Jenny Bergström Johannes Pernaa Ilmari Niskanen Tapani Savolainen Verijäljet JHDANT Työssä tutkitaan kemiakaalien avulla vaatekappaleista tahroja ja osoitetaan veritahrat muista tahroista. Työ perustuu kemialliseen luminesenssiin. Kemiallisessa luminesenssissa tapahtuu kemikaalien ja veren hemoglobiinin välinen valoa tuottava reaktio. Reaktiossa molekyylit hajoavat ja muodostavat uusia molekyylejä. Reaktiossa lähtöaineilla on enemmän energiaa, kuin tuotteilla. Molekyylit luovuttavat ylimääräisen energian ympäristöönsä fotoneina, mikä aiheuttaa hohtamisen. KEMIALLINEN NÄKÖKULMA Reaktio saadaan aikaan luminolin (C8H73N3) ja vetyperoksidin (H22) avulla, mutta voimakkaan hehkun aikaansaamiseksi tarvitaan katalyytti. Katalyytteina reaktiossa toimivat hemoglobiinin rautaionit. Reaktio on hapetusreaktio, jossa osa luminolin vety- ja typpiatomeista korvautuvat happiatomeilla. Syntyy virittynyt lopputuote (3-aminophthalate) (Kuva 1), jossa happiatomien elektronit ovat virittyneet ylemmälle orbitaalille. Elektronien siirtyessä takaisin alemmalle energiatasolle, emittoituu ylimääräinen energia fotoneina ympäristöön. Raudan ollessa katalyyttina reaktiosta tulee hämärässä huoneessa silmällä havaittava. NH 2 * NH 2 NH NH Luminoli 3-aminophthalate Kuva 1. Luminolin vittyminen REAGENSSIT Aine Moolimassa, Massa, Ainemäärä, Hinta, g/mol g mmol euroa H22 34 0,15 4,4 0,04 Luminoli 177,16 0,02 0,11 0,15 NaH 39,99 0,4 10 0,01 Yhteensä 0,20
HJEISTUS PPILAILLE Verijäljet Rikossarjoissa kuten CSI, tutkitaan rikospaikalta mahdollisia verijäämiä. Jos roskiksesta löydetystä epäillyn paidasta löytyy epämääräisiä punaisia läikkiä, joita epäilty kiven kovaa väittää ketsuppitahroiksi, voidaan alustavasti tutkia voisiko näyte olla mahdollisesti verta. Monesti sarjoissa tutkitaan myös huolella siivottuja paikkoja joissa paljaalla silmällä ei näy mitään epäilyttävää. Tässä työssä käytettävillä aineilla voidaan kuitenkin saada esille todella pieniä jäämiä verestä. Etukäteistehtävät: 1) Miettikää ryhmässä mitä eri tapoja on nopeuttaa kemiallisia reaktioita. 2) Mitä kemiallisia reaktioita, joita voi nopeuttaa lisäämällä jotain uutta ainetta, tiedätte? 3) Mitä katalyytti on ja miten se toimii? Työn toteutus: 1) sa käytettävistä aineista on syövyttäviä ja myrkyllisiä joten työn suorittamisessa pitää olla erityisen varovainen sekä käyttää suojalaseja ja suojatakkeja. 2) Liuottakaa 0,02 g luminolia (C8H73N3) ja 5 ml 2 M natriumhydroksidia (NaH) 100 ml:aan vettä suljettavassa astiassa. 3) Pyytäkää opettajaa pimentämään luokka. Asettakaa pipetillä pisarat tehtyä liuosta ja 3% vetyperoksidia tutkittavan näytteen päälle niin että liuokset sekoittuvat. 4) Kirjatkaa ylös havainnot. 5) Hävittäkää jätteet opettajan ohjeiden mukaisesti. Koontitehtävät: 1) Mikä aine toimii reaktiossa katalyyttinä. 2) Pohtikaa mitä tapahtuu jos näytteessä ei ole verta. 3) Pohtikaa onko näyte varmasti verta jos reaktio on "näkyvä"? 4) letteko nähneet jossain vastaavia reaktioita?
