Kemian menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Aineiden ominaisuudet

Kemian menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Aineiden ominaisuudet ISBN: Jarkko Lampiselkä, Kirsi Agge, Jari Lavonen, Kalle Juuti, Veijo Meisalo, Anniina Mikama Verkkoversio: http://www.edu.helsinki.fi/astel-ope Taitto: Anniina Mikama Kansi: Anniina Mikama Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitos PL 9 00014 Helsingin yliopisto Helsinki 2006 1

SISÄLLYS AINEIDEN OMINAISUUDET 1. Aineiden olomuodot Puhtaat aineet ja seokset Aineiden ominaisuudet Aineiden hyväksikäyttöä ennen ja nyt 4. Kemiallinen yhdiste ja kemikaali Pakkausmerkinnät Vaarallisten aineiden luokittelu Vaarallisten aineiden jätteet Käyttöturvallisuustiedotteet Päihdeaineet Nikotiini Alkoholi Imppaaminen 2. Öljyn jalostus ja muovit Luonnon polymeerejä ja paperin valmistus Maaperä ja metallit Tuotteen elinkaari 3. Aineiden rakenne Kemialliset sidokset Atomin mallit Kemian merkkikieli Jaksollinen järjestelmä Jaksollisen järjestelmän historiaa 2

Kemian ilmiöiden ymmärrystä tarvitaan jokapäiväisessä elämässä ihmisen terveyteen, arkielämään, luontoon, ympäristöön, teknologiaan ja yhteiskuntaan liittyvissä asioissa. Kemia on kokeellinen luonnontiede ja kemiassa tutkitaan ainetta, sen ominaisuuksia ja rakennetta sekä aineiden välisiä reaktioita. Koulussa tehtävät kokeelliset työt auttavat ymmärtämään kemian perusilmiöitä. Kemian teollisuudessa ja tutkimuksessa kehitetään aineita ja materiaaleja sekä menetelmiä, laitteita ja prosesseja turvaamaan ihmisen hyvinvointia ja edistämään kestävää kehitystä. Kemia tutkii aineita ja reaktioita Aine eli materia esiintyy alkuaineina, yhdisteinä ja seoksina, ja se voi olla kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa olomuodossa. Aineet voidaan tunnistaa niille tyypillisien ominaisuuksien perusteella. Väriä ja hajua voidaan käyttää aistinvaraisissa määrityksissä. Aine voidaan tunnistaa esimerkiksi tiheyden perusteella ja sen puhtaus sulamispisteen perusteella. Aineet voivat reagoida keskenään ja muuttua toisiksi aineiksi. Reaktioon osallistuvat aineet eivät siis vain sekoitu keskenään, vaan liittyessään toisiinsa atomit ryhmittyvät uudelleen ja muodostavat uusia kemiallisia sidoksia. Kemiallisten yhdisteiden ominaisuudet poikkeavat usein huomattavasti reaktioon osallistuneiden alkuaineiden ominaisuuksista. Reaktiossa sitoutuu ja vapautuu energiaa, jota sanotaan kemialliseksi energiaksi. Aineiden olomuodot Aineen olomuotoja ovat kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Ionisoitunutta kaasua, jonka atomit ovat menettäneet elektroneja, nimitetään plasmaksi. Aineen olomuoto riippuu aineen lämpötilasta ja paineesta. Vesi höyrystyy, kun sitä lämmitetään kattilassa. Nestekaasu on suuressa paineessa nesteenä ja muuttuu kaasuksi, kun se tulee pois astiasta. 3

Oppilailla voi olla vaikeuksia tunnistaa olomuodonmuutosilmiöitä ja kuvailla tekijöitä, jotka vaikuttavat olomuodonmuutoksiin. Olomuodonmuutoksiin liittyvää kieltä käytetään arkielämässä toisenlaisissa merkityksissä. Voidaan puhua esimerkiksi silmälasien höyrystymisestä pakkasesta sisälle tultaessa. Itse asiassa ilmassa oleva vesihöyry tiivistyy nestemäiseksi vedeksi kylmien lasien pintaan muodostaen pieniä vesipisaroita. Toisaalta sumu saatetaan tulkita vesihöyryksi, mutta tosiasiassa se koostuu suuresta määrästä pieniä vesipisaroita, jotka leijuvat ilmassa. Olomuodon muuttuessa energiaa sitoutuu tai vapautuu Aineen olomuoto ja sen muutos kuvataan aineen rakenneosien avulla Kiinteässä aineessa rakenneyksiköt värähtelevät lähes paikallaan. Suurin osa aineista on huoneen lämpötilassa kiinteässä olomuodossa. Kaikki aineet kiinteytyvät lämpötilan laskiessa riittävän alhaiseksi. Kiinteää ainetta lämmitettäessä rakenneyksiköiden värähtely voimistuu. Tietyssä lämpötilassa värähtely on niin voimakasta, että rakenneyksiköiden säännöllinen rakenne rikkoontuu ja aine sulaa. Nesteessä rakenneyksiköt pystyvät liukumaan toistensa ohi.lämpötilaa, jossa kiinteä aine muuttuu nesteeksi, kutsutaan aineen sulamispisteeksi. Sulavan jään tai jäätyvän veden lämpötila pysyy samana koko olomuodon muutoksen ajan. Kuumennettaessa uudenvuoden tinalle tapahtuu olomuodon muutos kiinteästä nestemäiseksi. Valettava hevosenkenkä on nykyisin pääosin lyijyä ja sisältää vain vähän tinaa. Lyijyn sulamispiste on 328 oc. Sula lyijy jähmettyy takaisin kiinteäksi, kun se kaadetaan vesiastiaan. Valussa käytettävän rautakauhan olomuoto ei muutu, koska raudan sulamispiste on 1535 oc. Lyijy on myrkyllistä ja se kuuluu lajitella ongelmajätteisiin. Valu kannattaa säästää ja käyttää uudelleen seuraavana vuonna. 4

tarkoitetaan sitä, minkälaisista rakenneosista (atomi, ioni tai molekyyli) aine koostuu. Alkuaine koostuu vain yhdenlaisista atomeista. Osa alkuaineista esiintyy kahden atomin yhteenliittyminä, alkuainemolekyyleinä. Tällaisia alkuaineita ovat esimerkiksi happi ja typpi. Tällä hetkellä tunnetaan 115 alkuainetta. Niistä 90 esiintyy luonnossa, loput ovat keinotekoisesti valmistettuja. Ihmisestä suurin osa on happea, hiiltä ja vetyä. Maankuoren yleisimmät alkuaineet ovat pii ja happi. Veden voimakas lämmittäminen johtaa lopulta sen kaasuuntumiseen eli nestemäinen vesi muuttuu vesihöyryksi. Kaasumaisessa olomuodossa aineen rakenneyksiköt liikkuvat vapaasti joka suuntaan. Kiehumispisteeksi kutsutaan lämpötilaa, jossa neste muuttuu kaasuksi. Aineiden sulamis- ja kiehumispisteiden lukuarvoja on koottu taulukkoihin. Aine voidaan tunnistaa sen sulamis- tai kiehumispisteen perusteella. Tunnistuksessa määritetään ensin tutkittavan aineen sulamistai kiehumispiste ja sitä verrataan taulukkoarvoon. Epäpuhtaudet muuttavat aineen sulamispistettä. Puhtaat aineet ja seokset Aineet voidaan luokitella puhtaisiin aineisiin ja seoksiin. Luonnossa aineet esiintyvät harvoin puhtaina alkuaineina. Tavallisesti ne ovat sekoittuneet keskenään, jolloin muodostuu seos. Aineen koostumuksella Kemiallinen yhdiste rakentuu kahdesta tai useammasta eri alkuaineesta. Rakenteen perusteella yhdisteet jaotellaan molekyyliyhdisteisiin ja ionirakenteisiin yhdisteisiin. Molekyyliyhdisteessä atomit ovat sitoutuneet toisiinsa yhtei- 5

