavallisesti veden pintajännitys hajottaa kuplat. Saippua alentaa pintajännitystä, joten kuplat pysyvät koossa pidempään. Kiinteistä aineista ja erityisesti polymeereistä tehdyillä vaahdoilla on paljon kaupallisia sovellutuksia. Esimerkiksi polyuretaanivaahtoa käytetään lämpöeristeenä. Sammutusvaahtoja voidaan käyttää myös sammuttamaan tulipaloja. Savu Meren vaahtoa Sammutusvaahto Savu on epätäydellisen palamisen yhteydessä syntyvä palokaasujen ja kiinteän aineen seos (aerosoli). Usein se on palamisen ei-toivottu sivutuote, mutta sitä voidaan myös hyödyntää esimerkiksi tuhoeläinten torjunnassa, yhteydenpidossa (savumerkit), puolustuksessa sekä nautintoaineena (tupakointi). Tulipalojen yhteydessä kuolonuhreja ei niinkään aiheuta tuli, vaan savu. Savu tappaa kuumuutensa, myrkyllisyytensä ja tukahduttavan vaikutuksensa vuoksi. Sumu Sumu on pilvi, joka on kosketuksissa maahan. Näkyvyys sumussa on alle 1 km. Sumunkaltainen (kosteuden aiheuttama) mutta lievempi ilmiö on utu. Sen sijaan auer heikentää näkyvyyttä pölyn tai muun kuin veden sisältämän aineen takia. Sumua syntyy, kun ilmassa oleva näkymätön vesihöyry tiivistyy pieniksi pisaroiksi (tai joskus härmistyy jääkiteiksi). Tiivistyminen alkaa, kun ilma on tarpeeksi kylmää ja kosteaa: ilman kyllästystila vesihöyryn suhteen riippuu lämpötilasta. Sumu voi muodostua useilla tavoilla, riippuen jäähtymisen tapahtumistavasta.

13 Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä Lantanoidit ovat harvinaisia maametalleja. Aktinoidit ovat kaikki radioaktiivisia. Korkean järjestysluvun aktinoidit amerikiumista lähtien ovat synteettisiä, eli niitä ei ole maapallolla luonnonvaraisina. Niiden puoliintumisaika on lyhyt Oheisessa osoitteessa on taulukko, jossa alkuaineen tunnusta klikkaamalla saa tietoja ko alkuaineesta.

14 Atomin rakenne Normaalin vetyatomin ytimessä on yksi protoni, ja ydintä kiertää yksi elektroni. Vedyn järjestysluku on 1, koska siinä on yksi protoni. Ratkaisevaa sille, mistä alkuaineesta (= järjestysluvusta) on kysymys, on sen ytimen protonimäärä. Vedyllä se on yksi. On myös vetyjä, jonka ytimessä protonin lisäksi yksi tai kaksi neutronia. Kaikki kolme on vety-alkuaineen isotooppeja. ²H, deuterium, toinen, on toisiksi yleinen vedyn isotooppi, ja sitä on noin 0,2 % Maassa olevasta vedystä. Vesimolekyyliä H20, jossa tavallisen vedyn sijasta on deuteriumia kutsutaan raskaaksi vedeksi. Raskasta vettä käytetään esimerkiksi ydinvoimaloissa hidastimena. Deuteriumia tullaan käyttämään tulevaisuudessa myös fuusioreaktoreissa polttoaineena. Deuteriumia merkitään usein kirjaimella D. ³H, tritium, on vedyn hyvin harvinainen isotooppi. Kaikesta vedystä sitä on 1/ Heliumin järjestysluku on 2, joten sen ytimessä on kaksi protonia. Helium on toiseksi kevyin alkuaine vedyn jälkeen. Se tunnetaan kaasuna, jota käytetään ilmapalloissa. Kuten kaikki aineet, se muuttuu nestemäiseen tilaan kun se jäähdytetään hyvin matalaan lämpötilaan. Helium on ainoa aine joka esiintyy nestemäisenä jopa absoluuttisessa nollapisteessä, 0 K:ssa, eli Celsiusastetta 25 aty:n (ilmakehän) paineessa. Molemmat kaasut ovat huomattavasti ilmaan keveämpiä: kuutiometri ilmaa painaa n. 1 kg 200 g. Kuutiometri vetyä vain 90 grammaa ja kuutiometri heliumia 180 grammaa. Kuutiometrin kokoinen eli tilavuudeltaan 1000 litrainen vetyilmapallo pystyy nostamaan noin 1 kg:n kuorman. Litium on kevyin kaikista metalleista, ja se jopa kelluu vedessä. Se on kemiallisesti erittäin reaktiivinen metalli, eli se reagoi voimakkaasti muiden aineiden kanssa. Litium reagoi herkästi jo alhaisessa lämpötilassa hapen ja typen kanssa. Kuumennettaessa ilmassa n. 200 C:ssa (itsesyttymislämpötila 179 C) se syttyy palamaan. Litiumia käytetään muun muassa paristoissa ja akuissa, rakettien polttoaineena ja voiteluaineena.

