HIUSTEN KEMIAA Kemian opetuksen keskus KOHDERYHMÄ: Työ soveltuu yläkouluun ja lukioon esimerkiksi happo-emäskemian yhteyteen. Lukiossa eritysesti kurssille KE5. KESTO: Kokonaiskesto n. 3h. Osa I 30 45 minuuttia oheisteoriasta, keskustelusta ja tutkittavien tuotteiden määrästä riippuen. Osa II 45 75 minuuttia riippuen siitä, onko hiusnäytteet ja testiliuokset tehty valmiiksi, vai tehdäänkö ne itse, käytetäänkö hiustenkuivaajaa jne. Osa III voidaan tehdä samaan aikaan kuin osa II, yksittäisesti tehtynä sen kesto on noin 45 75 min. TAVOITE: Osien I ja II tavoitteena on tutustuttaa oppilaat ph:n sekä happamuuden ja emäksisyyden käsitteisiin oppilaille tuttuja ja arkipäiväisiä tuotteita tutkimalla. Kun oppilaat osaavat yhdistää arjen asioita kemiaan he paitsi innostuvat kemiasta, myös parantavat tieteellistä lukutaitoaan (tuotepakkaukset) ja valmiuksiaan toimia tiedostavina kuluttajina (tuotteiden valinta ja siihen liittyvät kriteerit). Osan III tavoitteena on perehtyä syvemmälle hiuksen rakenteeseen ja tutkia rakennetta koossa pitäviä sidoksia sekä näiden sidoksien muokkaamista. MOTIVAATIO: Millaisia aineita sampoot ovat? Mitä erilaiset käsittelyt tekevät hiusten rakenteelle? AVAINSANAT: Happamuus Emäksisyys ph Tensidit Pakkausmerkinnät Kuluttajatietous Aminohapot Rikkisillat OSA I Sampoon päätavoite on pestä hiukset ja päänahka puhtaaksi hiestä, liasta, rasvasta sekä hoitoaineiden ja muotoilutuotteiden jäämistä. Pestävien hiusten pinta-ala on 4-8 m 2. Pesun hoitavat pinta-aktiiviset, puhdistavat aineet eli tensidit. Tensidimolekyylin toinen pää on rasvaliukoinen ja toinen vesiliukoinen. Kun sampoossa olevat tensidit joutuvat rasvaisten hiusten ja veden kanssa tekemisiin, seuraa ilmiö, jossa tensidimolekyylit saartavat rasvan ja lian muodostaen misellejä niiden ympärille, jolloin rasva irtoaa hiuksesta. Misellit syntyvät, kun tensidimolekyylin rasvaliukoiset päät asettuvat toinen toisensa viereen rasvan ja lian suuntaisesti (kuvassa näkyvät keltaiset osiot) ja vesiliukoiset päät veden suuntaan (kuvassa näkyvät valkoiset pallot). Tensidimolekyylien avulla lika ja rasva saadaan irtoamaan. Muodostuneet misellit sitovat rasvan ja lian sisäänsä kuljettaen ne virtaavan veden mukana viemäriin.
Samalla tavalla toimivat myös suihkugeelien sisältämät tensidit. Puhdistavien ominaisuuksiensa lisäksi tensidit muodostavat vaahtoa sekä stabiloivat tuotteen rakennetta ja parantavat viskositeettia. Sampoilla on puhdistavien ominaisuuksiensa muitakin funktioita. Sampoisiin voidaan lisätä hiuksia hoitavia aineita tai johonkin iho-ongelmaan, kuten hilseeseen vaikuttavia aineita. Koska sampoon koostumuksesta suurin osa on herkästi pilaantuvaa vettä, tarvitaan myös säilöntäaineita. Näitä ovat esimerkiksi Methylisothiazolinone, Imidazolidinyl urea, DMDM hydantoin, Methylparaben tai Phenoxyethanol. Jotta sampoon koostumus olisi miellyttävä, eikä tuotetta valuisi pesussa hukkaan, lisätään tuotteeseen myös koostumukseen vaikuttavia, paksuntavia aineita. Lisäksi sampoon ph:n tulee olla sopiva (yleensä hieman hapan, kuten hiuksetkin). Lisäarvoa sampoille tuovat väriaineet, hajusteet ja helmiäiset. Oletko koskaan miettinyt, miksi toisella sampoolla tulee natisevan karheat hiukset ja toisella liukkaat ja pehmeät? TARVIKKEET JA REAGENSSIT: Kotoa tuotuja/opettajan tuomia sampoita ph paperia (tai ph mittareita) hanavettä TYÖN KULKU: Tutustu ryhmän kanssa saamiinne sampoopakkauksiin. Minkälaista sampoota pakkaus mainoksen mukaan sisältää? Tutustu sampoon ainesosaluetteloon (INCI). Kirjoita sampoon lupaus ja INCI listan aineet jotka tunnistat taulukkoon. Ensimmäisenä listalla on todennäköisesti nimi Aqua eli vesi, koska sitä on tuotteessa eniten. Tiesitkö, että sampoosta yli 80 % on vettä, johon muut sampoon raaka-aineet liuotetaan. Kaikki, sampoossa käytettävät raaka-aineet pitää nimetä ainesosaluetteloon eli INCI luetteloon. Ainesosien nimet ovat kaikkialla maailmassa samoja, tieteellisiä, INCI -nimiä. Siksi sampoopullossa ei lue aineiden nimiä suomeksi. Esimerkiksi vehnäproteiini on INCI nimeltään Triticum vulgare protein.
