SUPERABSORBENTIT. Kemian opetuksen keskus Helsingin yliopisto Superabsorbentit Opettajan ohje

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "SUPERABSORBENTIT. Kemian opetuksen keskus Helsingin yliopisto Superabsorbentit Opettajan ohje"

Lasse Laaksonen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 SUPERABSORBENTIT KOHDERYHMÄ: Soveltuu kaiken ikäisille oppilaille. Työn kemian osuutta voidaan supistaa ja laajentaa oppilaiden tietojen ja taitojen mukaisesti. KESTO: 5 15 min. MOTIVAATIO: Kosteuspyyhkeet voivat imeä runsaasti vettä itseensä. Mihin tämä perustuu? TAVOITE: Työn tavoitteena on tutustua superabsorbenttien ominaisuuksiin ja käyttökohteisiin. VINKKEJÄ: Työ voidaan tehdä demonstraationa tai oppilastyönä. Työhön voidaan yhdistää molekyylimallinnusta. Työhön liittyen löytyy videoita osoitteesta: tai AVAINSANAT: Polymeerit Osmoosi Poolisuus Orgaaninen kemia Arkikemia TAUSTAA Superabsorbenteiksi (SAP) kutsutaan polymeerejä, jotka kykenevät sitomaan moninkertaisen (jopa 200-kertaisen) määrän vettä painoonsa nähden. Veden sitomiskykynsä takia niitä käytetään mm. vaipoissa ja terveyssiteissä kosteuspyyhkeissä kastelukiteissä Hygieniatuotteissa superabsorbenttiin lisätään lisäaineita, jotka estävät ikävien hajujen muodostumista. Esimerkiksi vaipoissa käytetään lisäaineita estämään urean hajoamista ammoniakiksi ja hiilidioksidiksi. Ammoniakilla on voimakas ja epämiellyttävä haju, sekä se ärsyttää ihoa. POHDITTAVAKSI ENNEN TYÖTÄ Mitä tarkoittaa polymeeri? Keksi esimerkki polymeeristä. Missä käytetään polymeerejä? TEORIA Superabsorbenttien rakenne Tyypillisesti ne ovat ristisidottuja polymeerejä, mikä tarkoittaa sitä, että polymeeriketjut ovat liittyneet toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla. Yleisimmin käytettyjen superabsorbenttien perustana ovat akrylaattipolymeerit. Akrylaattipolymeerit muodostuvat akryylihapoista, joiden hiili-hiilikaksoissidokset aukeavat polymerisoitumisreaktiossa.

VINKKEJÄ: Työ voidaan tehdä demonstraationa tai oppilastyönä. Työhön voidaan yhdistää molekyylimallinnusta. Työhön liittyen löytyy videoita osoitteesta: http://www.youtube.com/watch?

2 Kuva 1. Akryylihapon molekyylimalli. Huomaa kaksoissidokset. Akrylaattipolymeereistä valmistetaan superabsorbentteja muodostamalla polymeeriketjujen välille ristisidoksia. Ristisidoksena voi toimia esimerkiksi etyyliryhmä, joka sitoutuu kahden polymeerin väliin. Ristisidosten tehtävänä on estää rakenteeltaan spiraalinmuotoisten akrylaattipolymeerien suoristuminen niiden joutuessa tekemisiin veden kanssa. Kuvassa 2 esitetään ristisidosten rakenne. Ristisidosten lisäksi akrylaattipolymeereihin lisätään superabsorbentteja valmistettaessa natriumia korvaamalla hydroksyylivety natriumionilla. Kuva 2. Ristisidotun natriumpolyakrylaatin rakenne. (M 2 Absorbent Chemistry Inc.) Superabsorbenttien toimintaperiaate Natriumpolyakrylaatin karboksyyliryhmät ovat poolisia ja siten vetävät vesimolekyylejä puoleensa. Veteen joutuessaan superabsorbentin natriumionit irtoavat polymeerin sisään, missä ne saavat aikaiseksi korkean ionikonsentraation. Tämä korkea ionikonsentraatio aiheuttaa osmoosin, jossa vesi kulkee polymeerin sisään ja sitoutuu vetysidoksilla polymeeriin.

Ristisidosten tehtävänä on estää rakenteeltaan spiraalinmuotoisten akrylaattipolymeerien suoristuminen niiden joutuessa tekemisiin veden kanssa. Kuvassa 2 esitetään ristisidosten rakenne.

3 Ristisidokset estävät polymeeriketjuja suoristumasta, mutta samalla ne huonontavat polymeerin imukykyä. Jos superabsorbentissa on paljon ristisidoksia, muodostaa se veden kanssa geelin. Mikäli ristisidoksia on vähän, muuttuu seos lopulta jauheeksi (tätä jauhetta käytetään esimerkiksi teatterilumena). Koska superabsorbentin toiminta perustuu osmoosiin, myös liuoksen ionikonsentraatio vaikuttaa imukykyyn. Esimerkiksi suolavesi tai hapot imeytyvät superabsorbentteihin huonosti. REAGENSSIT JA TARVIKKEET Vaippoja tai natriumpolyakrylaattia Ruokasuolaa Vettä (ja ruokaöljyä) TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTEY Suojatakki ja lasit. Jätteet hävitetään viemäriin. VÄLINEET 250 ml Keitinlasi 100 ml Keitinlasi tai mittalasi Lusikka TYÖOHJE Leikkaa vaippa auki saksilla tai terävällä veitsellä. Ota vaipan sisältä superabsorbentti materiaalia esimerkiksi 1 g ja laita se 250 ml:n keitinlasiin. Kaada keitinlasiin vettä esimerkiksi 100 ml (materiaalin ja veden suhde on tällöin 1:100). Dramatiikkaa materiaalin vedensitomiskyvyn demonstroimiseen saadaan kääntämällä dekantterilasi ylösalaisin jonkun oppilaan päänpäällä. (Huom. Testaa aina etukäteen, että absorbentti ja seos suhde toimii.) Lisää polymeeriseokseen reilusti ruokasuolaa ja sekoita. Suolan lisäämisen seurauksena materiaalin vedensitomiskyky laskee.