sessä käytössä olevien elektronien välityksellä. Esimerkiksi vesi on molekyyliyhdiste. Ionirakenteinen yhdiste rakentuu vastakkaismerkkisten sähkövarauksien omaavista rakenneosista, ioneista. Esimerkiksi ruokasuola eli natriumkloridi on ionirakenteinen yhdiste. Nykyisin tunnetaan yli 18 miljoonaa kemiallista yhdistettä. Puhdas aine koostuu vain yhdenlaisista rakenneosista. Se voi olla alkuaine tai kemiallinen yhdiste. Seos koostuu kahdesta tai useammasta puhtaasta aineesta; siinä on erilaisia rakenneosia. Tasakoosteinen seos näyttää paljain silmin ja myös voimakkaasti suurentavalla suurennuslasilla tarkasteltuna joka kohdasta samanlaiselta. Esimerkiksi tärpätti (liuos), sumu (vesipisaroita kaasussa) ja teräs (metalliseokset) ovat tasakoosteisia seoksia. Sekakoosteinen seos näyttää eri kohdista erilaiselta. Esimerkiksi monet kivilajit ovat sekakoosteisia seoksia. Aineiden ominaisuudet Kullakin aineella on tietyt ominaisuudet, joiden perusteella se voidaan tunnistaa. Aineet voidaan luokitella fysikaalisen tai kemiallisen ominaisuuksien mukaan. Fysikaalisia ominaisuuksia ovat esim. aineen olomuoto, väri, kovuus ja tiheys. Nämä ominaisuudet ja niiden muutokset voidaan selvittää aineen koostumusta muuttamatta. Aineiden kemiallisia ominaisuuksia on kyky reagoida jonkin toisen aineen kanssa. Reaktioita tapahtuu kaikkialla ympärillämme. Ruostumisessa, puun palamisessa ja elimistön kemiallisissa reaktioissa on happi yhtenä reaktion osapuolena. Kemiallisesti palaminen on aineen yhtymistä hapen kanssa. Aineen reagointikykyä voidaan tutkia mm. aineiden syttymistä ja palamista tarkastelemalla. Yhdisteiden ominaisuudet poikkeavat usein huomattavasti reaktioon osallistuvien aineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi metallinen rauta on sinertävän harmaata, kovaa ainetta ja ilmassa oleva happi hajuton ja mauton kaasu. Näiden aineiden välisessä hitaassa palamisreaktiossa muodostuva ruoste on sen sijaan punertavan ruskeaa ja helposti murenevaa. Liukeneminen Aineen liuetessa liuotettava aine leviää tasaisesti kaikkialle liuokseen. Liuoksessa on kaikkialla yhtä paljon liuenneen aineen rakenneyksiköitä. Liuos muodostuu liuottimesta ja liuenneesta aineesta. On aineita, kuten jalometallit, jotka eivät liukene juuri mihinkään liuottimeen ja aineita (kiinteitä, nesteitä tai kaasuja), jotka liukenevat vain tiettyihin liuottimiin. Hajuvesissä on usein kasveista eristettyjä tuoksuvia öljyjä liuotettuna alkoholiin. Orgaaniset liuottimet (hiilivetyjen seos) ovat liukasliikkeisiä ne haihtuvat nope- 6

asti sekä syttyvät ja palavat helposti. Rasvat (hiiliketjuja) liukenevat orgaanisiin liuottimiin. Veteen liukenevat aineet ovat vesiliukoisia. Vesi onkin hyvä liuotin. Suolat, joiden liukoisuus veteen on pienempi kuin 1gramma/litra ovat niukkaliukoisia, näiden aineiden liukoisuustietoja käytetään aineiden tunnistamiseen. Liukoisuus on siis rajallista. Kylläisessä liuoksessa vallitsee tasapaino, jossa liukeneminen ja saostuminen kumoavat toisensa. Liuokseen on tällöin liuennut suurin mahdollinen määrä ainetta. Aineiden liukoisuuteen vaikuttaa liuottimen ja liukenevan aineen ominaisuuksien lisäksi muitakin tekijöitä. Yleensä lämpötilan noustessa kiinteän aineen liukoisuus veteen kasvaa ja kaasun liukoisuus siihen pienenee. Liukenevan aineen pieni raekoko ja aineiden sekoitus nopeuttavat liukenemista, koska vuorovaikutus aineiden välillä tehostuu. Aineiden liukoisuudet saattavat muuttua paljonkin jos liuotteen happamuus (ph) tai koostumus muuttuu. Hapan sadevesi liuottaa maaperästä runsaasti alumiinia ja muita metalli-ioneja. Happamuus ja emäksisyys Useat elintarvikkeet ovat happamia (kemiallinen happamuus = liuoksen vetyionipitoisuus). Happamuutta kuvataan ph-asteikolla, jossa lukuarvo 7 merkitsee neutraalia liuosta. Etikka, sitruunahappo ja monet muut happamat valmistus- ja lisäaineet alentavat elintarvikkeiden ph-arvoa. Emäksisiä elintarvikkeita on vain muutamia esimerkiksi kanamunan valkuainen ja leivinsooda. Pesuaineet ovat aineryhmä, jossa emäksisiä aineita on eniten. Voimakkaasti emäksiset että happamat aineet ovat syövyttäviä. Konetiskiaine on hyvin emäksistä, ja jos sitä joutuu silmään, se tulee välittömästi huuhdella pois runsaalla vesimärällä. Brønstedin happo-emäs teorian mukaan happo on aine, joka voi luovuttaa vetyionin. Vastaavasti emäs on aine, joka voi vastaanottaa vetyionin. Sanotaankin, että kemiallisesti samanlainen aine liuottaa samanlaista. 7

Tutkimuksia 2.1 Liuoksen valmistaminen Ota keitinlasi puolilleen vettä. Tiputa lasiin elintarvikejauhetta niin vähän kuin mahdollista. Liuosten happamuus tai emäksisyys ilmoitetaan pharvon avulla. Liuosten happamuutta voidaan mitata ph-paperin avulla kastamalla se mitattavaan liuokseen. ph-paperin värin muutosta verrataan paperin pakkauksessa olevaan taulukkoon, jossa on ilmoitettu väriä vastaava ph-arvo. Indikaattori on aine, jonka rakenne muuttuu riippuen siitä, onko liuos hapan vai emäksinen. Rakenteen muutos tulee havaittavaksi värinmuutoksina. Luonnon indikaattorilla, kuten mustikkamehulla, on punainen väri happamassa ja sininen väri emäksisessä liuoksessa. Tee havaintoja tapahtumista keitinlasissa. Kerro havainnoistasi työparillesi, jolla on silmät kiinni ja joka ei tiedä mitään liukenemisesta. Mitkä ovat tässä tapauksessa liuotin, liuotettava aine ja liuos. Voiko liuotettavan aineen saada pois liuottimesta? Miten? Suunnittele koe, jonka avulla voit tutkia liukenemiselle käänteistä tapahtumaa. Nimeä käänteinen tapahtuma. Liukeneminen on nk. itsestään tapahtuva prosessi. Tällaiseen prosessiin kuuluvat käsitteet järjestys ja epäjärjestys. Esitä liukenemisesta ja sen käänteisestä tapahtumasta kaavio joka havainnollistaa järjestysepäjärjestys tapahtumaa. Miten energian käsite liittyy liukenemiseen? Mitä muita itsestään tapahtuvia prosesseja tunnet? Miten näissä prosesseissa palautetaan järjestys? Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesarjaan kuuluvia kennostoja. 8

