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 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

4. Kemiallinen yhdiste ja kemikaali Pakkausmerkinnät Vaarallisten aineiden luokittelu Vaarallisten aineiden jätteet Käyttöturvallisuustiedotteet Päihdeaineet Nikotiini Alkoholi Imppaaminen

2

Kemian ilmiöiden ymmärrystä tarvitaan jokapäiväises-sä elämässä ihmisen terveyteen, arkielämään, luon-toon, ympäristöön, teknologiaan ja yhteiskuntaan liit-tyvissä asioissa. Kemia on kokeellinen luonnontiede ja kemiassa tutkitaan ainetta, sen ominaisuuksia ja ra-kennetta sekä aineiden välisiä reaktioita. Koulussa tehtävät kokeelliset työt auttavat ymmärtämään ke-mian perusilmiöitä.

Kemian teollisuudessa ja tutkimuksessa kehitetään ai-neita ja materiaaleja sekä menetelmiä, laitteita ja pro-sesseja turvaamaan ihmisen hyvinvointia ja edistä-mään 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 perusteel-la 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 kemialli-sia sidoksia. Kemiallisten yhdisteiden ominaisuudet poikkeavat usein huomattavasti reaktioon osallistu-neiden alkuaineiden ominaisuuksista. Reaktiossa si-toutuu ja vapautuu energiaa, jota sanotaan kemialli-seksi energiaksi.

Aineiden olomuodot Aineen olomuotoja ovat kiinteä, nestemäinen ja kaa-sumainen. Ionisoitunutta kaasua, jonka atomit ovat menettäneet elektroneja, nimitetään plasmaksi. Ai-neen olomuoto riippuu aineen lämpötilasta ja painees-ta. Vesi höyrystyy, kun sitä lämmitetään kattilassa. Nestekaasu on suuressa paineessa nesteenä ja muut-tuu kaasuksi, kun se tulee pois astiasta.

3

Oppilailla voi olla vaikeuksia tunnistaa olomuodon-muutosilmiöitä ja kuvailla tekijöitä, jotka vaikuttavat olomuodonmuutoksiin. Olomuodonmuutoksiin liittyvää kieltä käytetään arkielämässä toisenlaisissa merkityk-sissä. Voidaan puhua esimerkiksi silmälasien höyrys-tymisestä pakkasesta sisälle tultaessa. Itse asiassa il-massa oleva vesihöyry tiivistyy nestemäiseksi vedeksi kylmien lasien pintaan muodostaen pieniä vesipisaroi-ta. 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 lämpötilas-sa kiinteässä olomuodossa. Kaikki aineet kiinteytyvät lämpötilan laskiessa riittävän alhaiseksi. Kiinteää ai-netta lämmitettäessä rakenneyksiköiden värähtely voimistuu. Tietyssä lämpötilassa värähtely on niin voimakasta, että rakenneyksiköiden säännöllinen ra-kenne rikkoontuu ja aine sulaa. Nesteessä rakenneyk-siköt pystyvät liukumaan toistensa ohi .Lämpötilaa, jossa kiinteä aine muuttuu nesteeksi, kutsutaan ai-neen sulamispisteeksi. Sulavan jään tai jäätyvän ve-den lämpötila pysyy samana koko olomuodon muu-toksen ajan.

Kuumennettaessa uudenvuoden tinalle tapahtuu olo-muodon 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 olo-muoto ei muutu, koska raudan sulamispiste on 1535 oC. Lyijy on myrkyllistä ja se kuuluu lajitella ongelma-jätteisiin. Valu kannattaa säästää ja käyttää uudelleen seuraavana vuonna.

4

Veden voimakas lämmittäminen johtaa lopulta sen kaasuuntumiseen eli nestemäinen vesi muuttuu vesi-höyryksi. Kaasumaisessa olomuodossa aineen raken-neyksiköt liikkuvat vapaasti joka suuntaan. Kiehumis-pisteeksi kutsutaan lämpötilaa, jossa neste muuttuu kaasuksi. Aineiden sulamis- ja kiehumispisteiden luku-arvoja on koottu taulukkoihin. Aine voidaan tunnistaa sen sulamis- tai kiehumispisteen perusteella. Tunnis-tuksessa määritetään ensin tutkittavan aineen sulamis- tai kiehumispiste ja sitä verrataan taulukkoarvoon. Epäpuhtaudet muuttavat aineen sulamispistettä.

