Kemian menetelmät ja kvalitatiiviset mallit Ilma ja vesi 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
ILMA JA VESI SISÄLLYS ILMA JA VESI 1. Ilman koostumus 2. Ilmakehä 1. ILMAN KOOSTUMUS Tuoksujen leviäminen Kun kotona leivotaan, herkullinen tuoksu leviää joka huoneeseen, jopa rappukäytävään. Kun huoneeseen astuu henkilö, joka on käyttänyt hajuvettä tai partavettä, tuoksu tuntuu hänen ympärillään. Samoin käy, ikävä kyllä, myös epämiellyttäville hajuille. Tuoksut ja hajut leviävät ilmassa pieninä hiukkasina, kulkeutuvat nenään, jossa kiinnittyvät hajureseptoriin. Reseptori lähettää aivoihin signaalin, joka tulkitaan kyseisen aineen hajuksi. Tuoksujen leviäminen johtuu diffuusioilmiöstä. 2
Diffuusio on kaasumaisessa olomuodossa olevien hiukkasten, atomien tai molekyylien, itsestään tapahtuvaa sekoittumista. Muutoksen suunta on aina kohti tasakoosteista kaasuseosta. Kuumailmapallon toiminta Kuumailmapallo nousee ylöspäin, koska sen sisällä oleva ilma on nimensä mukaisesti kuumaa. Samasta mekanismista johtuen enkelikellossa yläosan koriste alkaa pyöriä, kun kynttilät sytytetään. Kynttilän palaessa muodostuu kuumia kaasuja, jotka ovat ympäröivää ilmaa harvempaa ja kohoavat ylöspäin. Tiheys kuvaa sitä, kuinka lähekkäin aineen rakenneosat ovat pakkautuneet. Mitä voimakkaampia hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat, sitä tiiviimmin rakenneosat pakkaantuvat yhteen. Mitä heikompia hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat, sitä kauempana rakenneyksiköt toisistaan ovat ja sitä harvempaa aine on. Ilman pääasialliset rakenneosat ovat typpi, happi, argon ja hiilidioksidi. Rakenteeltaan ne ovat pieniä, melko symmetrisiä molekyylejä. Ilma on tavallisissa olosuhteissa kaasua, josta voidaan päätellä, että ilman rakenneosien välinen sähköinen vuorovaikutus on melko vähäistä. Esimerkiksi vesi on samoissa olosuhteissa nestemäistä ja rauta kiinteää, joten näissä aineissa hiukkasten välistä vuorovaikutusta on enemmän ja rakenneosat pakkautuneet tiiviimmin kuin ilmassa. Aineen tiiviys ja massa, ja siten myös aineen paino, ovat suoraan verrannollisia toisiinsa. Otetaan vertailukohdaksi esimerkiksi maitotölkillinen (1 l) eri aineita. Litra ilmaa painaa vähemmän kuin litra vettä joka painaa vähemmän kuin sama määrä hiekkaa. Erot ovat selviä jo siksi, että aineet ovat eri olomuodossa. Vastaavantyyppinen vertailu voidaan tehdä eri aineille, kun ne ovat samassa olomuodossa. Litra vetykaasua painaa vähemmän kuin litra heliumkaasua, jotka molemmat painavat vähemmän kuin litra ilmaa. Hiilidioksidikaasu on puolestaan raskaampaa kuin ilma. Lämpötilan kohotessa aineen rakenneosien liike lisääntyy. Mitä lämpimämpää aine on, sitä nopeammin aineen rakenneyksilöt liikkuvat ja sitä kauempana toisistaan ne ovat. Lämpötilan laskiessa aineen rakenneyksiköiden välinen liike vähenee. Mitä kylmempää aine on, sitä hitaammin aineen rakenneyksiköt liikkuvat ja sitä lähempänä toisiaan ne ovat. Kuuma ilma on siten harvempaa kuin kylmä ilma. Todella kylmässä 3