Tutki sampoota tarkemmin kaatamalla sitä hieman kämmenellesi. Miltä sampoo näyttää ja tuoksuu? Kaada kämmenelle hieman vettä ja vaahdota sampoota. Minkälaista vaahtoa syntyy? Kirjaa sampoon ominaisuuksia taulukkoon. Mittaa eri sampoiden ph:t ph-paperilla ja kirjaa ne ylös. Mittaa lopuksi hanaveden ph ja kirjaa sekin ylös. Sampoon nimi Mitä pakkauksessa kerrotaan sampoosta? Mitä tuttuja aineita löysit INCI:stä? Ominaisuudet (paksuus, vaahtoavuus, väri, tuoksu jne.) ph Hanaveden ph:
KYSYMYKSIÄ Laske mittaamiesi sampoiden ph:n keskiarvo: Olivatko sampoot happamia vai emäksisiä? Poikkesiko joku tuote selvästi muista koostumukseltaan tai ph -arvoltaan? Mikäli vastasit kyllä, mikä tähän poikkeamaan voisi olla syynä? Miten hanaveden ph poikkesi sampoiden ph arvoista? Jos olisit kemisti ja suunnittelisit uutta sampoota, olisiko sampoon ph:lla mielestäsi merkitystä? Jos olisi, niin miksi? Miten voisit muuttaa sampoon ph:ta happamammaksi tai emäksisemmäksi?
OSA II Joskus on saattanut käydä niin, että kemiallisen käsittelyn tai pesun jälkeen hiuksista on tullut oudon tuntuiset. Hiukset voivat olla ihan lässähtäneet, todella kuohkeat, pörröiset, sileät tai vaikka karheat. Mikäli teit osan I, huomasit varmaan, että monilla sampoilla on samankaltainen ph. Tässä työssä tutkitaan, miten happamat ja emäksiset olosuhteet vaikuttavat hiuksen rakenteeseen. TARVIKKEET JA REAGENSSIT 5 n. 10 cm pituista, pikkusormen paksuista hiustupsua. Teippiä, jolla saa hiustupsun sidottua toisesta päästä 4 pientä keitinlasia liuokset, joiden ph arvot ovat 2, 6, 10 ja 12. Yksi ryhmä tarvitsee noin 20 ml liuosta/hiusnäyte hanavettä hiustenkuivaaja mikroskooppi tai suurennuslasi kello TYÖNKULKU Ota viisi kappaletta 10 senttimetrin pituista, noin pikkusormen paksuista hiustupsua. Huom. Vertailtavuuden vuoksi olisi hyvä jos kunkin ryhmän testikappaleet olisivat samoista hiuksista. Sido jokainen hiustupsu teipillä toisesta päästään. Merkitse hiustupsut kirjoittamalla teippeihin: Käsittelemätön, ph 2, ph 6, ph 10 ja ph 12. Jätä toinen pää vapaaksi. Merkitse keitinlasien ulkopuolelle ph 2, ph 6, ph 10 ja ph 12. Kaada kuhunkin astiaan 20 millilitraa sopivaa liuosta. Kasta kullekin ph liuokselle tarkoitetut hiustupsut sopiviin liuoksiin ja jätä vaikuttamaan 10 minuutin ajaksi.