Puhtaat aineet ja seokset

Aineet voidaan luokitella puhtaisiin aineisiin ja seok-siin. Luonnossa aineet esiintyvät harvoin puhtaina al-kuaineina. Tavallisesti ne ovat sekoittuneet keske-nään, jolloin muodostuu seos. Aineen koostumuksella

tarkoitetaan sitä, minkälaisista rakenneosista (atomi, ioni tai molekyyli) aine koostuu.

· Alkuaine koostuu vain yhdenlaisista atomeista. Osa alkuaineista esiintyy kahden atomin yhteenliitty-minä, 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.

· Kemiallinen yhdiste rakentuu kahdesta tai use-ammasta eri alkuaineesta. Rakenteen perusteella yhdisteet jaotellaan molekyy-liyhdisteisiin ja ionirakenteisiin yhdisteisiin. Molekyy-liyhdisteessä atomit ovat sitoutuneet toisiinsa yhtei-

5

sessä käytössä olevien elektronien välityksellä. Esi-merkiksi vesi on molekyyliyhdiste. Ionirakenteinen yhdiste rakentuu vastakkaismerkkisten sähkövarauk-sien omaavista rakenneosista, ioneista. Esimerkiksi ruokasuola eli natriumkloridi on ionirakenteinen yhdis-te. Nykyisin tunnetaan yli 18 miljoonaa kemiallista yhdistettä.

· Puhdas aine koostuu vain yhdenlaisista rakenne-osista. 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 tar-kasteltuna joka kohdasta samanlaiselta. Esimerkiksi tärpätti (liuos), sumu (vesipisaroita kaasussa) ja teräs (metalliseokset) ovat tasakoosteisia seoksia.

· Sekakoosteinen seos näyttää eri kohdista erilaisel-ta. Esimerkiksi monet kivilajit ovat sekakoosteisia seoksia.

Aineiden ominaisuudet

Kullakin aineella on tietyt ominaisuudet, joiden perus-teella se voidaan tunnistaa. Aineet voidaan luokitella fysikaalisen tai kemiallisen ominaisuuksien mukaan. Fysikaalisia ominaisuuksia ovat esim. aineen olomuo-to, väri, kovuus ja tiheys. Nämä ominaisuudet ja nii-

den 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 pa-laminen on aineen yhtymistä hapen kanssa. Aineen reagointikykyä voidaan tutkia mm. aineiden syttymis-tä ja palamista tarkastelemalla.

Yhdisteiden ominaisuudet poikkeavat usein huomatta-vasti reaktioon osallistuvien aineiden ominaisuuksista. Esimerkiksi metallinen rauta on sinertävän harmaata, kovaa ainetta ja ilmassa oleva happi hajuton ja mau-ton kaasu. Näiden aineiden välisessä hitaassa pala-misreaktiossa muodostuva ruoste on sen sijaan punertavan ruskeaa ja helposti murenevaa.

Liukeneminen

Aineen liuetessa liuotettava aine leviää tasaisesti kaik-kialle 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 (hii-livetyjen seos) ovat liukasliikkeisiä ne haihtuvat nope-

6

asti sekä syttyvät ja palavat helposti. Rasvat (hiiliket-juja) liukenevat orgaanisiin liuottimiin.

Veteen liukenevat aineet ovat vesiliukoisia. Vesi onkin hyvä liuotin. Suolat, joiden liukoisuus veteen on pie-nempi kuin 1gramma/litra ovat niukkaliukoisia, näiden aineiden liukoisuustietoja käytetään aineiden tunnis-tamiseen. Liukoisuus on siis rajallista. Kylläisessä liu-oksessa vallitsee tasapaino, jossa liukeneminen ja sa-ostuminen kumoavat toisensa. Liuokseen on tällöin liuennut suurin mahdollinen määrä ainetta.

Sanotaankin, että kemiallisesti samanlainen aine liuot-taa samanlaista.

Aineiden liukoisuuteen vaikuttaa liuottimen ja liukene-van aineen ominaisuuksien lisäksi muitakin tekijöitä. Yleensä lämpötilan noustessa kiinteän aineen liukoi-suus veteen kasvaa ja kaasun liukoisuus siihen piene-

nee. Liukenevan aineen pieni raekoko ja aineiden se-koitus nopeuttavat liukenemista, koska vuorovaikutus aineiden välillä tehostuu . Aineiden liukoisuudet saat-tavat muuttua paljonkin jos liuotteen happamuus (pH) tai koostumus muuttuu. Hapan sadevesi liuottaa maa-perästä runsaasti alumiinia ja muita metalli-ioneja.