ilman rakenneosa pakkaantuvat niin lähelle toisiaan, että ilma nesteytyy. Jos jäähdyttämistä jatketaan edelleen, superkylmässä lämpötilassa ilmakin voi kiinteytyä. Aineet laajenevat yleisesti lämmetessään. Erityisen selvää laajeneminen on kaasuilla, koska niiden rakenneosaset eivät ole kiinni toisissaan, vaan pääsevät vapaasti liikkumaan eri suuntiin. Ilma laajenee ja kohoaa lämmetessään. Kohoava ilma liikuttaa kevyitä esineitä ympärillään, esimerkiksi lämpöpatterin yläpuolella verhot ja kevyet koristeet saattavat liikkua. Kuumailmapallon sisällä oleva kaasu on ympäröivää ilmaa harvempaa, joten se kohoaa ylöspäin. Samasta ilmiöstä johtuen veden alle pakotettu harvaa, kevyttä kaasua sisältävä pingispallo kohoaa veden pinnalle. Kuumailmapallon sisältö on kevyempää kuin ympäröivä ilma, ja pallo nousee. Jos pallo on tarpeeksi suuri, pallon sisäpuoleisen kaasun ja ympäröivän ilman tiheyseroista seuraava nostovoima on suuri, että myös kori ja matkustaja kohoavat ilmaan. Silmälasien huurtuminen Silmälasit huurtuvat kylmästä lämpimään tultaessa, kylmä virvoitusjuomapullon pinta kostuu helteellä ja talvella kylmän ikkunalasin pinta huurtuu, kun siihen hönkäisee. Ilmiö johtuu ilmassa ja uloshengityskaasussa olevan vesihöyryn tiivistymisestä nesteeksi kylmälle pinnalle. Kylmä esine kostuu lämpimään huoneeseen tuotaessa. Ilmiö johtuu siitä, että ilmassa oleva vesihöyry jäähtyy ja tiivistyy kohdatessaan kylmän pinnan. Pinnalle muodostuu ensin pieniä vesipisaroita, ja tiivistymisen jatkuessa hiljalleen isompia vesipisaroita, jopa pieniä lätäköitä. Vesihöyryn rakenneosaset siis menettävät energiaa, niiden liike vähenee, jolloin vesi tiivistyy nestemäiseen muotoon. Joskus energian menetys voi olla niin suuri, että kaasu muuttuu suoraan kiinteäksi huurteeksi eli härmistyy. Ilmanpuhdistimet Useissa kodeissa on ilmanpuhdistimia, jotka imevät huoneilmaa sisäänsä ja suodattavat siitä pölyä ja muita epäpuhtauksia. Tuloksena on puhtaampaa ilmaa. Ilmanpuhdistus perustuu kemialliseen tai fysikaaliseen muutokseen tai molempaan yhtä aikaa. Kemiallisessa puhdistuksessa poistettava aine reagoi puhdistimessa olevan aineen kanssa ja poistuu ilman joukosta. Fysikaaliseen muutokseen perustuvassa puhdistuksessa poistettava aine erotellaan ilman joukosta esimerkiksi suuremman hiukkaskokonsa perusteella seulomalla. Joissain tilanteissa ilmanpuhdistuksessa käytetään apuna sähköä tai sähkömagneettista säteilyä. Edellisellä saadaan aikaan esimerkiksi otsonin muodostumista. Otsoni reagoi herkästi muiden aineiden kanssa, esimerkiksi pahaa hajua aiheuttavan aineen kanssa ja hajuhaitta poistuu. Sähkömagneettista säteilyä, kuten UV-säteilyä, käytetään ilmanpuhdistuksessa tappamaan taudinaiheuttajia. Kemiallisessa puhdistuksessa poistettava aine joko reagoi puhdistimessa olevien aineiden kanssa tai kiin- 4
nittyy puhdistimessa olevan aineen pintaan. Esimerkiksi suojanaamareissa oleva aktiivihiilisuodatin poistaa sisäänhengitysilmasta terveydellisiä kaasuja siten, että aineet kiinnittyvät suodattimessa olevan hiilen pintaan. Monet teollisuuslaitokset puhdistavat terveydelle haitallisia aineita, kuten typen ja rikin oksideja, savukaasuistaan kemiallisin ja fysikaalisin menetelmin. Polttomoottorin palamiskaasuja puhdistukseen on kehitetty erityinen laite, katalysaattori, joka on nykyään pakollinen varuste kaikissa uusissa autoissa. Ilma on ainetta Ilma on ainetta. Sen voi todeta siitä, että sillä on massa ja tarvitsee tilaa. Ilma vaikuttaa kevyeltä, sillä yksi litra huoneenlämpöistä ilmaa on massaltaan vain 1,3 grammaa. Kuutio ilmaa eli 1 m x 1 m x 1 m tilavuinen määrä ilmaa on kuitenkin massaltaan 1,3 Kg ja tavallisessa luokkahuoneessa (10 