7 Aine ja reaktio

Puhtaat aineet ja niiden seokset

Johdanto

Puhdas juomavesi ja puhdas ruoka ovat turvallisia, koska niissä ei ole myrkyllisiä ainesosia eikä tavallisesti pahaa makuakaan. Kemiallisesti ne eivät kuitenkaan ole puhtaita, koska ne ovat useiden aineiden seoksia. Kemiallisesti puhdas vesi on jopa haitallista ihmiselle, koska siinä ei ole lainkaan suoloja. Puhtaita aineita meillä on kemian varastossa ja malleissa, jotka auttavat oppimaan kemiaa. Luonnossa puhtaat aineet ovat harvinaisia mutta seokset yleisiä.

Luokittelu ja esimerkit


Puhdas aine sisältää vain yhdenlaisia rakenneosia
  
Alkuaine
Kaikki rakenneosat ovat saman alkuaineen atomeita
tai alkuainemolekyylejä.
  • Heliumkaasu, rakenneosa He
  • Typpikaasu, N2
  • Kuparinauha, Cu
  • Timantti, C
 Yhdiste
Kaikki rakenneosat ovat keskenään samanlaisia,
molekyylejä tai suolayhdisteitä.
Kaava kertoo alkuaineiden suhteet rakenneosassa.
  • Vesi, rakenneosa H2O
  • Ruokasuola, NaCl
  • Metaanikaasu, CH4
  • Kaliumpermanganaatti, KMnO4
Seos sisältää erilaisia rakenneosia
Sillä ole yksiselitteistä kaavaa, koska
seossuhteet voivat vaihdella
  
Homogeeninen seos eli tasakoosteinen seos
Sekoittuu täysin pienimpinä rakenneosinaan.
  • Suolaliuos, NaCl ja H2O
  • Ilma, rakenneosat N2 ja O2
  • Kostea ilma, N2, O2 ja H2O -kaikki kaasuja!
  • Messinki, Cu ja Zn metalliseos
Metalliseosta kutsutaan lejeeringiksi.		 Heterogeeninen seos eli sekakoosteinen seos
ei sekoitu tasaiseksi. Rakenneosien kuten
kiteiden tai pisaroiden koko vaihtelee.
  • Graniitti, koostuu kvartsi- maasälpä- ja kiille-
    mineraalien kiteistä.
  • Öljy ja vesi (pisaroina. eivät liukene toisiinsa)
  • Sumuinen ilma N2, O2 ja pieniä vesipisaroita
  • Savu, ilman ja nokipartikkelien seos

Kirkkas ilma ja sumuinen ilma


Mallien selitteet Kirkas ilma on homogeeninen seos Sumuinen ilma on heterogeeninen seos

Liuos ja liukeneminen - muistiinpanot

Liuos muodostuu liuottimesta ja liuenneesta aineesta

  • On tasakoosteinen seos
  • Yleensä neste
  • Liuotin on yleensä neste, jota liuokseessa on eniten
  • Liuennut aine on sekoittunut niin tasaisesti, että jokainen rakenneosa liikkuu vapaasti
  • Liuennut aine voi puhtaana olla kiinteää, nestettä tai kaasua
  • Liuenneita aineita voi olla useampia kuin yksi
  • Liuos on yleensä valoa läpäisevä ja joko kirkas tai värillinen
  • Jos seos on samea, se ei ole liuos.
  • Usein sameuden aiheuttaa jokin sakka, joka ei liukene liuottimeen
    Ⓔ Liuoksia: merivesi, laimennettu suolahappo
    Ⓔ Ei liuoksia: velli, maito

Liuoksen pitoisuus eli väkevyys

  • Tarkoittaa liuenneen aineen osuutta liuoksessa.
    • Laimeassa liuoksessa pitoisuus on matala ja
    • väkevässä korkea.
  • Jos liuoksessa on niin paljon liuennutta ainetta, että enempää ei voi liueta, liuos on kylläinen.