Happamuus ja emäksisyys

Useat elintarvikkeet ovat happamia (kemiallinen hap-pamuus = liuoksen vetyionipitoisuus). Happamuutta kuvataan pH-asteikolla, jossa lukuarvo 7 merkitsee neutraalia liuosta. Etikka, sitruunahappo ja monet muut happamat valmistus- ja lisäaineet alentavat elin-tarvikkeiden pH-arvoa. Emäksisiä elintarvikkeita on vain muutamia esimerkiksi kanamunan valkuainen ja leivinsooda. Pesuaineet ovat aineryhmä, jossa emäk-sisiä 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 ai-ne, joka voi luovuttaa vetyionin. Vastaavasti emäs on aine, joka voi vastaanottaa vetyionin.

7

Liuosten happamuus tai emäksisyys ilmoitetaan pH-arvon avulla.

Liuosten happamuutta voidaan mitata pH-paperin avulla kastamalla se mitattavaan liuokseen. pH-paperin värin muutosta verrataan paperin pakka-uksessa olevaan taulukkoon, jossa on ilmoitettu väriä vastaava pH-arvo. Indikaattori on aine, jonka rakenne muuttuu riippuen siitä, onko liuos hapan vai emäksi-nen. Rakenteen muutos tulee havaittavaksi värinmuu-toksina. Luonnon indikaattorilla, kuten mustikkame-hulla, on punainen väri happamassa ja sininen väri emäksisessä liuoksessa.

Tutkimuksia 2.1 Liuoksen valmistaminen Ota keitinlasi puolilleen vettä. Tiputa lasiin elintarvike-jauhetta niin vähän kuin mahdollista.

Tee havaintoja tapahtumista keitinlasissa. Kerro ha-vainnoistasi työparillesi, jolla on silmät kiinni ja joka ei tiedä mitään liukenemisesta.· Mitkä ovat tässä tapa-uksessa liuotin, liuotettava aine ja liuos.· Voiko liuotettavan aineen saada pois liuottimesta? Miten? Suunnittele koe, jonka avulla voit tutkia liukenemiselle käänteistä tapahtumaa. Nimeä käänteinen tapahtu-ma.· Liukeneminen on nk. itsestään tapahtuva proses-si. Tällaiseen prosessiin kuuluvat käsitteet järjestys ja epäjärjestys. Esitä liukenemisesta ja sen käänteisestä tapahtumasta kaavio joka havainnollistaa järjestys-epäjärjestys tapahtumaa. Miten energian käsite liittyy liukenemiseen? · Mitä muita itsestään tapahtuvia pro-sesseja tunnet? Miten näissä prosesseissa palautetaan järjestys? Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikro-välinesarjaan kuuluvia kennostoja.

8

2.2 Liukenemiseen vaikuttavat tekijät

Suunnittele luonnontieteellinen tutkimus, jonka aihee-na 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?” Ko-keessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesarjaan kuuluvia kennostoja.

2.3 Nesteen liukeneminen nesteeseen

Kaada koeputkiin n. 2 cm eri liuottimia. Sekoita aineet varovasti keskenään. Tee havaintoja nesteiden liuke-nemisesta.

· 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 (kiintei-tä, nesteitä ja kaasuja), jotka liukenevat/eivät liukene

9

veteen.· Vesi ei liukene bensiiniin. Talvella bensiini-tankkiin muodostuu jäätä ja vettä. Pohdi, miten ben-siinitankista olevan veden voi saada pois talvella? al-koholi (sinoli)

2.4 Liuotintutkimus Ota neljä koeputkea. Kaada jokaiseen koeputkeen eri liuotinta n. 1 cm. Sopivia liuottimia ovat esimerkiksi alkoholi (sinoli), asetoni (kynsilakan poistoaine), etik-ka, vesi. Jotta muistat, mitä liotinta missäkin koeput-kessa on, laita ne telineeseen aakkosjärjestykseen ai-neiden nimen mukaan.

Tutki, miten sokeri, jauho ja suola liukenevat ko. liu-ottimiin. Laita aina vain muutama kide tutkittavaa ai-netta koeputkeen, jotta voit tehdä tarkkoja havaintoja liukenemisesta. Jos näyte ei liukene, ravista koeput-kea. Esitä tutkimuksen tulokset taulukkona ja/tai graafisesti. · Miten liukenemisen nopeutta (liu-kenemisnopeus) voidaan mitata?· Mitä tarkoittaa liu-koisuus?· Tahran poistaminen on liuottamista. Sovella tutkimalla saatua tietoa, miten voit poistat vaateesta

rasvatahran, sokeritahran tai purukumitahran muuten kuin kaupallista puhdistusainetta käyttämällä?· Mitä liuottimia käytetään seuraavissa aineissa: virvoitus-juoma, 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 ava-taan. Pohdi, miksi virvoitusjuoma maistuu raikkaalta?