2.2 Liukenemiseen vaikuttavat tekijät 2.3 Nesteen liukeneminen nesteeseen Suunnittele luonnontieteellinen tutkimus, jonka aiheena on palasokereiden liukeneminen. Mitä liukenemiseen vaikuttavia tekijöitä voitaisiin tutkia? Mitkä ovat tutkimuksen muuttujia? Miten muuttujien välisiä riippuvuuksia tutkitaan? Mitä muuttujia muutetaan ja mitä pidetään samoina? Miten tutkimuksen tulokset esitetään? Voiko tulokset esittää graafisesti? Valitse mielenkiintoiselta tuntuva yksittäinen tutkimus edellisestä teemasta. Minkä muuttujien välistä riippuvuutta tutkit? Mitkä muuttujat pidit samoina? Mikä on tutkimuksesi tulos? Pohdi kysymystä Sulaako karamelli suussa? Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesarjaan kuuluvia kennostoja. Kaada koeputkiin n. 2 cm eri liuottimia. Sekoita aineet varovasti keskenään. Tee havaintoja nesteiden liukenemisesta. Mitä päätelmiä voit tehdä tapahtumista? Liuokset ovat seoksia. Seokset voivat olla joko homogeenisia tai heterogeenisia. Minkälainen seos muodostui tässä kokeessa? Luettele puhtaita aineita ja homogeenisia sekä heterogeenisia seoksia. Luettele aineita (kiinteitä, nesteitä ja kaasuja), jotka liukenevat/eivät liukene 9

veteen. Vesi ei liukene bensiiniin. Talvella bensiinitankkiin muodostuu jäätä ja vettä. Pohdi, miten bensiinitankista olevan veden voi saada pois talvella? alkoholi (sinoli) 2.4 Liuotintutkimus Ota neljä koeputkea. Kaada jokaiseen koeputkeen eri liuotinta n. 1 cm. Sopivia liuottimia ovat esimerkiksi alkoholi (sinoli), asetoni (kynsilakan poistoaine), etikka, vesi. Jotta muistat, mitä liotinta missäkin koeputkessa on, laita ne telineeseen aakkosjärjestykseen aineiden nimen mukaan. rasvatahran, sokeritahran tai purukumitahran muuten kuin kaupallista puhdistusainetta käyttämällä? Mitä liuottimia käytetään seuraavissa aineissa: virvoitusjuoma, lateksimaali, kynsilakka, partavesi? Kokeen tekeminen koeputkilla Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesarjaan kuuluvia kennostoja. 2.5 Kaasun liukeneminen nesteeseen Kun ostat tauolla virvoitusjuomapullon, tarkkaile, mitä pullossa olevalle juomalle tapahtuu, kun pullo avataan. Pohdi, miksi virvoitusjuoma maistuu raikkaalta? Tutki, miten sokeri, jauho ja suola liukenevat ko. liuottimiin. Laita aina vain muutama kide tutkittavaa ainetta koeputkeen, jotta voit tehdä tarkkoja havaintoja liukenemisesta. Jos näyte ei liukene, ravista koeputkea. Esitä tutkimuksen tulokset taulukkona ja/tai graafisesti. Miten liukenemisen nopeutta (liukenemisnopeus) voidaan mitata? Mitä tarkoittaa liukoisuus? Tahran poistaminen on liuottamista. Sovella tutkimalla saatua tietoa, miten voit poistat vaateesta 2.6 Kylläinen liuos Valmista kylläinen liuos ammoniumnitraatista, natriumasetaatista tai ruokasuolasta seuraavan ohjeen mukaan. Ota keittopullon pohjalle vähän mahdolli- 10

simman kuumaa vettä. Liuota veteen sen verran liuotettavaa ainetta, kuin sitä siihen liukenee. Kun liuotettavaa ainetta ei enää liukene liuottimeen, liuos on kylläinen. Jos kaikki liuotettava aine ei liuennut, lisää sen verran kuumaa vettä, että kaikki liukenee. Jäähdytä keittopulloa kylmässä vedessä. 3 Happamuus Indikaattorin värinmuutoksesta voidaan päätellä onko liuos hapan, neutraali tai emäksinen. Mitä ominaisuuksia on happamilla ja emäksisillä aineilla? Yleisindikaattoripaperi muuttuu happamassa liuoksessa punaiseksi, neutraalissa se on kellertävä ja emäksisessä liuoksessa sininen. Yleisindikaattoripaperi on verraten kallista, joten repäise paperista aina kutakin määritystä varten vain pikkusormen kynnen kokoinen pala. Mittaa lusikan kärjellinen soodaa ja vastaava määrä etikkaa keitinlasiin. Kaada keitinlaseihin ja myös kolmanteen lasiin vettä. Mitä havaitset? Kaada liuosta hieman Petri-maljaan. Tee hypoteesi, mitä tapahtuu Petri-maljassa, kun vesi haihtuu? Piirrä tilanteesta erotuskaavio. Miten lämpötila vaikuttaa liukenemiseen? Mitä kylläiselle liuokselle tapahtuu, kun liuotinta haihdutetaan tai lämpötila laskee? 2.7 Aineiden tunnistaminen Mikrovälinesarjan kennostoissa on valkoisia jauheita. Tunnista jauheet. Hyödynnä tunnistamisessa edellä tekemiäsi kokeita (esim. liukenemiskokeet). Tutki yleisindikaattoripaperilla, mikä liuoksista on hapan, emäksinen ja neutraali. Happamuutta mitataan ph-asteikolla. Määritä saatavilla olevien nesteiden ja kiinteiden aineiden vesiliuosten happamuus hyödyntäen ph-paperin asteikkoa. Laadi tuloksista taulukko. 11

Luokittele alla olevan kuvan kappaleet kahteen ryhmään mahdollisimman monella eri tavalla. Mikä käsite kullakin luokittelulla opitaan? Miten happamuutta käsittelevän oppitunnin voisi aloittaa luokittelemalla? Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesarjaan kuuluvia kennostoja. Tehtäviä 1. Miettikää pareittain, mitä tapoja keksisitte seuraavien aineiden luokittelemiseksi ryhmiin? 2. Lisätkää laatimiinne luokkiin muita aineita Virvoitusjuoma, kultaharkko, rautanaula, sokeri, tislattu vesi, mansikkajogurtti, lihakeitto, ruokasuola (sirottimesta), suklaalevy, ilma, helium (ilmapallossa), vesihöyry (saunan kiukaalta), merivesi (tai järvivesi), ruokasooda, sormus. Esimerkkejä luokitteluperusteista ovat aineen olomuoto ja erilaiset ominaisuudet kuten haju, väri, kovuus ja tiheys. Miltä sitruuna ja omena maistuvat? Miltä useimmat pesuaineet tuntuvat kädessä? Millaisia varoitusmerkintöjä on konetiskiainepakkauksessa? Miksi tee vaalenee, kun siihen laitetaan sitruunaviipale? Miksi mustikoiden poimimisen jälkeen kädet ovat punaiset ja käsien pesun jälkeen siniset? Miksi alumiinikattila vaalenee raparperikiisseliä keitettäessä? Mitä tarkoittaa happohyökkäys hampaisiin? 3. Mihin "puhtaat aineet ja seokset kaaviossa sijoittaisit seuraavat aineet: jää, ilma, perunamuusi, rauta, noki, salmiakki, kahvijuoma, multa, virvoitusjuoma, timantti, pii, ruokasuola, hiili. Puhtaita aineita ja alkuaineita: ovat rauta, timantti/noki/hiili ja pii. Yhdisteitä ovat jää (happea ja vetyä), salmiakki (ammonium- ja kloridi-ioneja) ja ruokasuola (natrium- ja kloridi-ioneja). Tasakoosteisia seoksia ovat: ilma, kahvijuoma ja virvoitusjuoma. Sekokoosteisia seoksia ovat perunamuusi ja multa. 4. Mitkä seuraavista väittämistä ovat tosia ja mitkä epätosia? Happi on alkuaine 12