Liukoisuus

  • Suure, joka kertoo kuinka paljon ainetta voi liueta.
  • Toisin sanoen kylläisen liuoksen pitoisuuden.
  • Liukoisuus riippuu
    • liuottimesta
    • liuotettavasta aineesta
    • lämpötilasta

Ⓔ Kuinka monta grammaa sokeria voi liueta desilitraan vettä huoneenlämpötilassa (n. 20 °C)
Voidaan tutkia kokeellisesti tai etsiä tieto internetistä tai taulukkokirjoista

Liukenemisnopeus

Liukoisuuden tutkiminen on joskus hidasta, koska liuottimeen lisätty aine ei liukene saman tien.
Liukenemista voidaan kuitenkin nopeuttaa ja siihen vaikuttavat

  • Liukoisuus (Liuotin ja liuotettava aine)
  • Liuotettavan aineen hienojakoisuus
  • Lämpötila
  • Sekoittaminen

Huom: Liuoksen valmistus - oppilastyöt!

Olethan tarkkana. Koetilanteessa saatetaan kysyä liuoksen valmistamisesta käytännössä.

Erotusmenetelmät - muistiinpanot

Alustus:

Liuoskappaleessa tehtiin sekoitus ja käsiteltiin liukenemisnopeutta ja liukoisuutta (kaksi eri asiaa, kertaa tarvittaessa).
Nyt pohditaan, miten aineet saadaan taas eroon toisistaan.

Erotusmenetelmiä tarvitaan

  • Aineiden tutkimiseen
    Ⓔ verikokeet, koronavirus-testi, dopingnäytteiden tutkimus, maaperätutkimukset
  • Puhdistamiseen
    Ⓔ juomavesi ja jätevesi, pakokaasut
  • Tuotteiden valmistamiseen
    Ⓔ merisuolan valmistus, bensiinin ja bitumin erottaminen raakaöljystä,
    kapsaisiinin ekstraktointi chilistä

Periaate (lisätietoa)

Erotusmenetelmissä puhutaan usein faaseista. Faasi tarkoittaa olomuotoa tai olomuotoaluetta.
Usein menetelmässä on liikkuva faasi (jotain liikkuu) ja paikallaan pysyvä faasi (jotain pysyy paikallaan)
Aineen erottuminen seoksesta perustuu faasimuutoksiin. Eroteltava aine joko:

  • jää paikallaan pysyvään (kiinteään) faasiin tai
  • siirtyy liikkuvaan (nestemäiseen) faasiin
Seoksen muut aineet toimivat päinvastoin. Erotusmenetelmän valinta riippuu seoksen ominaisuuksista ja erotettavan aineen ominaisuuksista.

Menetelmät (alleviivatut kirjassa):

  • Uuttaminen - Tunnilla ajan puitteissa
    Erotettaa kiinteästä aineesta haluttu osa nesteeseen, jonne se liukenee.
    Esim. Teen haudutus, aromia ja väriä uuttuu veteen mutta lehti ei.
  • Suodattaminen - Tunnilla ajan puitteissa
    Erottaa nesteen joukosta karkean kiintoaineksen pois.
    Vaatii yleensä epähomogeenisen seoksen. Liuos menee läpi.
    Esim. Kahvin tai teen suodatus
    Esim. Juomaveden suotautuminen harjun läpi
    • Aktiivihiilisuodatus (lisätietoa)
      Aktiivihiili eli hienojakoinen hiilipöly sitoo itseensä monia epäpuhtauksia ja erottaa ne
      • Nesteeseen lisättynä suodatinpaperille
      • Lääkehiilenä ulosteen mukana
      • Kaasunaamarin ilmasuodattimessa
    • Suodatus paineella puoliläpäisevän kalvon läpi. Muistuttaa solukalvoa
      • Erottaa liuoksesta puhdasta liuotinta, kun liuosta paineistetaan kalvoa vasten.
  • Haihduttaminen - Tapahtui kuparisulfaatin vesiliuokselle
    Erottaa kiinteän liuenneen aineen liuoksesta. Neste haihtuu harakoille.
    Haihdutetaan liuoksesta liuotin pois odottamalla tai keittämällä haihdutusmaljassa
    Esim. CuSO4 eli kuparisulfaatti jää petrimaljan pohjalle
    Esim. suolan erottaminen merivedestä
  • Tislaaminen - Tehdään tunnilla
    • Erottaa liuottimen liuoksesta:
      Keitetään liuosta niin, että höyry kerätään talteen ja annetaan tiivistyä takaisin nesteeksi jäähdyttimessä.
      Esim veden tislaaminen eroon teestä teestä
    • Erottaa tietyn liuottimen liuoksesta:
      Eri nesteet höyrystyvät eri lämpötiloissa.
      Liuosta keitettäessä ensin höyrystyy alhaisimman kiehumispisteen neste.
      Esim vesi 100 °C ja etanoli 78 °C
      Etanoli höyrystyy ensin. Laimeasta alkoholista voidaan näin tislata vahvempaa.
  • Linkous
    Lingotaan pyörivällä liikkeellä koeputkia, jolloin raskaammat aineet painuvat pohjalle.
    Erotinta kutsutaan sentrifugiksi.
    Esim. Veriplasma ja punasolut erottuvat toisistaan.Voidaan myös yhdistää siivilöintiin kuten pyykin linkouksessa. Vesi poistuu siivilän läpi.
  • Kromatografia - (lisätietoa)
    Erottaa liuenneet aineet toisistaan liukoisuuteen perustuen
    Esim paperikromatografia. Tussissa on liuenneina väriaineita, täplä paperille.
    Väriaineet liikkuvat eri nopeuksilla ajoaineen (liikkuva faasi) mukana tai jäävät paikoilleen.
    Ajoaine liikkuu paperia (pysyvä faasi) pitkin kapillaarisesti.
    Väriaineet erottuvat erillisinä rintamina tai jäävät paikoilleen.
  • Saostus (lisätietoa)
    Liuennut aine erottuu nesteestä sakkana.
    Kahden erilaisen liuoksen sekoittuessa osa liuenneista aineista usein saostuu.
    Esim metallien talteenotossa
  • Flokkulaatio (lisätietoa)
    Orgaanisen eli eloperäisen aineen kerääntyminen hiutaleiksi jäteveden puhdistuksen aikana.
    Kuoritaan altaan pinnalta.