2.6 Kylläinen liuos Valmista kylläinen liuos ammoniumnitraatista, natri-umasetaatista tai ruokasuolasta seuraavan ohjeen mukaan. Ota keittopullon pohjalle vähän mahdolli-

10

simman kuumaa vettä. Liuota veteen sen verran liuo-tettavaa ainetta, kuin sitä siihen liukenee. Kun liuotet-tavaa ainetta ei enää liukene liuottimeen, liuos on kyl-läinen. Jos kaikki liuotettava aine ei liuennut, lisää sen verran kuumaa vettä, että kaikki liukenee. Jäähdytä keittopulloa kylmässä vedessä.

Mitä havaitset? Kaada liuosta hieman Petri-maljaan. Tee hypoteesi, mitä tapahtuu Petri-maljassa, kun vesi haihtuu? Piirrä tilanteesta erotuskaavio.· Miten lämpö-tila vaikuttaa liukenemiseen?· Mitä kylläiselle liuoksel-le 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).

3 Happamuus Indikaattorin värinmuutoksesta voidaan päätellä onko liuos hapan, neutraali tai emäksinen. · Mitä ominai-suuksia on happamilla ja emäksisillä aineilla? Yleisin-dikaattoripaperi 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.

Tutki yleisindikaattoripaperilla, mikä liuoksista on ha-pan, emäksinen ja neutraali. Happamuutta mitataan pH-asteikolla. Määritä saatavilla olevien nesteiden ja kiinteiden aineiden vesiliuosten happamuus hyödyntä-en pH-paperin asteikkoa. Laadi tuloksista taulukko.

11

Luokittele alla olevan kuvan kappaleet kahteen ryh-mään mahdollisimman monella eri tavalla. Mikä käsite kullakin luokittelulla opitaan? Miten happamuutta kä-sittelevän oppitunnin voisi aloittaa luokittelemalla? Kokeessa voidaan käyttää myös nk. mikrovälinesar-jaan kuuluvia kennostoja.

· Miltä sitruuna ja omena maistuvat? Miltä useimmat pesuaineet tuntuvat kädessä? · Millaisia varoitusmerkintöjä on konetiskiainepakka-uksessa? · Miksi tee vaalenee, kun siihen laitetaan sitruunaviipale? · Miksi mustikoiden poimimisen jälkeen kädet ovat punaiset ja käsien pesun jälkeen siniset? · Miksi alumiinikattila vaalenee raparperikiisseliä kei-tettäessä? · Mitä tarkoittaa “happohyökkäys hampaisiin”?

Tehtäviä

1. Miettikää pareittain, mitä tapoja keksisitte seuraa-vien 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 olomuo-to ja erilaiset ominaisuudet kuten haju, väri, kovuus ja tiheys.

3. Mihin "puhtaat aineet ja seokset” kaaviossa sijoit-taisit seuraavat aineet: jää, ilma, perunamuusi, rauta, noki, salmiakki, kahvijuoma, multa, virvoitusjuoma, timantti, pii, ruokasuola, hiili.

Puhtaita aineita ja alkuaineita: ovat rauta, timant-ti/noki/hiili ja pii. Yhdisteitä ovat jää (happea ja vetyä), salmiakki (am-monium- ja kloridi-ioneja) ja ruokasuola (natrium- ja kloridi-ioneja). Tasakoosteisia seoksia ovat: ilma, kahvijuoma ja vir-voitusjuoma. 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 luokittelus-ta. Osoitteesta

http://www.malux.edu.helsinki.fi/malu/kirjasto/yto/yto/

löydät tietoa väitekorttien hyödyntämisestä opetuk-sessa. 5. Aineet eroavat toisistaan ominaisuuksiensa perus-teella. Millaista elämäsi olisi ilman - metalliesineitä - lasia - savesta valmistettuja esineitä - muovia - värjättyjä tavaroita