15 Alkuaineiden ominaisuuksia

16 Taulu 2a Taulu 2b

17 Aineiden ominaisuuksia Katalysoivat aineet Katalyytti on aine, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota tietyssä lämpötilassa kuitenkaan itse kulumatta reaktiossa. Katalyytti osallistuu kemialliseen reaktioon, mutta ei ole reaktion alku- tai lopputuote. Katalyyttisiä aineita ovat esim. platina, palladium, cerium ja rodium. Katalysaattori. Auton katalysaattori on kolmitoimikatalysaattori. Katalyytteinä käytetään platinaa ja rodiumia. palladiumilla, ceriumilla tai rodiumilla. Pakokaasut puhdistuvat kolmessa vaiheessa: Hiilimonoksidi CO eli häkä hapettuu hiilidioksidiksi CO2 Palamattomat hiilivedyt hapettuvat hiilidioksidiksi CO2 ja vedeksi H20 Typen oksidit NOx pelkistyvät typeksi N2 Auton puhdistetuista pakokaasuista on vain hiilidioksidi, CO2, kasvihuonekaasuna haitallinen. Katalysaattori kiinnitetään auton pakoputkeen. Katalysaattorin sisällä on keraaminen kennosto, joka on päällystetty hyvin ohuella kerroksella jalometalleja - platinalla, palladiumilla, ceriumilla tai rodiumilla. Katalysaattorin seinämien pinta-ala on noin yksi hehtaari ( m²). Metallit, joita kennostoon on käytetty vain noin 2 grammaa, katalysoivat puhdistusreaktiot.

18 Kasvihuoneilmiö Vesihöyry, hiilidioksidi, metaani ja muut kasvihuonekaasut pidättävät lämpösäteilyä ilmakehässä niin kuin kasvihuoneen lasiseinät. Luonnollinen kasvihuoneilmiö pitää yllä elämää maapallolla. Ihmisen toiminta kuitenkin lisää kasvihuonekaasujen määrää, minkä pelätään nostavan nopeasti lämpötilaa maapallolla. Maapallon keskilämmön nousu on tosiasia kasvihuonekaasujen takia. Hiilidioksidi (CO2) on selvästi suurin syyllinen. Metaania (CH4) syntyy mm. karjanhoidossa. Sen määrä on vähäinen CO2:een verrattuna, mutta se 21 tehokkaampi ilmaston lämmittäjä. Luonnossakin on suuria hiilidioksidin tuottajia: tulivuoret ja mädäntyvä kasvillisuus. Energian tuotanto (tehtaat, sähkövoimalat, lämmitys) on suurin hiilidioksidin tuottaja. Paljon tuottaa myös liikenne eli maailman yli 400 miljoonaa kulkuneuvoa. Suomessa liikenteen osuus hiilidioksidipäästöistä on noin 20 prosenttia. Suurin hiilidioksidin tuottaja on kuitenkin energiantuotanto:. Hiilidioksidin määrä ilmakehässä on vain 0,03%, mutta pienikin lisäys siihen on saanut muutoksia aikaan maapallon ilmastossa: lämpötila on ilmassa ja meressä on noussut, ja mitä enempi lämpöenergiaa kertyy auringosta maapallolle, se saa aikaan energian purkautumista myrskyinä ja jäätiköiden sulamisina. Ilmaston muutos on tosiasia: Grönlannin jäät sulavat kesäisin yhä enemmän ja enemmän.