Yhdisteessä on yhtä alkuainetta Yhdisteessä on vain kahta alkuainetta Yhdisteessä on kahta tai useampaa alkuainetta Vesi on yhdiste Vesihöyry on yhdiste Kupari on kemiallinen yhdiste Mehu on puhdasta ainetta Ilma on puhdas aine Teräs on puhdasta ainetta Leivinjauho on tasakoosteinen seos Hernekeitto on sekakoosteista seosta. Ruostumaton teräs on sekakoosteista seosta. Mannapuuro on sekakoosteista seosta. Väittämistä voidaan laatia väitekortit, joiden avulla selvitetään oppilaiden käsityksiä aineiden luokittelusta. Osoitteesta http://www.malux.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/yto/yto/ löydät tietoa väitekorttien hyödyntämisestä opetuksessa. 5. Aineet eroavat toisistaan ominaisuuksiensa perusteella. Millaista elämäsi olisi ilman - metalliesineitä - lasia - savesta valmistettuja esineitä - muovia - värjättyjä tavaroita Aineiden hyväksikäyttöä ennen ja nyt Ihmistä on aina kiinnostanut luonnossa esiintyvät aineet ja mahdollisuudet niiden muuttamiseen hyötykäyttöön soveltuviksi. Kestävien työkalujen ja keittoastioiden tarve sekä halu tehdä maalauksia ja värjätä vaatteita johtivat ensimmäisiin merkittäviin kemianteknologian keksintöihin. Malmeista opittiin eristämään metalleja ja rikastamaan niitä, opittiin valmistamaan pronssia ja pigmenttejä, polttamaan savea ja uuttamaan kasveista väriaineita. Kiinnostus aineisiin johti pohdiskeluihin, mistä kaikki rakentuu, mitkä ovat perimmäisiä aineita, joista muut aineet koostuvat. Varhaisimmat aineen luonnetta ja aineen muutoksia koskevat teoriat olivat filosofien kehittelemiä. Nämä teoriat muodostettiin usein pelkästään abstraktin ajattelun pohjalta, joskus tehtiin myös kokeita ajatusten tueksi. Väitetään, että filosofit suhtautuivat kielteisesti kokeelliseen työskentelyyn, koska heidän mielestään kaikki ruumiillinen työ kuului vain orjille. Antiikin ajan kreikkalainen filosofi Empedokles (n. 490-430 ekr) esitti teorian, jonka mukaan maailmassa on vain neljä alkuainetta: maa, ilma, tuli ja vesi. Empedoklesin mukaan aineet muodostuivat siten, että nämä neljä alkuainetta yhtyivät toisiinsa eri suhteissa. Nykykäsityksen mukaan mikään näistä aineista ei ole alkuaine. Kreikkalainen filosofi Leukipposkin esitti tiettävästi ensimmäisenä ajatuksen, että atomi on aineen pienin, jakamaton osa. Leukipposkinin oppilas Demokritos Abderalainen (n. 460-370 ekr) julkaisi 13

sitten myöhemmin kirjallisessa muodossa tämän filosofisen atomiteorian. Ranskalainen tiedemies Antoine Lavoisier löysi palamista koskevien tutkimustensa yhteydessä alkuaineen nimeltä happi. Lavoisier korosti kokeellisen lähestymistavan tärkeyttä tehtäessä johtopäätöksiä luonnonilmiöiden selittämiseen tähtäävien uusien teorioiden muodostamiseksi. Lavoisierin tutkimustulokset olivat niin mullistavia kemian historiassa, että hän joutui maksamaan aikaansaannoksensa hengellään. Tuomio giljotiinissa pantiin täytäntöön toteamuksella Ranskan tasavalta ei tarvitse tiedemiehiä. Englantilainen matematiikan ja kemian opettaja John Dalton julkaisi 1800-luvun alussa kokeellisiin tutkimustuloksiin perustuvan teoriansa atomeista. Daltonin mukaan alkuaineet koostuvat atomeista, jotka ovat aineen pienimpiä rakenneosia. Hän väitti myös, että saman alkuaineen atomit ovat identtisiä massaltaan ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan, mutta eri alkuaineiden atomit eroavat toisistaan massaltaan ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Daltonin esittämä atomiteoria on osittain voimassa vieläkin, vaikka joiltain osin sitä on myöhemmin korjattu ja tarkennettu. Nykyisen käsityksemme mukaan atomi rakentuu vielä pienemmistä osista, joita ovat elektronit, protonit ja neutronit. On mahdollista, että myös nykyinen käsityksemme atomista tulee edelleen muuttumaan, kun tutkimusmenetelmät kehittyvät entistä tarkemmiksi.käytössämme on erittäin runsaasti erilaisia materiaaleja, joita tutkitaan ja kehitetään. Materiaali on usein erilaisten aineiden seosta, joilla on tiettyjä ominaisuuksia. Öljyn jalostus ja muovit Bensiiniä saadaan maaöljystä tislaamalla. Maaöljy on hiilivetyketjujen seos. Öljy on uusiutumaton fossiilinen polttoaine. Raakaöljyä on peräisin miljoonia vuosia sitten maapallolla olleista kasveista ja pienistä merieliöistä. Aikojen kuluessa kasvien ja eliöiden jäänteet ovat kovassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa kulkeutuneet huokoisen maankuoren läpi ja jääneet loukkoon öljylähteiksi. Jalostuksessa saadaan maaöljyä tislaamalla erilaisia öljytuotteita kuten nestekaasua ja bensiiniä. Muovit ovat öljynjalostuksen tuotteita n. 4% raakaöljystä käytetään muovituotteiden valmistukseen vuo- 14

sittain. Muoveja, tekokumia ja tekokuituja valmistetaan pienimolekyylisistä orgaanisista yhdisteistä polymeroimalla eli liittämällä samanlaisia toistuvia yksiköitä (esim. eteeni) peräkkäin pitkiksi ketjuiksi. Polymeerien erilaiset ominaisuudet ja nimet johtuvat toistuvien yksiköiden 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. Luonnon polymeerejä Hiiltä vetyä ja happea sisältävät hiilihydraatit ovat elollisen luonnon keskeisimpiä yhdisteitä. Ne muodostavat kasvien rakenteen ja ovat energiavarastoja. Hiilihydraattien palaessa muodostuu muun muassa vettä ja hiilidioksidia, joista hiilihydraattien rakentuminen alkaa uudelleen. Tärkkelys ja selluloosa ovat luonnon polymeerejä, joissa toistuva yksikkö on glukoosi (rypälesokeri). Tärkkelys muodostuu kasvin vihreissä osissa ja varastoituu kasvien siemeniin, varteen, juuriin tai mukuloihin. Sitä on runsaasti perunassa ja viljassa. Se on tärkein ravintona käytetty hiilihydraatti. Suurin osa tärkkelyksestä käytetään paperin valmistuksessa massaja pintaliimaukseen. Haaroittunut eläintärkkelys on samantapaista vararavintoa ihmisille kuin tärkkelys on kasveille. Lihaksissa ja maksassa on suuria määriä eläintärkkelystä joka toimii glukoosin lähteenä ruokailujen välissä ja fyysisissä ponnisteluissa. Veressä on glukoosia normaalisti n.0,1%. Selluloosa on kasvisolujen seinämien tukiainetta, esim. puusta ja oljesta sitä on n. 50 %. Puuvilla kasvin siementen ympärillä siemenkodasta irrotettu selluloosa on hyvin puhdasta ja sopii puuvillakuidun valmistamiseen. Selluloosassa ketjut ovat haaroittumattomia, kuitumaisia kimppuja. Selluloosaa käytetään paperin raaka-aineeksi. Puusta erotetaan sidosaineet, helmiselluloosa ja ligniini sekä rasva- ja hartsihappoja. Selluloosan valmistuksessa saadaan mäntyöljyä ja tärpättiä. Talouspaperi on lähes puhdasta selluloosaa. Paperinvalmistus Puunjalostuksessa saatavat tärkeimmät tuotteet ovat paperi, kartonki, paperin ja kartongin jalosteet, sahatavara, vaneri sekä kuitu- ja lastulevyt. Paperin val- 15

