Stipendiaattityöt Jyväskylän yliopiston kemian laitos Juha Siitonen 14. Elokuuta 2011 Alkuaineita jos tunne sä et Niiden kykyjä vähättelet minaisuudet peittelet Turha sun on koittaa Sieluja voittaa Goethe Faust
1 Alkuaineet, yhdisteet ja reaktio Maailmassa on monenlaisia aineita. Tarkastellaan esimerkiksi hiiltä, kultaa ja elohopeaa. Niillä kaikilla on täysin erilaiset ominaisuudet: iili on mustaa, muodostaa palessaan hiilidioksidia ja murtuu herkästi, kulta on kellertävää, ei reagoi juuri minkään aineen kanssa ja heijastaa valoa, elohopea on nestemäistä ja laajenee runsaasti lämmetessään. n järkevää esittää seuraava kysymys: Voidaanko aineesta löytää pienin osanen, jolla on yhä alkuperäisen aineen ominaisuudet? Vastaus tähän kysymykseen on kyllä. Tämä pienin osanen on atomi. Esimerkiksi hiiliatomi voidaan tosin jakaa pienempiin osasiin (elektroneihin, protoneihin ja neutroneihin), mutta tällöin menetetään hiilen ominaisuudet. Jokainen aine, joka koostuu vain yhden aineen atomeista on määritelmän mukaisesti alkuaine. Vesi, kuten tiedämme, ei ole alkuaine vaan koostuu kahdesta eri alkuaineesta hapesta ja vedystä. Koska kemistit ovat laiskoja alkuaineiden nimien sijasta käytetään yleisesti lyhenteitä. Esimerkiksi vety on ja happi. Lisäksi kemistit tapaavat kuvata eri alkuaineiden atomeja erivärisillä palloilla. Atomit eivät todellisuudessa ole värillisiä palloja, mutta värillisten pallojen malli helpottaa ja yksinkertaistaa kemiallisten ilmiöiden esittämistä. Aineita jotka muodostuvat kun eri alkuaineiden atomit liittyvät toisiinsa kutsutaan yhdisteiksi. Vesi ( 2 ) on siis yhdiste, samoin hiilidioksidi ( 2 ). Yhdisteitä voi muodostua reaktioissa. Reaktiot ovat tapahtumia joissa atomit vaihtavat paikkaa. iilen palaminen, eli yhtyminen happeen, hiilidioksidiksi on yksinkertainen reaktio. Se voidaan esittää seuraavasti pallomallilla, jossa atomipallojen sisään on kirjoitettu alkuaineen kemiallinen merkki. + iili appi iilidioksidi Kuva 1: iilidioksidin palaminen Näemme hiiliatomin livahtaneen happiatomien väliin. Atomit ovat vaihtaneet paikkaa ja reaktio on tapahtunut. Reaktiolle on tyypillistä lähtötilanteen ja lopputuloksen suuri ero. iili on mustaa kiinteää ainetta, happi taasen vapaana leijailevaa kaasua joka ylläpitää palamista. Ne yhtyvät ja muodostavat hiilidioksidia joka on raskas, palamisen tukahduttava kaasu. 1
2 Kupari, u Kupari on tunnettu yli 5000 vuotta ja se on epäilemättä ensimmäinen metalli, jonka ihminen on ottanut käyttöönsä. Sitä on käytetty muinaisina aikoina aseiden ja työkalujen valmistamiseen. Pehmeän kuparin syrjäytti kuitenkin pronssi, joka on kuparin ja tinan seos eli leejerinki. Tämä merkittävä leejerinki antoi nimensä ihmiskunnan historiassa kaksituhatvuotiselle ajanjaksolle, Pronssiajalle. Nykyisessä maailmassamme kuparin asema on yhä korvaamaton, sillä kupari johtaa erittäin hyvin sähköä. Elektroniset laitteet sekä talojen kaapeloinnit sisältävät poikkeuksetta kuparia. Tärkein kupariyhdiste on kuparisulfaatti, us 4 5 2, kuten melkein kaikki muutkin kupariyhdisteet on