Kemian menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Kemialliset tapahtumat

Transkriptio

1 Kemian menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Kemialliset tapahtumat ISBN: Jarkko Lampiselkä, Jari Lavonen, Kalle Juuti, Veijo Meisalo, Anniina Mikama Verkkoversio: Taitto: Anniina Mikama Kansi: Anniina Mikama Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos PL Helsingin yliopisto Helsinki

2 SISÄLLYS KEMIALLISET TAPAHTUMAT JA ARKIPÄIVÄ 1. Kemiallisten tapahtumien nopeus 2. Kemiallinen muutos atomitasolla 3. Kemiallisiin tapahtumiin liittyy usein valo- ja lämpöilmiöitä KEMIALLISET TAPAHTUMAT JA ARKIPÄIVÄ Ilotulitusraketin räjähdys, karkkien syöminen, ilman hengittäminen, veden pilaantuminen ja sen puhdistaminen ovat kaikki monelta osin kemiallisia tapahtumia. Elintoiminnoista valtaosa on kemiallisia tapahtumia. Ihminen tulee toimeen noin kolme kuukautta ilman ruokaa, ehkä kolme päivää ilman vettä, mutta vain kolme minuuttia ilman happea. Ihminen voi toiminnallaan vaikuttaa elimistönsä ja ympäristönsä kemiallisiin tapahtumiin. 2

3 1. Kemiallisten tapahtumien nopeus Jotkin kemialliset tapahtumat ovat hyvin äänekkäitä ja nopeita ja hallitsemattomina äärimmäisen vaarallisia. Tällaisia tapahtumia ovat esimerkiksi palaminen, joista etenkin räjähdykset. Toisaalta monet ilmiöt ovat huomaamattomia, hiljaisia ja pitkäkestoisia, kuten virvoitusjuomassa olevan sokerin osallistuminen elimistön kemiallisiin tapahtumiin, muovin vaaleneminen ja haurastuminen auringon valossa, sokerin muodostuminen vihreässä kasvissa, elintarvikkeiden pilaantuminen tai polkupyörän ruostuminen. Kemialliseen tapahtumaan kuluva aika vaihtelee; on hyvin nopeita ja hitaita ilmiöitä. Kemiallisten tapahtumien nopeuden tunteminen on tärkeää niin teollisuudessa ja kuin ruuanlaitossakin. Permanentti onnistuu ja asiakas saa hiuksiinsa ennalta sovitun värin, kun kampaaja tietää, kuinka kauan ja missä lämpötilassa aineiden on annettava vaikuttaa. Juustoja on säilytettävä kypsyttämössä tietyssä lämpötilassa tietyn aikaa, jotta saadaan oikeanmakuista juustoa. Elintarvikepakkauksissa käytetään suojakaasuja, jotta pilaantumista aiheuttavat kemialliset tapahtumat hidastuisivat tai estyisivät kokonaan. Kemiallisten tapahtumien nopeuteen voidaan vaikuttaa mm. lämpötilaa muuttamalla, sekoittamisella, hienontamisella, pitoisuutta muuttamalla ja katalyyteillä. Nano tutkii omenan pilaantumista. 2. Kemiallinen muutos atomitasolla Kokemuksesta tiedämme ilotulitteen ulkoisen olemuksen olevan varsin erilainen ennen sen sytyttämistä ja räjähdyksen jälkeen. Samoin kuoritun omenan ja banaanin olemus muuttuu peruuttamattomasti, mikäli ne jätetään lojumaan suojaamattomina pöydälle. Jos pyörä jätetään pitkäksi ajaksi taivasalle, alttiiksi lialle ja sateelle, metalliosat menettävän hiljalleen niille tunnusomaisen kiillon ja kovuuden metallissa oleva raudan ruostuessa. 3