mistuksessa selluloosakuidut erotetaan niitä yhdessä pitävästä ligniinistä ja paperia valmistettaessa siihen lisätään erilaisia täyte- ja lisäaineista. Täyte- ja lisäaineilla vaikutetaan paperilaatujen ominaisuuksiin kuten lujuus, läpinäkymättömyys, tasaisuus ja painettavuus. Moniin tarkoitukseen kelpaa uusiopaperi, jonka raaka-aineena käytetään keräyspaperia. Kaikki Suomen keräyskelpoinen paperi voidaan käyttää paperiteollisuuden raaka-aineena. Metallit Metalleille tyypillisiä ominaisuuksia ovat metallinkiilto, hyvä lämmön ja sähkönjohtokyky. Ne ovat sitkeitä ja helposti muokattavia. Metalleja käytetään paljon niiden ominaisuuksien vuoksi eri tarkoituksiin. Sähköjohdoissa on kuparia johtamassa sähköä, kattilat ovat metallien seoksia, koska ne johtavat lämpöä, peileissä ja koruissa käytetään metalleja niiden kiillon vuoksi. Suomessa noin puolet metallijätteestä kierrätetään. Metallien kemiallisia merkkejä Metalleja saadaan kallioperästä, mutta harvoin puhtaana alkuaineena. Metallit esiintyvät yhdisteinä malmeissa, josta ne erotetaan eli rikastetaan. Alumiini (Al) on maankuoren yleisin metalli. Metalleista valetaan käyttökohteisiinsa pitoisuuksiltaan sopivia seoksia. Tuttuja metalliesineitä ovat kolikot ja korut. Koruissa kullan (Au) ja hopean (Ag) joukkoon on lisätty sovittu määrä seosmetalleja (mm. kuparia), koska metalliseoksesta valmistettu koru kestää arkikäyttöä paremmin kuin puhtaasta alkuainemetallista valmistettu koru. Koruille on sovittu yhteisesti pitoisuudet joiden tulee täyttyä ja näitä pitoisuuksia kuvataan leimoin ja merkein. Metallit esiintyvät luonnossa yleensä yhdisteissä, poikkeuksena eräät jalometallit joita voi esiintyä puhtaina. Maankuoren yleisin metalli on alumiini. Metallien raaka-aineena käytettävät malmit ovat uusiutumattomia luonnonvaroja. Kaivostoiminta aiheuttaa merkittäviä vaikutuksia maankäyttöön ja maisemaan. Malmin rikastaminen vaatii runsaasti energiaa. Metalleja on helppo kierrättää, jolloin ne sulatetaan ja käytetään uudelleen. Kierrätys säästää energiaa ja ympäristöä ja vähentää kaatopaikkajätteen määrää. Kulta (Au) on vaaleankeltainen pehmeä taipuisa jalometalli. Kulta on ollut erittäin arvossapidetty korumetalli ja haluttu tuhansia vuosia. Kultaa voi takoa, va- 16

laa, pakottaa ja vetää langaksi. Koruissa sen seosmetalleja ovat kupari ja hopea. Kultaa käytetään lähinnä koruihin, kultaukseen sekä hammas- ja sähkötekniikkaan. Hopea (Ag) on valkoinen jalometalli. Sitä on pidetty miltei yhtä arvokkaana kuin kultaa, mutta sen arvo laski malmilöytöjen lisääntyessä. Hopeaa on vanhastaan käytetty pehmeytensä vuoksi muilla metalleilla sekoitettuna rahoihin, koruihin, pöytäastioihin ja koriste-esineisiin. Jalometallikoruissa nikkeliä (Ni) käytetään palladiumin (Pd) sijaan yleisesti valkokultaseoksissa. Rihkamakoruissa nikkelin (Ni) käyttö on valitettavan tavallista, vaikka nikkeli on erittäin yleinen kosketusallergian aiheuttaja. Nikkeliallergiasta ei pääse eroon. Lävistysten yhteydessä avohaavan kautta muodostuu yhteys verenkiertoon, jolloin mahdollisuus nikkeliherkistymiselle on tavallista suurempi. Nikkeliä on monissa jokapäiväisissä pikkutavaroissa, kuten vetoketjuissa, napeissa, neppareissa, vaatteiden soljissa, kellon rannekkeissa, kynien metalliosissa, kolikoissa, ovien vetimissä ja niin edelleen. Nikkelitestiliuosta voi tiedustella apteekista. Testin avulla saa helposti selville, onko esineessä nikkeliä. Aivan pieniä pitoisuuksia se ei paljasta. Maaperä Monien materiaalien raaka-aineet saadaan maankuoresta. Maankuoresta n. 28 % on piitä (Si). Pii on maankuoren toiseksi yleisin alkuaine hapen jälkeen. Piin kemiallinen merkki Si tulee latinan sanasta silex, joka tarkoittaa pientä kiveä. Pii esiintyy luonnossa yhdisteinä savessa, hiekassa ja erilaisissa mineraaleissa. Pii on puolijohde, jonka käyttö erilaisissa laitteissa on tehnyt mahdolliseksi elektroniikan valtavan kehittymisen. Elektroniikkateollisuutta varten pii puhdistetaan ja siitä tehdään ohuita kiekkoja. Piiyhdisteitä käytetään myös lasin ja keramiikan valmistukseen. Lasilla on pieni lämpölaajenemiskerroin, hyvä kestävyys sekä valonläpäisevyys kaikilla aallonpituusalueilla. Natronlasi, jota käytetään ikkunalasina ja tavallisena käyttölasina, valmistetaan sulattamalla kvartsihiekan, (kalkkikiven eli kalsiumkarbonaatin ja natriumkarbonaatin) seosta. Lasisten palautuspullojen kierrätys on Suomessa tehokasta. Kierrätyspullot täytetään yli 20 kertaa ennen kuin ne päätyvät lasinkeräykseen uuden lasin raakaaineeksi. Kierrätyslasin käyttö raaka-aineena säästää energiaa, raaka-ainetta ja vähentää jätemääriä. Suomessa kierrätyslasista valmistetaan lasipakkauksia ja lasivillaa. Tuotteen elinkaari Tuotteiden valmistaminen ja kuljettaminen vaatii energiaa ja rasittaa ympäristömme. Tuotteen elinkaa- 17

reksi kutsutaan sen vaiheiden arviointia raaka-aineen hankinnasta tuotteen käytöstä poistamiseen. Virallisia ympäristömerkkejä Joutsenmerkki on pohjoismainen ympäristömerkki. Se on pohjoismaisen yhteistyön tulos. Valmistaja voi hakea sitä tuotteille, jotka ovat ympäristöä säästäviä. Joutsenmerkki perustettiin vuonna 1989. Kaikki Pohjoismaat ovat mukana järjestelmässä. Tutkimuksia 1. Iskutesti Tarvikkeet Alusta, suojalasi, vasara tai n.1m pituinen kouru ja punnus. Noin kymmenen erilaista esinettä. Koe-esineitä, jotka särkyvät kokeessa, voivat olla esim. : säilykepurkki, muovipullo, kivi, tiilenpalanen, avain, lusikka, kynä, puupalikka, solumuovinpalanen, kankaanpalanen, hiili Numeroi esineet. Tee oletus, mitä kullekin esineelle tapahtuu testauksessa. Laita suojalasit Pudota punnus koe-esineen päälle. Tarkkaile mitä tapahtuu. Raportoi havaintosi: taipuko, säröileekö, murtuuko esine vai kestääkö se iskun. EU:n ympäristömerkki perustettiin vuonna 1992. Se toimii samalla tavalla kuin Joutsenmerkki. Merkki on käytössä koko EU:n alueella, myös Pohjoismaissa. 18

Tarvikkeet: Astia, herneitä, voita/margariinia, kuumaa vettä. Iskun voi suorittaa myös vasaralla, tällöin kannattaa pyrkiä pudottamaan vasara koe-esineen päälle samalta korkeudelta jolloin esineisiin kohdistuu samansuuruinen voima. Koe-esineitä voidaan myös koettaa naarmuttaa metallilla. Mihin materiaaliin on hankalinta saada aikaan naarmua? 2. Hernetesti Tutkitaan materiaalien lämmönjohtavuutta. Testiesineet Puulusikka, teräslusikka, hopealusikka, muovilusikan, mehupillin.. Kiinnitä herne voinokareella jokaiseen testiesineen yläpäähän samalle korkeudelle alhaalta mitattuna. Aseta esineet pystyyn astiaan. Kaada n. 5 cm korkeudelta kuumaa vettä. Raportoi havaintosi. Pohdi, miten voit selittää havainnot. 3. Tärkkelyksen toteaminen Lisää leikatun perunan tai perunajauhojen päälle tipoittain kaliumjodidia. Kokeile myös ohra- ja maissijauhoilla. Jodi värjää tärkkelyksen siniseksi. Väri aiheutuu jodimolekyylien sitoutumisesta glukoosiketjujen muodostamien kierteiden välisiin onkaloihin. (Jodi sotkee). Tehtäviä 1. a) Pohdi, miksi kanootit tehtiin ennen puusta, mutta nykyisin lasikuidulla lujitetusta muovista? b) Tennis- ja salibanbymailojen materiaaleilta vaaditaan keveyttä, kestävyyttä ja jäykkyyttä. Arvioi teräs-, puu- tai muovimateriaalien etuja tai haittoja mailojen materiaaleina? 19