Tislauslaitteisto

  1. Tislauskolvi
    Täällä on eroteltava seos, jonka helpoimmin höyrystyvä aine kiehuu ensin.
  2. Jäähdytin
    Laskee kaasun lämpötilaa, jolloin se tiivistyy takaisin nesteeksi
  3. Keräysastia
    Tänne kerääntyy tislauksessa erottunut aine eli tisle.
  4. Korkki
    Estää höyrystynyttä ainetta karkaamasta
  5. Kiehumakivi
    Rauhoittaa kuplimista keittämisen aikana
  6. Kaasupoltin
    Käytä sinistä liekkiä, joka ei nokea.
  • Lisäksi tislauslaitteistoa varten tarvitaan statiivitanko, kaksoispuristin ja koura kiinnitystä varten sekä kolmijalka ja kuumennusverkko hillitsemään nokeentumista ja ylikuumenemista.
  • Korkkiin on mahdollista lisätä lämpömittari. Sitä tarvitaan erityisesti silloin, kun erotetaan toisistaan nesteitä, joilla on eri kiehumispiste.
  • Mestaritislaajan keräysastiana toimiva koeputki täyttyy nopeasti ja tisle on kirkasta.
    • Silloin seosta ei saa joutua yhtään kolvin haaraputkeen
    • Kaasupoltinta käytetään sopivalla teholla ja jäähdytin on riittävän kylmä
  • Seoksesta erottuu ensimmäisenä se liuotin, jonka kiehumispiste on alin

Kemiallinen reaktio - muistiinpanot

Kemiallinen reaktio, perusteet

  • Tapahtuma, jossa
    • aineet reagoivat keskenään kemiallisesti ja muodostuu uusi yhdiste
    • tai jokin yhdiste hajoaa alkuaineiksi
  • Merkkinä valoa, ääntä, kuplia, värejä, savua, uusia aineita?
  • Kuvataan reaktioyhtälöllä, jonka kulkusuuntaa esittää reaktionuoli:
    Lähtöaineet → reaktiotuotteet
  • Atomit eivät reaktiossa muutu, joten jokaista alkuainetta on yhtä paljon lähtöaineena ja reaktiotuotteena.
  • Vertauskuva eli analogia:
    lumipallon heitto → kasvatuskeskustelu