kiteinen sininen aine. Kuparisulfaatti muodostaa suuria, kauniita kiteitä, jotka tässä tapauksessa kiteytyvät mukanaan viisi kappaletta vesimolekyylejä. Kuparisulfaatti on veteen runsasliukoista ja liukenee lämpimään veteen paremmin kuin useat muut suolat. Ilmassa kupari peittyy kuparikarbonaatilla, u 3, jota muodostuu veden tai vesihöyryn ja hiilidioksidin vaikuttaessa siihen samanaikaisesti. Kuparikarbonaattia kuumennettaessa hajoaa se muodostaen mustaa kuparioksidia u. 2.1 Kuparioksidin valmistaminen Mitataan mittalasilla 20 ml vettä 100 ml keitinlasiin. Lisätään veteen yksi reagenssilusikallinen kuparisulfaattia us 4 ja sekoitetaan liuosta lasisauvalla kunnes kaikki kiteet ovat liuenneet. Lisätään liuokseen pienissä erissä kaksi reagenssilusikallista natriumvetykarbonaattia Na 3 ja sekoitetaan lasisauvalla kunnes seos ei enää kupli. Muodostuvat kuplat ovat hiilidioksidia 2. Veteen niukkaliukoinen vaaleansininen kuparikarbonaatti saostuu keitinlasin pohjalle. Suorittamaasi reaktiota voidaan kuvata molekyylimallien avulla seuraavasti: u S + 2 Na u + Na S Na + + Kuparisulfaatti Natriumvetykarbonaatti Kuparikarbonaatti Natriumsulfaatti iilidioksidi Vesi Kuva 2: Kuparikarbonaatin muodostuminen Asetetaan suppilo erlenmeyerpullon päälle ja suppilon sisään suodatinpaperi. Katso mallia laitteiston rakenteesta seuraavalta sivulta! Kaadetaan keitinlasissa oleva seos suodattimelle. Neste valuu suodatinpaperin läpi erlenmeyerpulloon ja kiinteä kuparikarbonaatti jää suodatinpaperille. dotetaan kunnes suurin osa nesteestä on valunut erlenmeyerpulloon. 2
Kuva 3: Suodatuslaitteisto Siirretään yksi reagenssilusikallinen suodatinpaperille jäänyttä kuparikarbonaattia upokkaaseen. Asetetaan upokas kolmijalan päälle tuettuun kipsikolmioon. Katso mallia laitteiston rakenteesta alla olevasta kuvasta! Avataan kaasupolttimen hana, sytytettään liekki ja siirretään kaasupoltin upokkaan alapuolelle. Kuumennetaan kuparikarbonaattia kaasupolttimella kunnes se on muuttunut mustaksi. Kuva 4: ehkuttaminen upokkaassa Kuparikarbonaatti hajoaa kuumennettaessa kuparioksidiksi ja hiilidioksidiksi, tätä voidaan kuvata jälleen molekyylimallien avulla: Kuparisulfaatin sisältämä kupari siirtyi ensin kuparikarbonaattiin ja siitä edelleen muodostuneeseen yhdisteeseen, kuparioksidiin. lemme siis onnistuneesti valmistaneet kaksi uutta kemiallista yhdistettä! 3
u u + Kuparikarbonaatti Kuparioksidi iilidioksidi Kuva 5: Kuparikarbonaatin hajoaminen 3 Esterit Esterit kuuluvat hiilen muodostamien yhdisteiden käsittämättömän laajaan ryhmään, joita kutsutaan orgaanisiksi yhdisteiksi. rgaanisia yhdisteitä tunnetaan nykyisin jo yli 18 miljoonaa. Esterit ovat erityisesti luonnosta löytyviä kemiallisia yhdisteitä. Ne antavat hedelmille miellyttävän tuoksun, toimivat feromoneina, osallistuvat DNA:n rakentumiseen sekä moniin muihin tuttuihin toimintoihin. Eräät esterit, kuten nitroglyseriini, ovat räjähteitä ja toiset, kuten polyesterit, taasen käyttömuoveja. N N N Nitroglyseriini avupuiden tuoksuinen metyylisalisylaatti Kuva 6: Eräiden estereiden kemiallisia rakenteita Samaan tapaan kuin kuparin yhdisteitä voitiin valmistaa, voidaan kemiallisesti valmistaa myös elävän luonnon yhdisteitä kuten estereitä. 