4 Räjähtäneen ilotulitteen palasista ei saa enää rakennettua alkuperäistä ilotulitetta, pilaantuneesta hedelmästä tuoretta eikä ruosteesta metallista kiiltävää, koska aineille on tapahtunut kemiallinen reaktio. Esimerkiksi puhdas rauta on kiiltävää, kovaa ja harmaata metallia, mutta ruostumisilmiössä muodostuva ruoste himmeää, haurasta ja punertavaa. Näin siksi, että rauta ja ruoste ovat tosiasiassa eri aineita. Aineita kuitenkin yhdistää se, että ruoste muodostuu raudasta. Rauta on ruosteen osa, toisin sanoen ilman rautaa ei olisi ruostettakaan. Kemiallisissa tapahtumissa lähtöaineista muodostuu uusia aineita uusin ominaisuuksin. Kokemuksen perusteella tiedetään ruostumisilmiön hidastuvan, kun runko-osat pidetään puhtaana ja kuivana ja ratas- ja laakeriosat öljyttyinä. Vaikuttaa siltä, että lika ja vesi edistävän ruostumista, kun taas öljy ehkäisee sitä. Metalliosan päällä oleva öljykerros suojaa metallia veden ja lian ruostuttavalta vaikutukselta. Samalla myös ilman ja veden, ja etenkin näissä elementeissä olevan hapen, mahdollisuus aiheuttaa ruostumisilmiötä pienenee. Ruostumisilmiötä voidaan siis käytännön toimin merkittävästi hidastaa. Kaikki luonnon kappaleet ovat jotain ainetta. Aineiden jaottelun havainnollistamiseksi voidaan suorittaa seuraava koe. Sekoitetaan toisiinsa tarkalleen seitsemän teelusikallista mustanharmaata rautajauhetta ja neljä teelusikallista keltaista rikkiä. Huolellisen sekoittamisen jälkeen seos näyttää yhtenäiseltä, mutta mikroskoopilla tarkasteltaessa rauta- ja rikkihiukkaset voidaan kuitenkin nähdä toisistaan erillisinä kappaleina. Sekoitettaessa aineiden ominaisuudet eivät vielä muuttuneet, joten rauta voitaisiin niin haluttaessa erottaa muusta seoksesta magneetilla. Koetta jatketaan kuumentamalla seosta posliiniastiassa, kunnes se alkaa hehkua punaisena. Jäähtynyt tuote on harmaata, ei tartu magneettiin, eikä rautaa ja rikkiä voida enää erottaa toisistaan parhaallakaan mikroskoopilla. Aine on täysin tasalaatuinen. Aineille on tapahtunut kemiallinen reaktio, jossa raudasta ja rikistä on muodostunut uutta ainetta uusin ominaisuuksin. Reaktiossa on muodostunut raudan ja rikin yhdiste, rautasulfidi FeS. Rautasulfidilla on omat ominaisuutensa, eikä rautasulfidin palauttaminen raudaksi ja rikiksi onnistu suodattamalla, tislaamalla, uuttamalla tai monella muullakaan arkimenetelmällä. Edes aineen murskaaminen pientäkin pienemmäksi hiukkasiksi ei saa niitä erottumaan toisistaan. Rikkisulfidin jakaminen alkuperäisiin aineosiin mahdollistuu vain sellaisin keinoin, jotka edellyttävät uuden kemiallisen tapahtuman. Kemiallisissa tapahtumissa aineen koostumuksessa ja sen rakenteessa tapahtuu muutoksia. Ensimmäinen edellytys kemialliselle tapahtumalle on se, että reagoivien aineiden atomit pääsevät riittävän lähelle toisiaan. Toiseksi kemiallisen muutoksen tulee olla lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden koostumukseen ja rakenteeseen liittyvien energioiden kannalta suotuisaa. Joissain tilanteissa aineet voidaan pakottaa reagoimaan toistensa kanssa, mutta näin muodostunut yhdiste on yleensä epävakaa ja hajoaa helposti lähtöaineikseen. 4

5 3. Kemiallisiin tapahtumiin liittyy usein valo- ja lämpöilmiöitä Ihminen on oppinut hyödyntämään kemiallisia reaktioita. Puun, öljyn ja maakaasun palaminen ovat kemiallisia tapahtumia, jotka tuottavat runsaasti energiaa valona ja lämpönä. Raudan ja rikin sekoittamisessa ei havaita lämpöilmiöitä, jollei hankauksesta aiheutuvaa lämmön muodostumista oteta huomioon. Kun koetta jatketaan kuumentamalla seosta posliiniastiassa, huomataan sen alkavan hehkua punaisena. Hehkuminen kuitenkin jatkuu, vaikka lämmittäminen lopetetaan. Tämä johtuu siitä, että rautasulfidin muodostuessa vapautuu energiaa lämpönä ja valona. Punahehkuisen reaktioseoksen lämpötila vastaa nuotion hiilloksen lämpötilaa. Toisinaan kemiallinen tapahtuma vaatii alituiseen lämmittämistä. Karamellin valmistaminen sokerista ja kermasta vaatii seoksen lämmittämistä koko muodostumisen ajan. Karamellin muodostuminen on lämpöenergiaa kuluttava tapahtuma. Monet ruoka-aineiden valmistamisen tapahtumat ovat tällaisia, kuten kypsentäminen, keittäminen ja paistaminen. Kemiallisten tapahtumien lämpöilmiöiden taustalla on kaksi toisiinsa liittyvää tapahtumaa, joiden erotuksesta selviää lämpeneekö vai jäähtyykö ympäristö. Mikäli lähtöaineiden atomien välisten sidosten pilkkomisessa vapautuu enemmän energiaa, kuin uusien sidosten muodostamisessa tarvitaan, kokonaismuutoksena ympäristön havaitaan lämpenevän. Mikäli lähtöaineiden atomien välisten sidosten katkaisemiseen kuluu enemmän energiaa, kuin uusien sidosten muodostumisessa vapautuu, niin kokonaismuutoksena ympäristön havaitaan viilenevän. Kemiallisiin tapahtumiin liittyy valoilmiöitä joko niin, että energiaa vapautuu valona, tai niin, että kemiallinen tapahtuma tarvitsee valoa tapahtuakseen. Jälkimmäisenä mainitut valokemialliset tapahtumat ovat sähköisten ilmiöiden ohella kaikkein tärkeimpiä luonnon tapahtumista. Esimerkkejä valokemiallisista tapahtumista ovat hapen muuttuminen otsoniksi, joka suojaa eliöitä liialliselta ultraviolettisäteilyltä, ja kasveissa tapahtuva yhteyttäminen, jossa ihmisille ja eläimille muodostuu ravintoa. Ilman auringon valoa ja yläilmakehän otsoninmuodostusreaktiota maapallo muistuttaisi lähinnä elotonta ki- 5

6 vipalloa. Toisaalta valokuvan muodostuminen kameran filmille on kaikessa arkisuudessaan monimutkainen valokemiallinen tapahtuma. Kemiallisiin tapahtumiin liittyy valo- ja lämpöilmiöitä. 6