m x 10 m x 3 m) olevan ilman massa on lähes 390 kg! Ilma tarvitsee tilaa ja kaasumaisena aineena se leviää koko käytettävissä olevaan tilaan. Kun ilmapallon avaa veden alla, veden pinnalle nousee kuplia. Ne ovat sen kaasun kuplia, joilla ilmapallo oli täytetty. Kaasukuplat ovat veden pinnan alla havaittavissa selvärajaisina, tilaa tarvitsevina kaasukuplina, mutta veden pinnalle päästyään leviävät koko huoneilmaan. Kaikilla kaasuilla on ilman tavoin massa. Kaasun massa riippuu ensisijaisesti siitä, mistä alkuaineista kaasu koostuu, mutta myös siitä, miten voimakkaasti rakenneyksiköt vetävät toisiaan puoleensa. Ilman koostumus Ilma on kaasumaista ainetta, joka on kaasujen seos. Ilmasta n. 78% on typpeä ja n. 21% happea, jäljelle jäävä prosentin osuus koostuu jalokaasuista, vaihtelevaista määristä hiilidioksidia ja vesihöyryä. Ilmassa on myös eri määriä saasteita. Ilma on välttämätön aine maapallon elämälle. Tämä johtuu siitä ilma pääasialliset rakenneosat, typpi, happi ja hiili, ovat kukin tärkeitä aineita kaikille elämänmuodoilla maan päällä. Ne ovat vuoroin mm. sitoutuneina erilaisiin yhdisteisiin vesi, maa- ja kallioperässä ja vuoroin vapaina alkuaineina ja yhdisteinä ilmakehässä. Happi on tavallisissa olosuhteissa hajuton, mauton, ja väritön kaasu. Hapen kemiallinen merkki on O, mutta luonnossa se esiintyy tavallisesti kahden atomin muodostamana happimolekyylinä O2 tai kemiallisiin yhdisteisiin sitoutuneena. Yksiatomista happea ei tavata muuten kuin erityisolosuhteissa. Happi muodostaa helposti yhdisteitä muiden aineiden kanssa. Aineen palaminen on hapen yhtymistä siihen. Happikaasulla on toinenkin muoto, otsoni O3, joka esiintyy ylempänä ilmakehässä, jossa se suojaa maata auringon haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Typpi on hajuton, mauton, väritön kaasu. Sen kemiallinen merkki on N, mutta esiintyy luonnossa tavallises- 5
ti kahden atomin muodostamana typpimolekyylinä N2 tai kemiallisiin yhdisteisiin sitoutuneena. Kasvit tarvitsevat typpeä kasvaakseen - joillakin kasveilla on jopa juurimukulat, jotka tuottavat typpeä kasvin käyttöön. Kasvien kasvua parantavissa lannoitteissakin on typpeä. Typpimolekyyli on hyvin passiivinen eikä juuri reagoi muiden aineiden kanssa. Ominaisuutensa perusteella sitä käytetään mm. elintarvikepakkauksissa suojakaasuna. Vesi on hajuton, mauton, väritön kaasu. Sen kemiallinen merkki on H2O. Vettä esiintyy luonnossa kiinteänä (jää), nestemäisenä ja kaasuna (höyry). Ilmakehän vesihöyrypitoisuus on suurin ilmakehän alaosissa. Vesihöyry on kaikkein voimakkain kasvihuonekaasu. hiilidioksidikaasua on massaltaan noin 2 g eli se on ilmaa raskaampaa. Hiilidioksidia käytetään palosammuttimissa. Hiilidioksidia muodostuu hiililtä sisältävien aineiden palamisreaktion lisäksi happaman aineen, esimerkiksi etikan, reagoidessa ruokasoodan, kalkkikiven tai munankuorien kanssa. Hiilidioksidin liuetessa veteen muodostuu hiilihappoa, joka on tuttu aine mm. virvoitusjuomista. Turkit ja höyhenet Samoin kuin ilmakehä estää lämpösäteilyä karkaamasta maapallolta, ilma estää myös lämpötilan muutoksia, eli se toimii lämmöneristeenä. Eläinten turkit tai höyhenpuvut tuntuvat sitä lämpimämmiltä, mitä enemmän ne pystyvät varastoimaan ilmaa eläimen lämpimän ihon ja esimerkiksi kylmän ilman väliin. Samoin toimivat ihmisten vaatteet. Mitä paksumpi ja pöyheämpi takki on, sitä lämpimämmäksi se koetaan. Turkit, höyhenpuvut ja vaatteet eivät siis itse ole lämpimiä, vaan vähentävät käyttäjänsä ruumiinlämmön siirtymistä ympäristöön. Hiilidioksidi on hajuton, mauton, väritön kaasu. Sen kemiallinen merkki on CO2. Litra huoneenlämpöistä 6