Koska superabsorbentin toiminta perustuu osmoosiin, myös liuoksen ionikonsentraatio vaikuttaa imukykyyn. Esimerkiksi suolavesi tai hapot imeytyvät superabsorbentteihin huonosti.

4 VAIHTOEHTOINEN TYÖOHJE Tässä työssä tutkitaan miten superabsorbentti imee erilaisia nesteitä. Työssä käytetty superabsorbentti on polymeeri, jonka toiminta perustuu kahteen periaatteeseen: - Kykyyn sitoa vesimolekyylejä vetysidoksilla. - Osmoosiin. Miettikää ryhmässänne vastaukset seuraaviin kysymyksiin ennen työn suorittamista. Millainen molekyyli superabsorbentin täytyy olla, jotta se pystyy vuorovaikuttamaan poolisen vesimolekyylin kanssa? Molekyylillä täytyy olla ioninen tai poolinen osa. Esimerkiksi hydroksyyli- tai karboksyyliryhmä ovat poolisia ja vetävät vettä puoleensa. Natriumpolyarkylaatin karboksyyliryhmät voivat myös luovuttaa vetyioninsa, jolloin niistä tulee ionisia. Tällaiset molekyylit ovat hydrofiilisiä, sillä ne pystyvät sitomaan vettä. Mitä osmoosilla tarkoitetaan? Miten se eroaa diffuusiosta? Osmoosia esiintyy, kun kahden toisiinsa puoliläpäisevän kalvon kautta liittyvän nesteen ionikonsentraatiot ovat erisuuruiset. Tällöin vesi virtaa kalvon läpi matalammasta ionikonsentraatiosta suurempaan. Diffuusiossa konsentraatio tasoittuu puolestaan siten, että ionit (tai muu liuoksessa oleva aine) tasoittuu nesteeseen. Ryhmän tehtävänä on selvittää, miten hyvin superabsorbenttina käytettävä natriumpolyakrylaatti imee itseensä vettä, etikka/sitruunahappoa ja ruokaöljyä. Pohtikaa miten hyvin superabsorbentti imee itseensä eri aineita? Mitä nesteistä imeytyy eniten ja mitä vähiten? Miksi? Puhdasta (mielellään tislattua) vettä imeytyy eniten. Happo ei imeydy yhtä hyvin, sillä se estää polymeerin karboksyyliryhmää luovuttamasta vetyioniaan ja siten vähentää superabsorbentin hydrofiilisyyttä. Ruokaöljy taas on pooliton molekyyli, eikä siksi sitoudu vahvasti pooliseen superabsorbenttiin. Tehtyänne arvion superabsorbentin kyvystä imeä eri nesteitä, miettikää miten voitte testata tekemäänne oletusta käytännössä. Ottamalla kolmeen astiaan yhtä suuret tilavuudet eri nesteitä, voidaan testata kuinka suuren tilavuuden kutakin tietty massa superabsorbenttia imee itseensä. Tilavuuden sijaan voidaan myös tutkia esim. ainemääriä tai massaa. Esitettyänne tutkimussuunnitelmanne opettajalle, toteuttakaa työ ja kirjatkaa ylös tulokset, sekä niiden vastaavuus hypoteesinne suhteen.

Miettikää ryhmässänne vastaukset seuraaviin kysymyksiin ennen työn suorittamista. Millainen molekyyli superabsorbentin täytyy olla, jotta se pystyy vuorovaikuttamaan poolisen vesimolekyylin kanssa?

5 POHDITTAVAKSI TYÖN JÄLKEEN Miten luulette suolan lisäämisen vaikuttavan eri aineiden imeytymiseen? Tehkää oletus ja testatkaa se käytännössä. Suolan lisääminen veteen tai happoon vapauttaa osan natriumpolyakrylaattiin imeytyneestä nesteestä. Tämä johtuu siitä, että osmoosi toimii nyt toiseen suuntaan absorbentin ulkopuolisen ionikonsentraation kasvaessa. Ruokaöljyn tapauksessa muutosta ei tapahdu. Selittäkää havaintonne.

Suolan lisääminen veteen tai happoon vapauttaa osan natriumpolyakrylaattiin imeytyneestä nesteestä.

Samankaltaiset tiedostot

Peruskoulu (demonstraatio) / lukio (demonstraatio, oppilastyö ja mallinnus)

SUPERABSORBENTIT Kohderyhmä: Kesto: Tavoitteet: Työturvallisuus: Toteutus: Jätteiden hävitys: Peruskoulu (demonstraatio) / lukio (demonstraatio, oppilastyö ja mallinnus) Demonstraatio 10 min, mallinnus