Tutki sillä aikaa käsittämättömien hiusten rakennetta. Tunnustele hiuksen pintaa. Kirjoita havaintosi kustakin hiustukosta oheiseen taulukkoon. Laita hius kahden sormen väliin ja venytä varovasti. Voit mitata venyvyyttä myös viivoittimen avulla. o Terve hius venyy noin 30 %. Epäterve hius venyy vain vähän tai ei ollenkaan. Hyvin vahingoittunut hius katkeaa. Jos käytössäsi on mikroskooppi, tutki hiuksen rakennetta sen avulla. Voit tarkastella hiusta myös suurennuslasilla. Kirjaa havaintosi oheiseen taulukkoon. Ota hiustupsut pois liuoksesta ja huuhtele ne vedellä huolellisesti tiskialtaan tai ison astian päällä. Voit antaa hiustupsujen kuivua seuraavaan kertaan esimerkiksi paperin päällä tai nopeuttaa kuivaamista hiustenkuivaajan avulla. Varo polttamasta sormiasi ja pidä hiustenkuivaaja kaukana vesipisteestä! Tutki käsittelyjen vaikutus hiuksiin kuten tutkin käsittelemättömiä hiuksia. ph käsittelemätön hius Hiuksen rakenne (karhea, kova, pehmeä ) Venyvyys Mikroskooppinen rakenne (piirrä) 2 6 10 12
KYSYMYKSIÄ: Mikä testattavista hiustupsuista tuntui karheimmalta ja kovimmalta? Mikä ph vaikuttaisi kaikkein parhaimmalta hiuksen rakenteen kannalta? Mitkä muut tekijät vaikuttavat siihen, minkälaiset hiuksista tulee käsittelyn jälkeen? Miten hiustuotteiden kemiallisten ominaisuuksien ymmärtäminen voi auttaa tuotteiden suunnittelussa ja valmistuksessa? Vastauksia: Kokeen onnistuminen riippuu hiusnäytteestä ja olosuhteista. Mitä tarkemmin ohjeita on noudatettu, sitä todennäköisemmin tulokset ovat seuraavan laiset: ph 2: Hiustupsu tuntuu pehmeältä, mutta joustamattomalta. Hiukset katkeilevat jonkin verran ph 6: Hiustupsu tuntuu pehmeältä ja joustavalta, eikä katkeile helposti ph 10: Hiustupsu tuntuu karhealta ja katkeilee suhteellisen helposti ph 12: Hiustupsu tuntuu erittäin karhealta ja katkeilee todella helposti Moni asia vaikuttaa siihen, miten tuotteet ja käsittelyt vaikuttavat hiuksiin. Tuotteen ph:lla on suuri merkitys siihen, tuleeko hiuksista karheat vai sileät ja pehmeät. Hiuksen pinta koostuu keratiinilevyistä, jotka ovat kiinni toistensa lomissa muistuttaen hieman kalansuomuja. Emäksinen liuos avaa hiussuomuja tehden hiuksista karheat ja kiillottomat. Hapan liuos taas sulkee hiussuomuja tehden hiuksista sileämmän tuntuiset. Siksi useimmat
hiustuotteet ovat hieman happamia. Tuotteet eivät kuitenkaan voi olla liian happamia, koska silloin hiuksen rakenne rikkoutuu. Myös hiuksen oma rakenne vaikuttaa lopputulokseen: toisten hiukset ovat luonnostaan ohuet ja hennot, toisten taas paksut ja karheat. Talirauhasista erittyvä tali suojelee ja voitelee hiuksia tehden niistä joustavammat. Mitä enemmän hiuksia käsitellään (kampaaminen, föönaaminen, värjäys, pesut ym.), sitä enemmän ne kuluvat. Hius on kuollutta ainetta, joten tuotteilla voidaan vaikuttaa ainoastaan tilapäisesti hiuksen rakenteeseen. Hiustuotteita valmistavat kemistit pyrkivät tekemään tuotteita, jotka saavat hiukset pehmeiksi, kiiltäviksi ja helposti kammattaviksi. He käyttävät tutkimuksissaan muun muassa samankaltaisia hiustupsuja, joita käytit äsken tässä työssä.