19 Öljynjalostus Fossiiliset polttoaineet ovat polttoaineita, jotka ovat syntyneet muinaisten eliöiden muuttuessa fossiileiksi. Tärkeimmät fossiiliset polttoaineet ovat öljy, kivihiili, maakaasu ja turve. raakaöljy tai yksinkertaisesti öljy, on maaperässä muinaisista eliöistä muodostunut hiilivetyjen seos. Öljyä käytetään laajalti polttoaineena ja raaka-aineena synteettisiä aineita valmistettaessa. 40 % kaikesta maailmassa käytetystä energiasta ja 95 % liikenteessä käytetystä energiasta tulee öljystä. Öljyn tislaus Öljyn sisältämät eri hiilivety-yhdisteet saadaan erilleen jakotislauksella, koska näillä aineilla on erilainen kaasuuntumislämpötila. Öljyn tislauksessa kuumennettu öljy pumpataan tislaustorniin, jonka pohjalla on alle 400 C krakkautumisen estämiseksi ja huipulla n. 20 C ja mahdollisimman alhainen paine. Tällaisessa tornissa on useita eri lämpötiloissa olevia tasoja, joille tiivistyvät ne hiilivedyt, joiden kaasuuntumislämpötila on korkeampi kuin tuon tason lämpötila. Tornin pohjalta kuumista alueesta saadaan ulos pohjaöljy, josta voidaan tehdä bitumia ja sen avulla asfalttia, väliotoista raskasöljy, kevytöljy ja raakabensiini. Kylmimmästä huipusta tulevat ulos kaasumaiset aineet kuten etaani ja butaani. Muovit Muovit ovat öljynjalostuksen tuotteita. Noin 4% raakaöljystä käytetään muovituotteiden valmistukseen. vuosittain. Raakaöljyn keveät tuotteet (bentseeni, butadieeni, propeeni ja eteeni) muutetaan muoveiksi liittämällä niiden molekyylit yhteen pitkiksi ketjuiksi prosessissa, jota sanotaan polymeroinniksi. Polymeerien erilaiset ominaisuudet ja nimet johtuvat niiden koostumuksesta sekä muovien lisäaineista. Muoveja käytetään arkipäivän käyttötavaroista monimutkaisiin ja vaativampiin tekniikan ja lääketieteen sovellutuksiin. Ne ovat keveitä ja kestäviä ja hajoavat luonnossa hyvin hitaasti. Poikkeuksena ovat biohajoaviksi kehitetyt muovit, kuten kompostipussit.