c) Minkä ominaisuuksien perusteella kulloinkin käytettävät materiaalit valitaan eri tarkoituksiin? 2. a) Keksi ainakin kolme syytä, miksi turhien tavaroiden ostamista tulisi välttää? b) Mitä turhia tavaroita olet ostanut? 3. a) Valitse parisi kanssa jokin tuote ja piirrä tai kirjoita, millainen sen elinkaari on? b) Mieti, mitä erilaisia haittoja tuotteesta on ympäristölle koko sen elinkaaren huomioon ottaen? 3. Tutki sanomalehden mainoksia. a) Mitä tuotteita mainostetaan ympäristöystävällisiksi? b) Pohdi ja vastaa perustellen, missä määrin mainos paikkaansa ja missä määrin ei? 2. Valmistuksessa käytetään luonnonvaroja. Muodostuu rasituksia ympäristölle. Kaatopaikoille kerääntyy jätettä. 3. http://www.edu.stadia.fi/~huupl/elinkaari2.htm Aineiden rakenne Aine koostuu rakenneosista, joita voivat olla atomit, ionit ja molekyylit. Rautakappale koostuu rautaatomeista. Molekyyli on kahden tai useamman atomin yhteenliittymä. Veden rakenneosaset ovat vesimolekyylejä ja happikaasun rakenneosat happimolekyylejä. 1. Mailan materiaalin soveltuvuus Atomi koostuu ytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Vain tietyt muutokset ovat mahdollisia alkuaineen atomin elektroniverhossa, mistä määräytyy millaisia sidoksia ja yhdisteitä atomit voivat keskenään muodostaa. Parhaat mahdolliset ominaisuudet vaaditussa kohteessa mahdollisimman edullisin kustannuksin. Atomi kuvataan tavallisesti pallona ja eri alkuaineen atomit eri väreillä. Todellisuudessa atomeilla ei kuitenkaan ole kiinteää pintaa eikä niillä ole mitään väriä. 20

Molekyylit kuvataan toisiinsa uponneilla palloilla, kuten happi- tai vesimolekyylien tapauksessa. Erilaisia atomeita on noin 110 ja jokaiselle on annettu oma kemiallinen merkki. Kemialliset merkit ovat alkuaineiden lyhenteitä ja ne tulevat tavallisesti latinan- tai kreikankielisestä nimestä niiden löytäjän tai löytöpaikkakunnan mukaan. Erilaisiin atomeihin ja niiden kemiallisiin merkkeihin voi tutustua taulukossa, jossa ne on ryhmitelty alkuaineiden jaksolliseksi järjestelmäksi. Kemialliset sidokset Aineiden erilaiset ominaisuudet kuten sulamispiste, kiehumispiste ja liukoisuus erilaisiin liuottimiin johtuvat atomien välisistä kemiallisista sidoksista. Molekyylissä atomit liittyvät toisiinsa yhteisten elektronien avulla kovalenttisiin sidoksin eli yhteisten elektroniparien avulla. Molekyylissä voi olla kymmeniä ja jopa satoja tuhansia atomeja. Jos atomien elektronegatiivisuusero kasvaa suureksi, sidoselektronit ovat kokonaan toisella atomilla. Tällöin toinen atomi luovuttaa elektroneja, jolloin siitä tulee positiivinen ioni. Toinen atomi taas vastaanottaa elektroneja, ja siitä tulee negatiivinen ioni. Tätä erimerkkisten ionien välistä sähköistä vetovoimaa kutsutaan ionisidokseksi. Yhdiste on ulospäin varaukseton: positiivisten ja negatiivisten varausten summa on nolla. Ionisidoksessa muodostuu kova mutta hauras rakenne. Ruokasuola eli natriumkloridi (Na+Cl-) rakentuu ioneista. Ruokasuolakide hajoaa vasaran iskusta mutta sillä on korkea sulamispiste. Ionisidokselliset yhdisteet ovat usein vesiliukoisia. Metallisidoksen muodostuessa metalliatomit luovuttavat 1-3 elektronia yhteisiksi sidoselektroneiksi. Näin syntyy positiivisia metalli-ioneja, joiden välillä yhteiset elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Metallien tyypilliset ominaisuudet johtuvat juuri metallihilan rakenteesta. Metallit johtavat hyvin sähköä, koska sidoselektronit liikkuvat melko vapaasti. Metalli-ionien tiiviistä pakkautumisesta johtuu metallien hyvä läm- 21

mönjohtavuus. Lämpövärähtely siirtyy helposti metalli-ionista toiseen. Metallien hyvä muokattavuus johtuu siitä, että metalli-ionit voivat vaihtaa paikkaa rakenteen särkymättä. Atomimallit Nykyisen käsityksemme mukaan atomi ei ole aineen pienin jakamaton rakenneosa, kuten Dalton 1800- luvulla väitti. Kokeellisten tutkimustulosten ja monimutkaisten laskelmien perusteella atomin tiedetään rakentuvan ytimestä ja sitä ympäröivistä elektroneista. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja varauksettomista neutroneista. Elektroneilla puolestaan on negatiivinen sähkövaraus. (LUE LISÄÄ) Atomit ovat niin pieniä, ettei niitä voi havaita paljain silmin. Yksittäisiä atomeja on mahdollista nähdä elektronimikroskoopilla, mutta atomin rakenneosia emme näe tälläkään laitteella. Tutkijoiden erityisen mielenkiinnon kohteena atomin rakenteessa on ollut ja on edelleenkin elektronien järjestäytyminen ytimen ympärillä. Eräs syy tähän kiinnostukseen on se, että alkuaineen ominaisuuksien tiedetään määräytyvän sen atomien elektronirakenteen perusteella. Jotta kykenisimme hahmottamaan atomien rakenteita, on meidän käytettävä apuna malleja. Kvanttimekaanisessa atomimallissa atomin elektroneille esitetään niiden todennäköisimmät sijaintipaikat. Avaruudellisia tiloja, joista elektronit todennäköisimmin löytyvät, kutsutaan atomiorbitaaleiksi. Oppikirjoissa havainnollistetaan atomiorbitaaleja esittämällä näiden uloimmaisia rajapintoja. Atomin elektronien todennäköisimmät sijaintipaikat saadaan selville laskennallisella menetelmällä, joka perustuu mutkikkaan matemaattisen yhtälön ratkaisemiseen tietokoneen avulla. Nykyisin uskotaan, että kvanttimekaaninen atomimalli kuvaa atomin elektronirakennetta melko hyvin. Erityisesti peruskoulun oppikirjoissa havainnollistetaan atomin rakennetta käyttämällä vanhempaa ja yksinkertaisempaa mallia, Bohrin atomimallia. Tämä malli perustuu olettamukseen, että elektronit kiertävät atomin ytimen ympäri tiettyjä tarkoin määrättyjä ympyräratoja pitkin. Vaikka Bohrin atomimalli onkin jo vanhentunut, se antaa karkean kuvan elektronien sijoittumisesta atomissa. Bohrin atomimallin mukaisesti elektronit täyttyvät järjestyksessä K, L, M ja N- kuorille. K-kuorella on 2, L-kuorella on 8 ja M-kuorella on paikkoja 18 elektronille. Mallissa ulkoelektroneita, jotka osallistuvat reaktioihin ovat viimeisimmälle kuorelle sijaitsevat elektronit. Mallilla voidaan selittää pääryhmien 1, 2, 13 18 elektronirakennetta. 22