OSA III Proteiinit ovat isoja molekyylejä, jotka muodostuvat, kun useat eri aminohapot järjestyvät pitkäksi ketjuksi. Aminohappojen väliset vetovoimat vääntävät ketjun tiettyyn kolmiulotteiseen muotoon. Hiusten tärkeä rakenneaine on keratiini -niminen proteiini. Keratiini ei liukene veteen, mutta se pystyy sitomaan vettä, jolloin hius turpoaa ja pehmenee. Keratiini rakentuu erilaisista aminohapoista. Yksi näistä aminohapoista on kysteiini. Kysteiini sisältää rikkiä ja muodostaa toisten kysteiinimolekyylien välille rikkisiltoja. Rikkisiltojen muokkaamisella voidaan vaikuttaa hiuksen muotoon. Permanenttiaineiden käyttö perustuu rikkisiltojen katkaisuun ja uudelleenmuokkaamiseen. Kysteiini Kahden kysteiinin välinen sidos Ennen permanenttia hius kastellaan. Kastelu saa aikaan vetysidosten katkeamista. Märkä hius käsitellään emäksisellä permanenttiaineella. Emäs, kuten esimerkiksi ammoniakki saa hiuksen pinnan karheammaksi, jolloin varsinainen permanenttiaine pääsee vaikuttamaan ja rikkisillat alkavat katkeilla. Tiesitkö, että permanenttiaineet, joista yleisin on Ammonium tioglykolaatti (INCI pakkauksessa: Ammonium thioglycolate), ovat samoja, joita käytetään ihokarvojenpoistoaineissa? Ihokarvojen katkeaminen perustuu tarpeeksi vahvaan konsentraatioon ja sopivanpituiseen vaikutusaikaan. Mitä mahtaisikaan tapahtua, jos permanenttiaine olisi liian kauan hiuksissa? Permanenttiaine levitetään yleensä rullattuihin hiuksiin. Kampaaja käy välillä tarkistamassa, että kiharasta tulee sopiva, eikä aine vaikuta liian kauan. Vaikutusajan loputtua hius kastellaan. Vesihuuhtelun avulla hiuksen emäksisyys ja rikkisiltojen katkeamisprosessi vähenee. Jotta kiharasta saadaan pysyvä, hius täytyy vielä huolellisesti huuhdella happamalla, hapetetta sisältävällä liuoksella. Hapetteena käytettävän vetyperoksidin (INCI
pakkauksessa: Hydrogen peroxide) avulla rikkisillat muodostuvat uusiin paikkoihin. Hapan liuos vähentää hiuksen karheutta ja pinnasta tulee sileän tuntuinen. Permanentin jokaisessa vaiheessa on noudatettava äärimmäistä huolellisuutta. Siksi permanentti tulee aina tehdä pakkauksessa olevan, valmistajan antaman ohjeen mukaan. Permanentti- ja kiinniteaineiden konsentraatio, vaikutusaika ja hiusten kunto vaikuttavat siihen, millainen kiharasta tulee. Ammoniumtioglykolaatti Vetyperoksidi Myös veden ja lämmön avulla on mahdollista saada hius kiharalle. Hiuksen tilapäinen kihartuminen perustuu hiuksessa olevien vetysidosten katkeamiseen ja uudelleenmuodostumiseen. Koska vetysidokset ovat heikkoja sidoksia, kampaus ei kestä kovinkaan kauaa. POHDITTAVAKSI ENNEN TYÖTÄ Miten luulet permanenttiaineen vaikuttavan hiuksen rakenteeseen? Entä kuntoon? Ovatko permanenttiaineet happamia, emäksisiä vai neutraaleja?