20 Rauta (Fe) Tärkeitä metalleja Rauta on painavin tähdissä nukleosynteesin kautta syntyvä alkuaine. Näin ollen se on yleisin raskasmetalli maailmankaikkeudessa. Jaksollisessa järjestelmässä rauta on 26. alkuaine. Se on hopean värinen, kiiltävä ja ferromagneettinen metalli, jolla on useita hyödyllisiä käyttökohteita. Puhtaana se on jokseenkin pehmeää, mutta monet sitä pääaineksenaan sisältävät metalliseokset ovat erittäin kovia. Niitä käytetään muun muassa työkaluihin, rakennustarvikkeisiin, koneisiin, ajoneuvoihin ja aseisiin. Tärkeimpiä rautaseoksia ovat teräkset ja valuraudat (hiiltä yli 2%) Ruostumaton teräs (merkinnältään 18/8) sisältää 18% kromia ja Rauta-atomi, 26 elektronia. 8% nikkeliä. Ytimessä 16 protonia ja neutroneita isotoopista riippuen n.30. Raakaraudan valmistus masuunissa Tärkeimmät rautamalmimineraalit ovat hematiitti Fe2O3 ja magnetiitti Fe3O4. Raudan pelkistäminen rautaoksidista tapahtuu masuunissa. Masuuniin syötetään päältä rautamalmin, koksin ja kalkkikiven seosta. Alhaalta masuuniin puhalletaan kuumennettua ilmaa. Tapahtuu seuraavia reaktioita: hiili palaa C + O2? CO2 hiili muodostaa häkää C + CO2? 2CO häkä pelkistää rautaoksidin Fe2O3 + 3CO? 2Fe + 3CO2 Raakarauta valuu sulana masuunin alaosaan. Kalkkikivi muodostaa malmissa vielä olevan kivi- ja muun aineksen kanssa kuonaa, joka jää raudan pinnalle suojaamaan sitä hapettumiselta. Puhallusilman typpi ja syntynyt hiilidioksidi kiertää vielä lämmittämässä masuuniin puhallettavaa ilmaa. Teräksen valmistus konvertterissa Raakarauta on kovaa ja haurasta. Siinä on 2-5 % hiiltä ja lisäksi muita epämetalleja. Näitä vähennetään raudan joukosta konvertterissa. Hiilen määrä säädetään halutuksi 0,15-1,5 %. Konvertterissa sulaan rautaan puhalletaan ilmaa tai happea. Jos lähes kaikki hiili poltetaan, lisätään hiiltä haluttu määrä. Bessemer-konvertterissa käytetään ilmaa, happikonvertterissa puhdasta happea. Siemens-Martin-menetelmässä raakaraudan sekaan pannaan teräsromua ja rautamalmia Fe2O3 ja joukkoon puhalletaan kuumennettua ilmaa. Malmin happi sitoo hiiltä hiilimonoksidiksi, joka voidaan polttaa puhallusilman kuumentamiseksi.

21 Alumiini, (Al) Alumiinia (lat. aluminium) (Al) on 8 % maankuoressa, jossa se on kolmanneksi yleisin alkuaine maankuoressa (hapen ja piin jälkeen) ja samalla yleisin metalli. Alumiini kestää melko hyvin ilman ja veden vaikutusta eikä siis ole altis korroosiolle, ja siksi sitä käytetään usein teräksen sijasta. Alumiinin korroosiokestävyys perustuu pintaan muodostuvaan suojaavaan oksidikerrokseen. Alumiinin pinta siis hapettuu, mutta pintaan muodostuva tiivis oksidikerros suojaa alempia kerroksia korroosiolta. Alumiinin tuottamiseen bauksiitista tarvitaan paljon sähköenergiaa, noin kwh/tonni. Alumiinijätteestä palautuu uusiokäyttöön kolme neljäsosaa. Alumiinin tuotannossa käytetään Hallin prosessia, jossa alumiinia valmistetaan elektrolysoimalla bauksiitin ja kryoliitin (Na3AlF6) seosta. Katodina toimiva elektrolyysisulatusallas on rautaa (tai grafiittia), anodi on grafiittia (= hiiltä). Voimakas sähkövirta sulattaa 1000 asteessa bauksiitin (= alumiinioksidin, Al203) ja kryoliitin (Na3AlF6) sekoituksen. Sula alumiini valetaan harkoiksi. Kupari, (Cu) Kuparia esiintyy monissa malmeissa, kuten kuparikiisussa ja jopa puhtaana metallinakin. Se on pehmeää, mutta jo varhain huomattiin, että kuparia voi vahvistaa lisäämällä siihen kolmannes tinaa. Tätä metalliseosta kutsutaan pronssiksi. Pronssista alettiin valmistaa erilaisia teräaseita, joiden terän sai hyvin teräväksi. Kuparin ja sinkin yhdiste on messinkiä. Ilman hapen kanssa kupari reagoi hitaasti niin, että sen pinnalle muodostuu ensin hyvin ohut tumma kuparioksidikerros, joka hiilidioksidin vaikutuksesta muuttuu lopulta vihreäksi kupari- karbonaatiksi eli patinaksi (CuCO3), joka suojaa kuparin enemmältä syöpymiseltä. Kupari johtaa erittäin hyvin sähköä ja voidaan vetää hyvin ohueksi langaksi. Niinpä tärkein kuparin käyttäjä on nykyisin elektroniikkateollisuus.