PETTAJALLE Työn motivaatio Työssä saadaan kemiallinen reaktio näkyväksi käyttämällä katalyyttiä. Työssä katalyyttinä toimii veren hemoglobiinin rauta tai yhtä hyvin liuos joka sisältää esimerkiksi rautaa tai kuparia. Lukiossa työllä voidaan katalyytin lisäksi demonstroida atomiorbitaalien hybridisointia. ps -yhteys ja pohdintaa Työ on suunnattu peruskoulun oppilaille, vaikka työn taustalla olevan kemiallisen reaktion ymmärtäminen ei kuulu peruskouluun. Kahdeksannen luokan kemian kurssin yksi keskeinen sisältö on reaktionopeuden vertailu. Verijälki -työssä veren rauta toimii reaktion katalyyttinä ja näin nopeuttaa reaktiota niin, että se on pimeässä huoneessa silmin havaittava. Työ opettaa oppilasta olemaan kriittinen tutkimustuloksille ja ymmärtämään kemian sovellusten merkitystä yhteiskunnalle. Lisäksi opitaan laboratoriotaitoja ja opitun kemian soveltamista käytännössä. Työ sopii myös lukion toiseen kurssiin. Tällöin yläasteella opetettavien asioiden lisäksi työllä voidaan havainnollistaa elektronien virittymistä. Elektronien virittyminen lisäksi kumoaa Bohrin atomimallin tomivuuden. Myös se, että kyseisessä kemiallisessa reaktiossa ei synny lämpöä on vaan kaikki energia kuluu valontuottamiseen, on erittäin huomion arvoinen asia. Näin työtä voidaan hyvin käyttää myös lukion kolmannella kurssilla, jossa käsitellään kemiallisia reaktioita ja reaktio energiaa. Luminolia ei käytetä rikospaikkatutkimuksissa ensimmäisenä keinona, koska sen kemiallinen reaktio saattaa tuhota muita todisteita ympäristöstä. Eikä luminolin avulla saada varmoja todisteita verijäljistä, vaan luminolin antaessa positiivisen tuloksen, tarvitaan lisää testejä, sillä veri ei ole ainut aine joka hehkuu luminolin vaikutuksesta. Pakastettua verta voi ostaa kaupasta, työhön tarvittava veren määrä on kuitenkin todella pieni, joten veri kannattaa pakata pienempiin pusseihin, jolloin se on nopea sulattaa ja säilyy pidempään. ikeata verta käytettäessä, näyte kuohuaa kun siihen lisätään vetyperoksidia. Tämä huonontaa valoilmiön näkyvyyttä. Kuohumista ei synny jos veren sijasta käytetään metalliliuosta. Työn suoritus Työ voidaan suorittaa joko oppilastyönä tai opettajan demonstraationa, lisäksi opettaja voi tehdä liuoksen valmiiksi jolloin liuokset ovat laimeampi ja siten myös turvallisempia käsitellä, toisaalta tällöin oppilaiden kemia tekeminen jää vähemmälle pettajan tulee etukäteen valmistaa: sopivan vahvuiset vetyperoksidin ja natriumhydroksidin sekä näyte. Työn suoritus kestää 15min 30min. Käytettävät materiaalit -2 kpl.100ml mittalasi -2 kpl. pipettiä -vettä -luminolia -2M NaH -3% vetyperoksidia H 2 2
-vaaka -näyte, voi olla esim. sian verinen paita tai kaliumferrosyanidi K 3 Fe(CN) 6 Kuva 1:Työn toteutukseen tarvittavat välineet Etukäteis- ja koontitehtävien vastauksia Etukäteistehtävät: 1) Lämmitys, reaktiopinta-alan kasvatus, konsentraation kasvatus sekä katalyytti 2) Elefantin hammastahna ; vetyperoksidin hajoaminen vedeksi, lisätään esim. kaliumjodidia jolloin reaktio muuttuu räjähdysmäiseksi. 3) Katalyytti on aine joka nopeuttaa reaktiota, muttei itse kulu reaktiossa. Koontitehtävät: 1) veri, tarkemmin veren hemoglobiinin rauta 2) sama reaktio tapahtuu, mutta reaktio tapahtuu niin heikosti ettei sitä näe 3) Reaktio näkyy samanlaisena millä tahansa aineella jossa on rautaa ja myös joillain muillakin metalleilla 4) Samoja aineita käytetään mm. neon värisissä rannekkeissa Työturvallisuus 5%-8% vetyperoksidi on ärsyttävä aine joten sen käytössä pitää olla varovainen, yli 5% vetyperoksidi on terveydelle haitallinen aine, joten sitä ei tule antaa oppilaille käsiteltäväksi. Natriumhydroksidi on ärsyttävää tai syövyttävää sen vahvuudesta riippuen, eli sen käsittelyssä tulee olla varovainen. Työtä tehdessä on välttämätöntä käyttää suojalaseja ja suojatakkeja.
LÄHTEET Burke, B., Golestaneh, K. ja Samson, H. 1999. Luminosity, My Dear Watson, Luminosity!-r, Are Those Bloodstains? Journal of Chemical Education 76 (1), 65-66. Gerber, S. Chemistry and crime, American Chemical Society Washington, D.C., 1983, 31-32. http://science.howstuffworks.com/luminol.htm http://www.iugaza.edu/users/abdellatif/instrumental%20analysis/lectures/lectures%2021- /L30.htm http://school.chem.umu.se/experiment/144