2. ILMAKEHÄ Ilmakehän rakenne ja merkitys Ilmakehän koostumus vaihtelee. Siihen vaikuttavat energiantuotannossa lämmityksessä, liikenteessä, teollisuudessa ja jätteiden poltossa muodostuneet aineet. Ilma koostuu kaasumaisessa olomuodossa olevista molekyyleistä ja eri tavoin rakentuneista, mikroskooppisista hiukkasista kuten noesta, tuhkasta ja pölystä. Ilmakehä on monin tavoin elämän edellytys planeetallamme. Eliöt tarvitsevat ilman happea aineenvaihduntaansa. Ilmakehä suojaa maata haitalliselta säteilyltä, ulkoavaruuden kylmyydeltä sekä meteoriiteilta. Valtaosa maapallolle saapuvista meteoriiteista tuhoutuu ilmanvastuksen takia. Ilmiö nähdään ns. tähdenlentona. Ilmakehän otsoni muodostaa n. 25 kilometrin korkeudessa Maata suojaavan kerroksen auringon haitallista UV säteilyä vastaan. Ilman saastumisen johdosta suojaava otsonikerros on vaurioitunut ja on muodostunut ns. otsonikato. Otsonikadosta aiheutuu haittaa ihmisille ja muille eläville olennoille. Ilmakehän kaasut päästävät lävitseen suurimman osa auringon säteilyn valkoisen valon aallonpituuksista. Maanpinnalle saapuva lyhytaaltoinen säteily absorboituu maaperään ja muuntuu pitkäaaltoisemmaksi säteilyksi ns. lämpösäteilyksi. Kasvihuonekaasut absorboivat tehokkaasti maaperän lämpösäteilyä, minkä seurauksena alailmakehä lämpenee. Merkittävimpiä kasvihuonekaasuja ovat vesihöyry ja hiilidioksidi. Hengittäminen ja palaminen poistavat ilmakehästä happea ja samalla muodostuu hiilidioksidia. Vihreät 7
kasvit käyttävät ilmassa olevaa hiilidioksidia ja valmistavat siitä veden kanssa ja auringon energian avulla hiilihydraatteja. Samalla muodostuu happea. Ilmakehässä olevat happivarat ovat muodostuneet pääasiassa kasvien toiminnan tuloksena. Ilmakehän vesi on suurimmaksi osaksi höyrynä, jota on eniten ilmakehän alimmissa osissa. Vesi haihtuu koko ajan maapallolta ilmakehään, muodostaa erilaisia pilviä ja palaa sieltä vesi- ja lumisateena takaisin. Aavikoiden yllä ilma on kuivinta ja ilman kosteus on suurin päiväntasaajaseutujen ja monsuunialueiden yläpuolella. Pimeänä aikana kasvit tarvitsevat happea muuttaessaan tuottamiensa ravintoaineiden kemiallista energiaa omaan käyttöönsä, samoin kuin eläimet. Tämä hapen ja ravinteiden reaktio tapahtuu soluissa ja sitä kutsutaan soluhengitykseksi. Prosessissa vapautuu vettä ja hiilidioksidia sekä energiaa. Reaktio on palamista, koska siinä aine yhtyy happeen. Happi siis kiertää jatkuvasti ilmasta eliöihin ja takaisin ilmaan. Osa ilmansaasteista aiheuttaa otsonin muodostumista alailmakehään. Ylempänä ilmakehässä otsoni suojaa maapalloa, mutta alailmakehässä se on myrkyllisyytensä vuoksi haitallista eliöille ja aiheuttaa materiaalivahinkoja myös elottomille kohteille. Toisaalta ilmakehän saasteet aiheuttavat myös ilmakehässä korkeammalla olevan otsonikerroksen vaurioitumista ja ilmaston lämpenemistä. Muiden planeettojen kaasukehät eivät ole ilmakehiä. Neptunusta ympäröi kaasukehä, joka on koostunut lähinnä metaanista. Jupiterilla ja Saturnuksella on vedystä koostuvat, sakeat ja pilviset kaasukehät. Ilmakehän ilmiöitä 8