REAGENSSIT permanenttiainetta hapetusainetta ph paperia tislattua vettä TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Käytä suojahanskoja, -laseja ja takkia! Permanentti ja hapetusaineen käytössä pitää käyttää varovaisuutta. Kemian opetuksen keskus TARVIKKEET (/pari tai ryhmä) Huuhtele kaikki roiskeet heti runsaalla vedellä! Tarvittaessa lääkäriin! 3 hiustupsua, mielellään samoista hiuksista (pikkurillin paksuisia n.10 cm pitkiä) 2 kapeaa puutikkua tai papiljottia (mahduttava koeputkeen) kumirenkaita 4 pientä koeputkea ja koeputkiteline kello viivoitin mikroskooppi tai suurennuslasi hiustenkuivaaja tai vetokaappi TYÖN SUORITUS Nimeä puutikut kirjaimin A+C, B+D. Kieritä hiustupsu puutikun ympäri ja kiinnitä se kumirenkaalla puutikkuun. Laita koeputkiin seuraavat liuokset ja merkitse sisältö putkeen. A. permanenttiliuos B. permanenttiliuos C. hapetinliuos D. hapetinliuos Laita putkiin A ja B yksi hiustupsu puutikkuineen. Pidä näytettä putkissa 10 minuuttia. Tutki sillä aikaa käsittelemättömien hiusten rakennetta. Tunnustele hiuksen pintaa. Kirjoita havaintosi kustakin hiusnäytteestä oheiseen taulukkoon.
Laita hius kahden sormen väliin ja venytä varovasti. Voit mitata venyvyyttä myös viivoittimen avulla. o Terve hius venyy noin. 30 %. Epäterve hius venyy vain vähän tai ei ollenkaan. Hyvin vahingoittunut hius katkeaa. Jos käytössäsi on mikroskooppi, tutki hiuksen rakennetta sen avulla. Voit tarkastella hiusta myös suurennuslasilla. Kirjaa havaintosi oheiseen taulukkoon. Huuhtele näytettä A hyvin juoksevan veden alla. Laita hiusnäyte tämän jälkeen 5 minuutiksi putkeen C. Siirrä hiusnäyte B suoraan putkeen D ilman huuhtelua välissä. Poista näytteet liuoksista ja huuhtele niitä juoksevan vesiliuoksen alla. Ota tikusta kaksi hiusta ja tutki märkien hiusten rakennetta kuten ennen käsittelyä. Kuivaa varovasti näytteitä hiustenkuivaajalla. Poista lähes kuivat tai kuivat hiusnäytteet tikuistaan. Merkitse oheiseen taulukkoon hiusten ominaisuudet. Käsittelemätön hius Hiuksen rakenne (kihara, suora, sileä, väri ) A+C huuhtelu käsittelyjen välissä B+D ilman huuhtelua Hiusten venyvyys Hiusten rakenne mikroskoopilla Märkä hius käsittelyn jälkeen Hiuksen rakenne Hiusten venytys Hiusten rakenne mikroskoopilla
Kuiva hius käsittelyn jälkeen Hiusten rakenne Hiusten venytys Hiusten rakenne mikroskoopilla KYSYMYKSIÄ Miten hiusten huuhtelu vedellä permanentin eri vaiheissa vaikuttaa permanentin onnistumiseen tekemäsi tutkimuksen perusteella? Miksi märkä hius venyy kuin kuminauha, mutta kuiva ei? Yksittäinen hius on vahvaa tekoa ja pystyy kannattelemaan jopa 100 gramman painon. Hiuksen vahva rakenne ja yksilöllinen muoto syntyy, kun keratiinisidosten ja rikkiä sisältävien kysteiinimolekyylien välille syntyy kovalenttisia disulfidisidoksia, joita myös rikkisilloksi kutsutaan. Hiuksissa olevien molekyylien välillä on myös kovalenttisia sidoksia heikompia voimia, kuten vetysidoksia. Vahvat rikkisillat tarvitsevat katketakseen vähintään permanenttiaineen, mutta vetysidos katkeaa pelkällä vedellä! Aina, kun kastelet hiuksesi, sen rakenne muuttuu venyvämmäksi juuri vetysidosten katkeamisen takia. Tiesitkö, että hiuksella on erinomainen kyky imeä vettä eli hius on hygroskooppinen. Tätä ominaisuutta voidaan käyttää hyväksi ilmankosteusmittareissa, joiden toiminta perustuu hiuksen rakenteen venymiseen ja kutistumiseen ilmassa olevasta kosteuspitoisuudesta riippuen. LÄHTEET JA LISÄLUETTAVAA: Päivi Kousa, Pro Gradu tutkielma: Kosmetiikan kemia kontekstuaalisen oppimisen apuvälineenä. http://www.kosmetiikankemiaa.com Lampiselkä, J., Sorjonen, T., Vakkilainen, K-M., Aroluoma, I., Kanerva, K., Karkela, L., Mäkelä, R. 2006. Kemisti 4: Metallit ja materiaalit. Helsinki: Werner Söderström osakeyhtiö.