Juha Siitonen Jyväskylän yliopisto Nuoren kemistin opas
1 Seosten erottaminen Vuonna 1896 nuori Puolalainen kemisti Marie Curie ja hänen Ranskalainen miehensä Pierre Curie ottivat tehtäväkseen selvittää miksi tietty uraanimalmi säteili huomattavasti muita voimakkaammin. Heille varattiin tonni jauhettua malmia, jonka he ensin liuottivat vahvoihin happoihin erottaakseen mystisen aineen. Tämän jälkeen he suodattivat ja haihduttivat muodostuneen liuoksen. Jäljelle jäänyt jauhe piti vielä puhdistaa prosessein, jotka Curiet kehittivät itsenäisesti. Kahden vuoden työskentelyn jälkeen he onnistuivat. Avatessaan illalla laboratorion oven he näkivät kuinka jokainen uutta ainetta sisältänyt pullo hohki vihreää valoa. He olivat löytäneet uuden alkuaineen, radiumin, joka on miljoona kertaa radioaktiivisempaa kuin uraani. Ensimmäisessä kokeessa tullaan toistamaan samankaltainen prosessi, mutta yksinkertaisemmilla aineilla. Kokeen sisältämät työmenetelmät tulevat toistumaan kirjan luvusta toiseen. 1.1 Suolan erotus Liuotus Sekoitetaan 50 ml vettä 0,5 tl multaa ja 0,5 tl suolaa, sekoitetaan huolellisesti. Vesi liuottaa suolan muttei multaa. Dekantointi Annetaan multa-suolavesiseoksen seisoa hetken aikaa niin, että multa asettuu lasin pohjalle. Kaadetaan mullan päälle jäänyt liuos varovasti pois niin, että multa jää lasin pohjalle. Tätä kutsutaan dekantoimiseksi. Suodatus Liuos on vielä hiukan sameaa ja se pitää suodattaa antamalla sen valua suodatinpaperin läpi. Taitellaan suodatinpaperi kuten kuvassa ja asetetaan se suppiloon. Kaadetaan liuos suodatinpaperille. Puhdasta liuosta kutsutaan suodokseksi. Haihdutus Suodos sisältää suolaa, joka voidaan vapauttaa keittämällä vesi pois. Tätä kutsutaan haihduttamiseksi. Kiteytys Veden poistuessa sitä on liian vähän liuottaakseen kaiken suolan. erottuu pieninä kiteinä. Tällöin suola
2 Alkuaineet, yhdisteet ja seokset Kaikissa kemiallisissa kokeissa käsitellään "ainetta". Aineeksi luokitellaan kaikki, joka vie tilaa ja jolla on massaa. Rautakanki on ainetta, se vie tilaa ja sillä on ilmeinen massa. Vesi on ainetta, ämpäriin kaadettu vesi vie tilaa ja ämpärin nostaminen vaikeutuu. Aine esiintyy normaaliolosuhteissa kolmessa olomuodossa, kiinteänä, nesteenä ja kaasuna. Oletetaan että täysin puhdas rautapala puretaan pieniin osasiin, lopulta päädytään vain suureen määrään yksittäisiä rauta-atomeja. Ainetta, joka koostuu vain yhdenlaisista atomeista kutsutaan alkuaineeksi. Oletetaan seuraavaksi että täysin puhdas pisara vettä puretaan samalla tavoin osasiin. Vesiatomien sijaan päädytään kahteen erilaiseen atomiin, vetyyn ja happeen, jotka molemmat ovat alkuaineita. Ainetta, joka koostuu kahdesta tai useammasta alkuaineesta kutsutaan yhdisteeksi. Samassa yhdisteessä alkuaineet yhdistyvät aina samoissa suhteissa. Ilma sisältää useita eri alkuaineita ja yhdisteitä jotka eivät kuitenkaan ole yhdistyneet kemiallisesti ne ovat vain sekoittuneet keskenään. Ainetta, joka koostuu toisiinsa sitoitumattomista aineista kutsutaan seokseksi. Alkuaineet ovat aineita, jotka koostuvat vain yhdentyyppisestä aineesta. Ne voidaan jakaa metalleihin, epämetalleihin ja puolimetalleihin. Jotkin epämetallit ovat kaasuja. (a) Kupari - Metalli (b) Jodi - Epämetalli (c) Antimoni - Puolimetalli Epäorgaaniset yhdisteet ovat aineita, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta alkuaineessta. Epäorgaaniset yhdisteet (muutamaa poikkeusta lukuunottamatta) eivät sisällä hiiltä. Tällaisia yhdisteitä ovat useat hapot, emäkset sekä suolat. (a) Kuparisulfaatti (b) Kvartsi Orgaaniset yhdisteet ovat alkuperäisen määritelmän mukaisesti elollisen luonnon tuottamia yhdisteitä. Nykyisin orgaanisiksi yhdisteiksi käsitetään hiiltä sisältävien yhdisteiden kemia. Seokset voivat koostua alkuaineista tai yhdisteistä (tai molemmista). karkeita, jotkin hyvin hienojakoisia. Jotkin seokset ovat