22 Jalometallit kulta (Au), hopea (Ag) ja platina (Pl) Metallit jaetaan jaloihin ja epäjaloihin metalleihin normaalipotentiaalin mukaan. Jalot metallit, joilla on pieni normaalipotentiaali, eivät reagoi suolahapon ja sitä heikompien happojen kanssa vetyä vapauttaen. Kulta ja platina ovat jaloimpia metalleja. Vedyn normaalipotentiaali on nolla. Nykyisin akuissa käytetyn litiumin normaalipotentiaali on -3,05 Galvaaninen sähköpari Rikkihappoliuoksessa sinkki- ja kuparilevyt levyjen välille muodostuu jännite, jonka suuruus on 0,76 + 0,34 = 1,10 volttia Korut ja korumetallit Kulta on pitkään ollut tärkeä korujen valmistusaine. Muita suosittuja korumetalleja ovat hopea ja platina. Nykyisin koruissa käytettyyn kultaan on seostettu vaihteleva määrä hopeaa, mikä vaikuttaa paitsi metallin väriin myös koruesineen kovuuteen ja kulumiskestävyyteen. Metallikoruun liitetään usein lasia, helmiä tai hiottuja jalokiviä. Nykyaikana joudutaan korujen valmistuksessa huolehtimaan EU:n nikkelidirektiivin määräysten vuoksi, että ihoa vasten kosketuksessa käytetty koru ei saa altistaa käyttäjäänsä nikkeliallergialle. Ammoniitti-kivet istutettu 14 karaatin kultaan, timanttireunus. Jalometallituotteissa pitää olla ko metallia seuraat vähimmäismäärät: kultaa 375 = 37,5 %, hopeaa 800, platinaa 850 ( = promillea = tuhannesosaa) Kultapitoisuus voidaan merkitä myös karaatteina eli kahdeskymmenesneljäsosina. Esim. leima 18/24 tarkoitta, että kultasormuksessa on kultaa 75%. 25% voi olla hopeaa.