Kemian merkkikieli Erilaisia merkkejä ja symboleja on käytetty viestinnän ja kommunikoinnin apuna kautta aikojen. Musiikissa sävelen kulkua kuvataan nuoteilla. Maastossa retkeilevät suunnistavat käyttäen apunaan karttamerkkejä. Merellä seilaavat alukset navigoivat kansainvälisesti hyväksyttyjen merimerkkien opastuksella. Kemistit ottivat jo varhain käyttöönsä erilaisia symboleita aineiden kuvaamisen helpottamiseksi ja kirjoittamisen nopeuttamiseksi. Noin vuonna 500 ryhdyttiin metalleja kuvaamaan planeettasymboleilla. Tuolloin uskottiin, että näillä metalleilla ja planeetoilla on jokin mystinen yhteys. Planeettasymbolit olivat käytössä aina 1800- luvun alkuun saakka. Myöhemmin luonnontieteilijät alkoivat kuvata alkuaineita kansainvälisesti yhdenmukaisilla kirjainmerkeillä. Niiden avulla voidaan esittää kemiallisten yhdisteiden rakenteita ja reaktioita lyhyesti ja yksiselitteisesti. Nykyisen merkintätapamme periaate on peräisin vuodelta 1813, jolloin ruotsalainen tiedemies Berzelius ehdotti käytettäväksi alkuaineen latinankielisen nimen isoa alkukirjainta, johon joissain tapauksissa liitetään nimestä toinen kirjain pienenä. Esimerkiksi kuparin kemiallinen merkki Cu on peräisin nimestä cuprum, kullan merkki nimestä aurum ja hiilen merkki C nimestä carbo. Osa nimistä kuvaa jotain kyseiselle alkuaineelle tyypillistä ominaisuutta. Alkuaineita on nimetty myös löytöpaikan tai löytäjän mukaan. Vuonna 1880 ruotsalaiselta louhokselta löydetty harvinainen maametalli nimettiin suomalaisen kemian professorin Johan Gadolinin mukaan gadoliniumiksi. Alkuaineesta sovittiin käytettäväksi lyhennettä Gd. Elämälle välttämättömiä alkuaineita ovat happi O, hiili C, vety H, typpi N, kalsium Ca, fosfori P, kalium K, rikki S, natrium Na, kloori Cl, jodi I, rauta Fe, magnesium Mg, kupari Cu ja sinkki Zn. Jaksollinen järjestelmä Alkuaineet on järjestetty jaksolliseen järjestelmään atomin järjestysluvun mukaan. Järjestysluku (Z) on atomin ytimen protonien lukumäärä. Perustilassa atomissa protonien ja elektronien lukumäärä on samansuuruinen, joten järjestelmän rakenne on yhteydessä atomin elektronirakenteeseen. Jakson (vaakarivi) pituus määräytyy kullekin energiatasolle mahtuvien elektronien lukumäärän. Ensimmäiselle tasolle mahtuu vain kaksi elektronia, joten ensimmäinen vaakarivi käsittää vain kaksi alkuainetta (vety ja helium). Toiselle energiatasolle mahtuu kahdeksan elektronia ja tällä vaakarivillä ovat alkuaineet Li, Be, B, C, N; O, F ja Ne. Kolmannelle energiatasolle mahtuu 18 jne. Ryhmät (pystyrivit) numeroidaan 1 18. Ryhmän alkuaineilla on uloimmalla tai kahdella uloimmalla elektronikuorella on yhtä monta elektronia. Jaksollinen järjestelmä voidaan jakaa myös atomiorbitaalien täyttymisjärjestyksen mukaisesti neljään s-, p-, d- ja f- lohkoon. Lohkot ilmaisevat alkuaineen orbi- 23

taalit, d-lohko alkaa täyttyä vasta neljännessä jaksossa muodostaen siirtymäalkuaineet. Siirtymäalkuaine määritellään aineeksi, jonka atomieilla on epätäydellinen d-alikuori tai joka voi muodostaa yhden tai useampia kationeja joilla on epätäydellien d-alikuori. Atomien elektroniverhon rakenne vaikuttaa alkuaineiden ominaisuuksiin ja täten saman ryhmän alkuaineet muistuttavat kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan toisiaan. Alkuaineiden tietyt ominaisuudet, kuten tiheys, sulamispiste, kiehumispiste ja reaktiokyky, muuttuvat asteittain siirtyessä jaksossa vasemmalta oikealle tai ryhmässä ylhäältä alaspäin. Atomien säteiden koko kasvaa mentäessä pääryhmässä järjestelmää alaspäin ja pienenee edetessä jaksoa vasemmalta oikealle. Jaksollisen järjestelmän historiaa 1800 luvun alkupuolella esitettiin ensimmäinen ryhmittely joidenkin alkuaineiden kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Vuonna 1864 osoitettiin, että eräiden alkuaineiden ominaisuudet toistuivat kahdeksan alkuaineen jaksoissa. Vuosina 1868 1869 sekä saksalainen L. Meyer että venäläinen D. Mendelejev kehittelivät toisistaan tietämättä jaksollisuuteen perustuvan alkuaineiden ryhmittelyn. Varsinkin Mendelejevin 1872 laatimaa taulukkoa on arvostettu, koska hän osoitti taulukon käytännöllisyyden. Hänen taulukossa oli 67 alkuainetta sekä tyhjiä kohtia. Jaksollisuuden perusteelle näihin tyhjiin kohtiin voitiin teoreettisesti ennustaa alkuaineiden olemassaolo, vaikka kyseistä alkuainetta ei vielä ollut edes löydetty. Jaksollinen järjestelmä on säilyttänyt muotonsa tähän päivään asti. Ryhmittelyperusteet ovat tarkentuneet kemian tutkimuksen kehittymisen mukana ja nykyisin tunnetaan yli sata alkuainetta. Tutkimuksia Jalometallien leimat Maankuoren ja ihmisen elimistön tavallisimmat alkuaineet. Työskentely ryhmissä Jalometalleja ovat kulta, hopea ja platina. Tarvikkeet Suurennuslasi. 24

Opettaja tuo ryhmille esineitä (jalometallisia ruokailuvälineitä, koruja, tms) tutkittavaksi. Tutkitaan 1. Valmistajan leima 2. Tarkistusleima, jos se on sydämen muotoinen, on esine tarkastettu Suomessa. 3. Leima kertoo mitä metallia esine on Soikio merkitsee kultaa, suorakulmio hopeaa ja vinoneliö platinaa. Leiman sisällä olevat numerot kertovat pitoisuuden 750 tarkoittaa, että esineessä on 75 % kultaa, loput 25 % ovat seosmetalleja. 4. Jos seuraava leima on kuvaleima, se kertoo millä paikkakunnalla esine on valmistettu. 5. Viimeinen leima tarkoittaa vuosilukua. Jalometallien leimat: http://www.tukes.fi/ à esitteet ja oppaat à jalometallit Mitä havaintoja teitte? Miten selitätte ne? Kuinka esitätte tulokset havainnollisesti? 3. Leima kertoo mitä metallia esine on Karaatti on vanha pitoisuusilmaus, joka tarkoittaa 1/24 osaa painosta Kullan pitoisuusmassan Kullan pitoisuus tuhannesosina/promilleina karaatteina 375 9 585 14 750 18 999 24 Hopea promilleina koruissa 925 pöytähopeissa 830 Nikkelitesti Testin avulla saa helposti selville, onko esineessä nikkeliä. Testiliuosta voi tiedustella apteekista., mutta aivan pieniä pitoisuuksia se ei paljasta. 1. Tiputa tippa testiliuosta pumpulipuikon päähän. 2. Hankaa pumpulipuikolla esineen tutkittavaa kohtaa 30 sekuntia. (katso aika kellosta) 3. Pumpulipuikon väri muuttuu valkoisesta punaiseksi, jos tutkittavasta kohdasta liukenee nikkeliä yli turvallisen rajan. (Huom! Jos olet erittäin pahasti allergisoitunut, niinkin pienet nikkelimäärät, jotka eivät tässä testissä näy, voivat aiheuttaa allergisen reaktion.) Havainnollistamaan esine josta nikkeliä irtoaa. 25