(a) Aspiriini (b) Sokeri 3 Vesi Ilman vettä elämä maapallolla olisi mahdotonta, onneksemme maapallon yleisin kemikaali on vesi. Noin 3/4 maan pinta-alasta on vettä, joka on jatkuvassa kiertokulussa. Se höyrystyy meristä ja järvistä ilmakehään ja jäähtyessään muodostaa pieniä pisaroita. Edelleen jäähtyessään pisarat kasvavat niin suuriksi, että ne putoavat takaisin maan pinnalle sateena. Lämpötilan ollessa tarpeeksi alhainen muuttuvat pisarat jääksi. Näin maahan satava vesi ja lumi palaavat edelleen jokia pitkin järviin ja meriin ja kierto alkaa alusta. Kemistit käyttävät luonnon menetelmää veden puhdistamiseksi. Tavallinen hanavesi muutetaan höyryksi keittämällä ja tiivistetään takaisin nesteeksi jäähdyttämällä. Prosessia kutsutaan tislaukseksi ja vettä tislatuksi vedeksi. 3.1 Vesi liuottimena Veden tärkein tehtävä on toimia liuottimena, eli aineena johon kemikaaleja voidaan liuottaa. Seuraavalla yksinkertaisella kokeella tutkitaan lämpötilan vaikutusta liukoisuuteen. 1. Sekoitetaan 1 tl pesusoodaa 0,5 lasilliseen kylmää vettä. Pesusooda liukenee hitaasti. 2. Toistetaan koe lämpimällä vedellä. Pesusooda liukenee nopeasti. Kuuma vesi liuottaa useita aineita nopeammin kuin kylmä vesi. 3.2 Veden katalyysi Vesi voi aikaansaada monia kemiallisia reaktioita itse niihin osallistumatta. Tällä taivoin vaikuttavaa ainetta kutsutaan katalyytiksi. 1. Laitetaan lasin pohjalle 1 tl leivinjauhetta ja lasketaan lasiin rautalangalla tuettu kynttilä. Kynttilä jatkaa palamista. 2. Kaadetaan leivinjauheen pääälle hiukan kuumaa vettä. Kemiallinen reaktio saa seoksen kuohumaan. Vapautuva kaasu on hiilidioksidia, se saa kynttilän liekin sammumaan.
4 Happi Ihmiskunta on tiennyt tuhansia vuosia, että eläminen ilman ilmaa on mahdotonta. Vasta vuonna 1772 Ruotsalainen kemisti Karl Scheele löysi hapen ja havaitsi sen merkityksen elämälle. Scheele huomasi aineen palavan hapessa huomattavasti voimakkaammin kuin hapen ja muiden kaasujen seoksessa, ilmassa. Laboratoriossa happea tuotetaan vapauttamalla se happirikkaista yhdisteistä. Kotilaboratoriossa käytännöllisin tällainen aine on vetyperoksidi, jota voidaan ostaa apteekista 3% -vesiliuoksena. Vesi sisältää kaksi atomia vetyä ja yhden atomin happea. Voidaan kirjoittaa: Vety - 2, Happi - 1. Tämä on lähes täysin se, mitä kemistit tekevät paitsi että alkuaineiden nimet lyhennetään kemiallisiksi merkeiksi ja numerot kirjoitetaan pieninä. Lisäksi numero 1 jätetään pois. Veden kaavaksi saadaan H 2 O. Vetyperoksidi sisältää kaksi osaa vetyä ja kaksi osaa happea. Se kirjoitetaan kemiallisesti H 2 O 2. H 2 O 2 muuttuu vedeksi H 2 O ja vapauttaa happea O saadessaan sopivan katalyytin. Katalyyttinä voidaan käyttää mangaanidioksidia, jota voidaan erottaa vanhoista hiiliparistoista. 4.1 Ilmakehä sisältää happea 1. Kiinnitetään syvän lautasen pohjaan sinitarralla kynttilä ja kaadetaan lautaselle vettä. Sytytetään kynttilä palamaan ja asetetaan sen päälle tyhjä purkki. 2. Hetken kuluttua kynttilä sammuu ja vesi on noussut purkkiin korvaamaan kulutetun hapen. 4.2 Pienen happimäärän valmistaminen 1. Täytetään purkki 1/4 3% vetyperoksidilla. Lisätään hyppysellinen mangaanidioksidia hiiliparistoista. Sytytetään hammastikku palamaan ja puhalletaan se sammuksiin, niin että se hehkuu. Purkkiin asetettu tikku alkaa hehkua kirkkaammin ja saattaa jopa syttyä uudelleen palamaan.