23 Ohutkalvot Ohutkalvon kasvatuksella tarkoitetaan kaikkia niitä tekniikoita, joilla siirretään ohut materiaalikerros kasvatusalustalle.. Ohutkalvon "ohuus" on suhteellinen käsite. Joillakin kasvatustekniikoilla päästään atomikerroksittain kasvattamaan kalvon paksuutta, mutta useimmilla menetelmillä pienin säädettävissä oleva paksuus on joitakin kymmeniä nanometrejä (nm = miljoonasosa millimetriä). Kalvojen paksuudesta puhuttaessa käytetään usein mittana Ångströmiä. Ohutkalvoja käytetään: - optiikassa heijastuksen poistokalvoina, - elektroniikassa eriste- tai johdekalvoina, - hohdekalvoina elektroluminesenssi- ja LED-näytöissä - puolijohteissa - pakkauskalvoissa (esimerkiksi alumiinikalvo PET-muovikalvolla). - korroosion estossa - passivointikerroksina parantamaan materiaalin happojen kestävyyttä tai vähentämään elimistöjen hylkimisefektiä. - työkaluissa kova nitridipinnoite antamaan kovuutta teräkselle Ohutkalvojen kasvatustekniikat ovat kemiallinen ja fysikaalinen. Ohutkalvo tuottaa valosta sähköä Auringonvalo suoraan sähköksi edullisimmin. Saksan Bremeniin rakennetaan maailman ensimmäistä ohutkalvotekniikkaan perustuvaa aurinkokennovoimalaa. 10 megawatin voimalan on määrä valmistua vuonna Ohutkalvoisten aurinkokennojen aktiivinen kerros on vain muutaman mikrometrin (mikrometri = millimetrin tuhannesosa) paksuinen, kun piipohjaisissa aurinkokennoissa kerrostetaan mikrometriä puolijohteita päällekkäin. Ohutkalvokennojen alustana voi käyttää taipuisaa muovia, joka on notkeaa ja sitkeää kuin piirtoheitinkalvo. Kalliiden piikennojen vaivana on hauraus: ne särkyvät yhtä helposti kuin lasi. Ohutkalvokennot ovat kestäviä ja selvästi huokeampia valmistaa kuin piikennot. Toisaalta ohutkalvotekniikka ei ole yhtä tehokasta kuin pii. Hyötysuhde on 17%, mutta auringonvalo on ilmaista. Ohutkalvoaurinkokennoja. Sähköntuotantoa pellolla

24 .

25 . LUONNON PERUSRAKENTEET JA VUOROVAIKUTUKSET Luonnon rakenneosia voidaan tarkastella itsenäisinä rakenteina siten, että sen muut rakenneosat muodostavat ympäristön. Tällä tavalla muodostuu sisäkkäisten rakenteiden järjestelmä, jossa tietyn rakenteet ovat ylemmän asteen rakenteiden rakenneosia. Luonnon eri asteisia rakenneyksiköitä ovat 1. galaksijoukko 2. galaksi 3. tähtijoukko, kaksois- ja monitähtijärjestelmä sekä aurinkokunta 4. planeetta-kuu -järjestelmä 5. tähti, planeetta, kappale 7. molekyyli... atomi 8. ydin 9. protonit ja neutronit 10. kvarkit, elektronit.

26 Vaarallisten kemikaalien luokitusperusteet - yleiset vaatimukset Luokituksessa käytettävät ominaisuudet Ensisijaisesti aineiden luokituksessa käytettävät yleiset ympäristövaikutuksiin liittyvät luokitusperusteet ovat sosiaali- ja terveysministeriön luokitusperusteasetuksen (807/2001) liitteessä 1 kohdassa 5. Yleisiä luokitusperusteita käytetään myös niissä seosten luokituksissa, joissa akuutin vesieliömyrkyllisyyden selvittämiseksi voi olla tarpeen tehdä testejä valmisteella. Seosten luokituksessa käytetään kuitenkin pääasiassa niin sanottua sopimuksenvaraista menetelmää, joka perustuu seoksen sisältämien aineiden luokituksiin. Luokitus perustuu pääasiassa aineen akuuttiin myrkyllisyyteen vesieliöille (kala, vesikirppu, levä), nopeaan hajoavuuteen ja kertymistaipumukseen. Näistä kolmesta muuttujasta on laadittu erilaisia yhdistelmiä, joissa tiettyjen raja-arvojen ylittäminen tai alittaminen johtaa ympäristölle vaaralliseksi luokitukseen. Lisäksi voidaan luokitella ympäristölle vaarallisiksi muitakin aineita, jos niiden haittavaikutuksista ympäristölle on riittävästi näyttöä. Otsonikerrokselle vaarallisiksi katsotaan aineet, jotka on lueteltu otsonikerrosta heikentävistä aineista annetun asetuksen (EY 2037/2000) liitteessä 1 ja sen muutoksissa. Muidenkin aineiden luokittelu on periaatteessa mahdollista mutta luokitusperusteita ei ole.