Aineiden hyväksikäyttöä ennen ja nyt Ihmistä on aina kiinnostanut luonnossa esiintyvät ai-neet ja mahdollisuudet niiden muuttamiseen hyöty-käyttöön soveltuviksi. Kestävien työkalujen ja keitto-astioiden tarve sekä halu tehdä maalauksia ja värjätä vaatteita johtivat ensimmäisiin merkittäviin kemian-teknologian keksintöihin. Malmeista opittiin eristä-mään metalleja ja rikastamaan niitä, opittiin valmis-tamaan 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 ke-hittelemiä. Nämä teoriat muodostettiin usein pelkäs-tään abstraktin ajattelun pohjalta, joskus tehtiin myös kokeita ajatusten tueksi. Väitetään, että filosofit suh-tautuivat 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 maail-massa on vain neljä alkuainetta: maa, ilma, tuli ja ve-si. Empedoklesin mukaan aineet muodostuivat siten, että nämä neljä alkuainetta yhtyivät toisiinsa eri suh-teissa. Nykykäsityksen mukaan mikään näistä aineista ei ole alkuaine. Kreikkalainen filosofi Leukipposkin esitti tiettävästi ensimmäisenä ajatuksen, että atomi on aineen pienin, jakamaton osa. Leukipposkinin oppi-las Demokritos Abderalainen (n. 460-370 eKr) julkaisi

13

sitten myöhemmin kirjallisessa muodossa tämän filo-sofisen atomiteorian.

Ranskalainen tiedemies Antoine Lavoisier löysi pala-mista koskevien tutkimustensa yhteydessä alkuaineen nimeltä happi. Lavoisier korosti kokeellisen lähesty-mistavan tärkeyttä tehtäessä johtopäätöksiä luon-nonilmiöiden selittämiseen tähtäävien uusien teorioi-den 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 tutki-mustuloksiin 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 käsi-tyksemme mukaan atomi rakentuu vielä pienemmistä osista, joita ovat elektronit, protonit ja neutronit. On mahdollista, että myös nykyinen käsityksemme ato-mista tulee edelleen muuttumaan, kun tutkimusmene-telmät kehittyvät entistä tarkemmiksi.Käytössämme on erittäin runsaasti erilaisia materiaaleja, joita tutki-taan ja kehitetään. Materiaali on usein erilaisten ainei-den 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 sit-ten maapallolla olleista kasveista ja pienistä merieli-öistä. Aikojen kuluessa kasvien ja eliöiden jäänteet ovat kovassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa kul-keutuneet huokoisen maankuoren läpi ja jääneet loukkoon öljylähteiksi. Jalostuksessa saadaan maaöl-jyä tislaamalla erilaisia öljytuotteita kuten nestekaa-sua ja bensiiniä.

Muovit ovat öljynjalostuksen tuotteita n. 4% raakaöl-jystä käytetään muovituotteiden valmistukseen vuo-

14

sittain. Muoveja, tekokumia ja tekokuituja valmiste-taan pienimolekyylisistä orgaanisista yhdisteistä poly-meroimalla eli liittämällä samanlaisia toistuvia yksiköi-tä (esim. eteeni) peräkkäin pitkiksi ketjuiksi. Polymee-rien erilaiset ominaisuudet ja nimet johtuvat toistuvien yksiköiden koostumuksesta sekä muovien lisäaineista. Muoveja käytetään arkipäivän käyttötavaroista moni-mutkaisiin ja vaativampiin tekniikan ja lääketieteen sovellutuksiin. Ne ovat keveitä ja kestäviä ja hajoavat luonnossa hyvin hitaasti. Poikkeuksena ovat biohajoa-viksi kehitetyt muovit, kuten kompostipussit.

Luonnon polymeerejä Hiiltä vetyä ja happea sisältävät hiilihydraatit ovat elollisen luonnon keskeisimpiä yhdisteitä. Ne muodos-tavat kasvien rakenteen ja ovat energiavarastoja. Hii-lihydraattien palaessa muodostuu muun muassa vettä ja hiilidioksidia, joista hiilihydraattien rakentuminen