5 Hiilidioksidi Hiiltä sisältävien yhdisteiden palaminen ilmassa tuottaa kaasua jota kutsutaan hiilidioksidiksi (CO 2 ). Hiilidioksidi on elämän kannalta myöskin välttämätön aine. Viherkasvit kuluttavat ilmakehän hiilidioksidia yhteyttämisessä, yhdistäen sen veden hapen ja vedyn kanssa solukoksi jota ihmiset ja muut eläimet voivat syödä. Ilmassa hiilidioksidia ei voi nähdä, mutta sen voi puristaa ja jäähdyttää kiinteäksi palaksi. Tällaista hiilidioksidia kutsutaan kuivajääksi. Veteen (H 2 O) liuotettuna hiilidioksidi (CO 2 ) muodostaa heikon hapon, hiilihapon ((H 2 CO 3 ). Tämä aiheuttaa kivennäisveden happaman maun. Hiilihappo yhtyy moniin metalleihin muodostaen karbonaatteja. Hiilidioksidi voidaan edelleen vapauttaa karbonaateista heikon hapon, kuten etikan (joka on laimeaa etaanihappoa), avulla. 5.1 Hiilidioksidin ominaisuudet 1. Laitetaan kannuun 1 tl ruokasoodaa ja kaadetaan päälle pieni määrä etikkaa. 2. Tuetaan kynttilä suureen purkkiin rautalangalla ja kaadetaan kannussa muodostunut hiilidioksidi purkkiin. Hiilidioksidin sammuttaa liekin. 5.2 Kalkkiveden valmistaminen 1. Sekoitetaan 1 tl sammutettua kalkkia puoleen litraan vettä. 2. Anna seoksen seisoa kunnes kalkki on laskeutunut astian pohjalle. Suodatetaan liuos tiukasti suljettavaan pulloon. 5.3 Hiilidioksiditesti 1. Ripustetaan palava kynttilä purkkiin, jonka pohjalla on muutama millilitra kalkkivettä. Asetetaan purkin kanneksi alumiinifoliopala. Kynttilän sammuttua sekoitetaan kalkkivettä niin, että purkissa oleva ilma pääsee kosketuksiin sen kanssa. Liuos muuttuu maitomaiseksi osoituksena hiilidioksidin läsnäolosta. 5.4 Hengitys tuottaa hiilidioksidia 1. Puhalletaan uloshengitystä pillin kautta purkkiin, jonka pohjalla on muutama millilitra kalkkivettä. Liuos muuttuu maitomaiseksi. Tämä osoittaa hengityksen olevan palamisprosesssi.
5.5 Typpi ja sen yhdisteet Aineen palaessa ilmassa noin 1/5 ilmasta kuluu palamisreaktioon. Loppu (pientä murto-osaa lukuunottamatta) ei kulu palamisessa. Tämä kaasu on typpeä (N). Typpeä voidaan kutsua "laiskaksi" alkuaineeksi, se ei osallistu palamiseen eikä pala itse. Vain korkeissa lämpötiloissa ja suurissa paineissa se muodostaa yhdisteitä. Yleisin tällainen yhdiste on ammoniakki (NH 3 ), josta muut typpiyhdisteet valmistetaan. Silti luonnossa bakteerit voivat hyödyntää ilmakehän typen ja muuttaa sen kemiallisesti aktiivisiksi nitraateiksi. Tällä on suuri merkitys, koska kaikki kasvit tarvitsevat typpeä kasvaakseen. Keinolannoitteet ovat usein nitraattipitoisia, tällä korvataan viljelymaan alhaista typpipitoisuutta. Itse typen kanssa suoritettavat kokeet eivät ole niinkään mielekiintoisia, mutta sen yhdisteillä on huomattavan mielenkiintoista kemiaa. 5.6 Ammoniakin valmistaminn 1. Sekoitetaan 1 osa salmiakkia ja 2 osaa sammutettua kalkkia koeputkessa. Lisätään pisara vettä ja kuumennetaan kuvan mukaisesti. 2. Kerätään muodostuva ammoniakki kuivaan koeputkeen. 5.7 Ammoniakin emäksisyys 1. Viedään kostutettu ph-paperi ammoniakkia sisältävän koeputken suulle ja havaitaan sen muuttuvan siniseksi. Tämä osoittaa ammoniakin olevan emäs. 5.8 Ammoniakin liukoisuus 1. Peitetään koeputken suu peukalolla ja asetetaan se alassuin kylmää vettä sisältävään astiaan. Avataan putki veden alla. Ammoniakki liukenee runsaasti veteen ja syöksähtää koeputkeen.