3.1 Metyylisalisylaatin valmistaminen Siirrä pyörökolviin valmiiksi punnittu 2 gramman määrä salisyylihappoa koeputkesta, johon on kirjoitettu "SALISYYLIAPP". Pipetoi pullosta jossa lukee "METANLI"metanolia mittalasiin 10 millilitraa. Määrä voidaan tarkistaa vertaamalla nestepinnan tasoa mittalasin kyljessä olevaan asteikkoon. Kaada metanoli pyörökolviin jossa salisyylihappo on. Ilmoita tässä vaiheessa ohjaajalle tarvitsevasi väkevää rikkihappoa. Tämä kemikaali on erittäin voimakkaasti syövyttävää ja myrkyllistä, joten ohjaaja annostelee sitä pyörökolviisi 2 millilitraa. Lisää tämän jälkeen pyörökolviin kaksi kiehumakiveä koeputkesta "KIEUMAKIVET", ne estävät seoksen roiskumisen kuumennettaessa. 4
Tarvittavat aineet ovat nyt sekoitettu seuraavaksi rakennetaan laitteisto kokeen suorittamista varten. Katso mallia laitteiston rakenteesta seuraavalta sivulta! Asetetaan pyörökolvi lämpöhauteeseen ja kiinnitetään se kouralla statiiviin. Asetetaan pyörökolviin Allihn-jäähdytin, jäähdyttimen pää asettuu suoraan pyörökolvin suuosaan tiiviisti. Laitetaan Allihn-jäähdyttimen sivussa oleviin lasiputkiin kiinni kumiletkut. Kytketään alempaan lasiputkeen yhdistetty kumiletku laboratoriopöydän keskellä olevaan vesihanaan ja ylempi letku jätetään laboratoriopöydän keskellä olevaan viemäriin. Avataan hanaa varoen niin, että Allihn-jäähdyttimen läpi kulkee tasainen vesivirtaus. Kuva 7: Laitteiston rakenne, Alhaalta ylös: Lämpöhaude, pyörökolvi, koura, jäähdytin, koura. Kourat ovat kiinnitettyinä taustalla näkyvään statiiviin. Jäähdyttimen sivuilta lähtevät vesiletkut. Laitetaan lämpöhaude päälle ja asetetaan säädin noin asteikon puoleen väliin. Annetaan seoksen reagoida ruokailun ajan. Tällöin tapahtuu seuraava reaktio, jossa metanoli ja salisyylihappo liittyvät toisiinsa. Rikkihappoa ei tässä mallissa nähdä, sillä se vain nopeuttaa reaktiota muuttumatta itse kemiallisesti. Sammutetaan lämpöhaude ja nostetaan kolvi jäähdyttimineen pois lämpöhauteesta. Annetaan kolvin jäähtyä huoneen lämpötilaan. Jäähtymistä odottaessa mittaa mittalasiin 30 millilitraa vettä. Kaada mittaamasi vesi isoon keitinlasiin ja kaada tämän jälkeen kolvin sisältö 5
Salisyylihappo + + Metanoli Metyylisalisylaatti Vesi Kuva 8: Metyylisalisylaatin valmistaminen varovasti veden sekaan. aistele varovasti muodostunutta esteriä, miltä se tuoksuu? Muodostuneen esterin molekyylirakenteen näet kappaleen alussa olevassa kuvassa. 4 Lopuksi Pese kaikki käyttämäsi astiat vedellä ja tiskiaineella. Nestemäisen jätteen voi huuhdella viemäristä alas, kiinteä jäte voidaan laittaa roskikseen. uuhtele astiat huolellisesti ja jätä kuivumaan laboratoriopöytien päissä oleviin telineisiin. Mikäli haluat, voit ottaa valmistamiasi kupariyhdisteitä mukaan kotiin. Tätä varten labortoriossa on pieniä muovisia koeputkia. Kuparikarbonaatti reagoi esimerkiksi väkiviinaetikan kanssa muodostaen kupariasetaattia... 6