Tehtäviä 1. Mieti, mitä muita merkkikieliä edellä mainittujen lisäksi on yhteiskunnassamme käytössä. 2. Olet kemisti kansainvälisesti kuuluisassa tutkimusryhmässä, joka löytää uuden alkuaineen. Ryhmäsi haluaa antaa aineelle nimen ja kemiallisen merkin sinun mukaasi. Mikä voisi olla löytämänne alkuaineen kemiallinen merkki? Millaisia ominaisuuksia alkuaineella olisi? Kemiallinen yhdiste ja kemikaali Jokainen on päivittäin tekemisissä erilaisten kemiallisten yhdisteiden kanssa. Vesi sisältää happea ja vetyä ja se on kemiallinen yhdiste. Osa kemiallisista yhdisteistä on välttämättömiä ihmiselle kuten c-vitamiini (C6H8O6 ) eli askorbiinihappo. Ravinnosta sitä saadaan mm. hedelmistä ja marjoista. Askorbiinihappoa voidaan myös valmistaa teollisesti. Kemikaali voi esiintyä luonnossa tai olla teollisesti tuotettua. Kemikaali on yleisnimi, joka kattaa alkuaineista ja niiden yhdisteistä valmistetut aineet ja valmisteet. Kemikaalin olomuoto voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen. Esimerkiksi rakeet, jauheet, liuokset, aerosolit ja tahnat katsotaan kemikaaleiksi. Kemikaaleilla on erilaisia ominaisuuksia ja osalla kemikaalista on haitallisia tai vaarallisia ominaisuuksia ihmiselle tai luonnolle. Jotkut aineet ovat elimistölle haitallisia hyvinkin pieninä pitoisuuksina. Tällainen aine on esimerkiksi elohopea. Toiset aineet taas ovat pieninä pitoisuuksina ihmiselle jopa välttämättömiä, mutta suurempina pitoisuuksina myrkyllisiä. Tällainen aine on esimerkiksi hivenaineena tarvittava kupari. Tuotteita pyritään kehittämään vähemmän vaarallisiksi ja korvaamaan vaarallisia aineita vaarattomilla. Esimerkiksi vesiliukoiset sisämaalit olivat ennen liuotinohenteisia. Kotitaloudessa haitallisia tai vaarallisia kemikaaleja käytetään mm. tekstiilien ja astioiden pesussa sekä kodin kunnostuksessa kuten liuotinohenteisia maaleja, liimoja ja lakkoja. Lyhytaikaisia, välittömiä terveysriskejä voi välttää noudattamalla pakkauksessa annettuja käyttö- ja annosteluohjeita sekä käyttämällä suojaimia (käsineitä), jos niin kehotetaan. Ravintomme sisältää erilaisia lisäaineita, joten hedelmät on syytä kuoria ja vihannekset pestä ennen syömistä. Näin vältetään mahdollisten hyönteismyrkkyjäämien joutuminen elimistöön. Lapset ovat erityisen alttiita häiriöille, koska heidän elimistönsä on vielä kehitysvaiheessa. Lasten elimistö ei pysty käsittelemään myrkyllisiä aineita yhtä tehokkaasti kuin aikuisten. Lapset hengittävät nopeammin ja syövät ja juovat enemmän suhteessa painoonsa, joten jo suhteellisen pieni määrä terveydelle vaarallista ainetta on lapselle vahingollista. Väärin käytettyinä kemikaalit aiheuttavat terveyshaittoja ja myrkytysoireita. Ympäristön kannalta haitallisimpia kemikaaleja ovat sellaiset aineet, jotka eivät 26

hajoa luonnossa tai hajoavat vain erittäin hitaasti, kertyvät eliöihin ja rikastuvat ravintoketjussa tai ovat niille myrkyllisiä. Kemikaalien käsittelyssä ja niiden hävittämisessä on noudatettava Erityisen huolellisesti tuoteselosteen tms. ohjeita. Kemikaalien vaarallisuutta osoittamaan on laadittu järjestelmä ja näitä kemikaaleja koskevat ja käyttöä sekä merkitsemistä ohjaavat erilaiset direktiivit, lait, säädökset ja asetukset (lisätietoa löytyy sosiaali- ja terveyshuollon tuotevalvontakeskuksen kotisivuilta www.sttv.fi). Nykyinen EU:n kemikaalivirasto on Isprassa Italiassa, siellä tutkitaan ja rekisteröidään haitallisia ja vaarallisia kemikaaleja (kemikaaliviraston on siirtymässä Suomeen). Pakkausmerkinnät Pakkauksien merkinnät kertovat kemikaalien vaarallisuudesta. Vaaralliset kemikaalit tulee merkitä selvästi ja varoitusmerkkien lisäksi pakkauksen etiketissä luetellaan kemikaalin kaikki vaaralliset ominaisuudet erillisillä lausekkeilla ja annetaan ohjeita kemikaaliin liittyvien vaaratilanteiden välttämiseksi. Pakkausten merkinnät koostuvat oranssilla pohjalle piirretyistä mustista kuvasymboleista, kirjainlyhenteistä, vaaraa osoittavista R-lausekkeista ja turvallisuustoimia osoittavista S-lausekkeista. Esimerkki konetiskiaineesta (käyttöliuoksien emäksinen ph 10,5): Xn, Haitallinen R36 Ärsyttää silmiä. S2 Säilytettävä lasten ulottumattomissa. S25 Varottava kemikaalin joutumista silmiin. S26 Roiskeet silmistä huuhdeltava välittömästi runsaalla vedellä ja mentävä lääkäriin. S46 Jos ainetta on nielty, hakeuduttava heti lääkärin hoitoon ja näytettävä tämä pakkaus tai etiketti. Vaarallisten aineiden luokittelu Kemikaaleista mahdollisesti aiheutuvien vaarojen torjumiseen ja hallintaan on kehitetty merkintä- ja tunnistusjärjestelmä ne luokitellaan kolmeen ryhmään: palo- ja räjähdysvaaralliset kemikaalit, terveydelle vaaralliset kemikaalit sekä ympäristölle vaaralliset kemikaalit. Vaaralliset kemikaalit kuuluvat johonkin tai useampaan näistä ryhmistä. Terveydelle vaarallinen kemikaali voi aiheuttaa elimistöön joutuessaan haittaa ihmisen terveydelle ja ne luokitellaan niiden ominaisuuksien mukaan seuraaviin luokkiin. 27

Palo- ja räjähdysvaarallinen kemikaali voi ominaisuuksiensa vuoksi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen. Räjähtävä kemikaali voi räjähtää iskun, hankauksen tai avotulen vaikutuksesta. Aineet, jotka luovuttavat helposti happea, eli ovat hapettavia, voivat reaktiivisuutensa vuoksi aiheuttaa rähähdyksen tai tulipalon tai kiihdyttää toisten aineiden palamista. Leimahduspiste on alin lämpötila, jossa nesteestä normaalipaineessa haihtuu niin paljon höyryjä, että ne muodostavat nestepinnan päällä olevan ilman kanssa palavan kaasuseoksen. Kemikaali on ympäristölle vaarallinen, jos kemikaa- 28

li ympäristöön jouduttuaan voi aiheuttaa välitöntä tai viivästynyttä vaaraa ympäristölle tai sen osalle. Ympäristölle vaarallisuudesta on luokitusperusteet haittavaikutuksista vesiympäristölle ja otsonikerrokselle. Vaarallisten aineiden jätteet Varoitusmerkillä merkityn aineen tai tuotteen jätteiden käsittelyssä menetellään merkintöjen ohjeistuksen mukaisesti. Varoitusmerkinnöillä merkityt vanhat kemikaalit hävitetään asianmukaisesti. Ympäristölle haitallisia aineita ei saa johtaa viemäriin eikä maahan. Ongelmajätteet on vietävä ongelmajätteiden keräyspisteisiin. Tyhjät kemikaalipakkaukset ja esimerkiksi kuivunut maalijäte voidaan sen sijaan hävittää normaalin sekajätteen mukana. Tavallisimpia kotona syntyviä ongelmajätteitä ovat öljy-, maali- ja lakkajätteet, liuottimet, nappiparistot ja ladattavat akut (mm. matkapuhelimissa). Lääkkeet ja kuumemittarit tulee viedä apteekkiin. Osa sähkö- ja elektroniikkaromusta (mm akulliset kodinkoneet, esimerkiksi hammasharjat, televisiot, tietokoneen monitorit ja kylmälaitteet) luokitellaan ongelmajätteiksi. 29