Ⓔ Ruokasuolan muodostuminen
Na + Cl → NaCl
natrium + kloori → natriumkloridi

Ⓔ Vetyperoksidin hajoaminen - DEMO: Elefantin hammastahna
Mittalasiin loraus vetyperoksidia ja tilkka fairyä. Sekoitetaan ja lisätään ripaus mangaanidioksidia.
Havainnot: Muodostuu runsaasti vaahtoa!
Pohdinta: Mitä kuplien sisällä oikein on?
Reaktioyhtälö: 2 H2O2 → 2 H2O + O2
vetyperoksidi → vesi + happi

Huom: Vesi H2O on vaaraton janonsammuttaja,
vetyperoksidi H2O2 puolestaan on hyvin reaktiivinen aine, joka on sekä hapettava että myrkyllinen.

Tietoa:
Kuplat täyttää reaktiossa muodostuva happikaasu. Se vie paljon enemmän tilaa kuin nestemäinen vesi. Fairyä on mukana, jotta kaasu jäisi kuplien sisään. mangaanidioksidi toimii katalyyttina eli se nopeuttaa vetyperoksidin hajoamista. Vetyperoksidi hajoaa hitaasti myös itsestään. Se säilytetään jääkaapissa, jotta hajoaminen olisi mahdollisimman hidasta.

Reaktionopeus

  • Reaktio voi olla rauhallinen eli hidas Ⓔ raudan ruostuminen
  • Tai kiivas eli nopea Ⓔ tähtisadetikun palaminen
  • Reaktiota nopeuttaa
    • Lähtöaineiden valinta
    • Väkevyys eli pitoisuus
    • Hienojakoisuus
    • Hyvä sekoittuminen
    • Korkea lämpötila
    • Katalyytin käyttö

Katalyytti on aine, joka lisää reaktionopeutta mutta ei itse reagoi.
Katalyytti ei siis kulu reaktiossa.

Extra

Katalyytin vastakohta on inhibiittori. Sen tehtävä on hidastaa kemiallista reaktiota. Omenasalaattiin voidaan lisätä etikkaa, jotta omenaviipaleiden tummuminen hidastuisi. Etikka on inhibiittori, jonka tehtävä on toimia hapettumisenestoaineena.

Palaminen - muistiinpanot

Palaminen

  • Kemiallinen reaktio, jossa palava aine reagoi hapen kanssa
  • Lähtöaineita ovat siis palava aine ja happi
  • Reaktiotuotteena hapen yhdisteitä eli oksideja
Ⓔ Hiilen palaminen, kun happea on tarjolla riittävästi
C + O2 → CO2 eli
hiili + happimolekyyli → hiilidioksidi

Ⓔ Hiilen palaminen, kun happea on tarjolla niukasti
C + O → CO eli *
hiili + happi → hiilimonoksidi

* Huom: Ilmassa happi esiintyy happimolekyyleinä O2
Oikein tasapainotettu reaktioyhtälö on tässä:
2 C + O2 → 2 CO
Huom: Hiilidioksidi voi väsyttää ihmistä. Hiilimonoksidi eli häkä sen sijaan on tappavaa.

Palamisen kolmio

Palamisella on kolme vaatimusta ja kolme sammutustapaa, jolla palamisen edellytys poistetaan.


Taulukot

  • Syttymispiste on lämpötila, jossa palava aine syttyy "itsestään", jos happea on saatavilla
  • Leimahduspiste on lämpötila, jossa palava aine höyrystyy vaarallisesti ja voi syttyä kipinästä tai lähellä olevasta tulitikusta
Ⓔ Bensiinin syttymispiste on noin 270 °C, mistä ei ole suurta vaaraa. Valitettavasti sen leimahduspiste on vain −46 °C, joten pienikin kipinä saattaa kuumentaa bensiinihöyryjen molekyylejä liian helposti. Bensiiniä ei siis ikinä (kesällä tai talvella) turvallista säilyttää avoastiassa.

Lisäksi

Aineen hienojakoisuus vaikuttaa kemiallisen reaktion nopeuteen, niin myös syttymiseen ja palamiseen. Puupöly on hienompaa kuin lankku ja siksi se voi syttyä herkästi ja palaa räjähdysmäisesti. Kaasut ovat vielä hienojakoisempia. Siksi palavat aineet, jotka haihtuvat, ovat vaarallisimpia. Niillä on matala leimahduspiste.