alkaa uudelleen. Tärkkelys ja selluloosa ovat luonnon polymeerejä, joissa toistuva yksikkö on glukoosi (ry-pälesokeri). Tärkkelys muodostuu kasvin vihreissä osissa ja varas-toituu kasvien siemeniin, varteen, juuriin tai mukuloi-hin. Sitä on runsaasti perunassa ja viljassa. Se on tär-kein ravintona käytetty hiilihydraatti. Suurin osa tärk-kelyksestä käytetään paperin valmistuksessa massa- ja pintaliimaukseen. Haaroittunut eläintärkkelys on samantapaista vararavintoa ihmisille kuin tärkkelys on kasveille. Lihaksissa ja maksassa on suuria määriä eläintärkkelystä joka toimii glukoosin lähteenä ruokai-lujen 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 kas-vin siementen ympärillä siemenkodasta irrotettu sellu-loosa on hyvin puhdasta ja sopii puuvillakuidun val-mistamiseen. Selluloosassa ketjut ovat haaroittumat-tomia, 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, saha-tavara, 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 omi-naisuuksiin kuten lujuus, läpinäkymättömyys, tasai-suus ja painettavuus. Moniin tarkoitukseen kelpaa uu-siopaperi, jonka raaka-aineena käytetään keräyspape-ria. 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 nii-den ominaisuuksien vuoksi eri tarkoituksiin. Sähkö-johdoissa on kuparia johtamassa sähköä, kattilat ovat metallien seoksia, koska ne johtavat lämpöä, peileissä ja koruissa käytetään metalleja niiden kiillon vuoksi.

Metallit esiintyvät luonnossa yleensä yhdisteissä, poikkeuksena eräät jalometallit joita voi esiintyä puh-taina. Maankuoren yleisin metalli on alumiini.

Metallien raaka-aineena käytettävät malmit ovat uu-siutumattomia luonnonvaroja. Kaivostoiminta aiheut-taa merkittäviä vaikutuksia maankäyttöön ja maise-maan. Malmin rikastaminen vaatii runsaasti energiaa. Metalleja on helppo kierrättää, jolloin ne sulatetaan ja käytetään uudelleen. Kierrätys säästää energiaa ja ympäristöä ja vähentää kaatopaikkajätteen määrää.

Suomessa noin puolet metallijätteestä kierrätetään.

Metallien kemiallisia merkkejä

Metalleja saadaan kallioperästä, mutta harvoin puh-taana alkuaineena. Metallit esiintyvät yhdisteinä mal-meissa, 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 arki-käyttöä paremmin kuin puhtaasta alkuainemetallista valmistettu koru. Koruille on sovittu yhteisesti pitoi-suudet joiden tulee täyttyä ja näitä pitoisuuksia kuva-taan leimoin ja merkein.

Kulta (Au) on vaaleankeltainen pehmeä taipuisa jalo-metalli. Kulta on ollut erittäin arvossapidetty korume-talli ja haluttu tuhansia vuosia. Kultaa voi takoa, va-

16

laa, pakottaa ja vetää langaksi. Koruissa sen seosme-talleja ovat kupari ja hopea. Kultaa käytetään lähinnä koruihin, kultaukseen sekä hammas- ja sähkötekniik-kaan.

Hopea (Ag) on valkoinen jalometalli. Sitä on pidetty miltei yhtä arvokkaana kuin kultaa, mutta sen arvo laski malmilöytöjen lisääntyessä. Hopeaa on vanhas-taan käytetty pehmeytensä vuoksi muilla metalleilla sekoitettuna rahoihin, koruihin, pöytäastioihin ja koriste-esineisiin.

Jalometallikoruissa nikkeliä (Ni) käytetään palladiumin (Pd) sijaan yleisesti valkokultaseoksissa. Rihkamako-ruissa nikkelin (Ni) käyttö on valitettavan tavallista, vaikka nikkeli on erittäin yleinen kosketusallergian ai-heuttaja. Nikkeliallergiasta ei pääse eroon. Lävistysten yhteydessä avohaavan kautta muodostuu yhteys ve-renkiertoon, jolloin mahdollisuus nikkeliherkistymiselle on tavallista suurempi. Nikkeliä on monissa jokapäi-väisissä pikkutavaroissa, kuten vetoketjuissa, napeis-sa, neppareissa, vaatteiden soljissa, kellon rannek-keissa, kynien metalliosissa, kolikoissa, ovien vetimis-sä ja niin edelleen. Nikkelitestiliuosta voi tiedustella apteekista. Testin avulla saa helposti selville, onko esineessä nikkeliä. Aivan pieniä pitoisuuksia se ei pal-jasta.

Maaperä

Monien materiaalien raaka-aineet saadaan maankuo-resta. 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 yh-disteinä savessa, hiekassa ja erilaisissa mineraaleissa.

Pii on puolijohde, jonka käyttö erilaisissa laitteissa on tehnyt mahdolliseksi elektroniikan valtavan kehittymi-sen. Elektroniikkateollisuutta varten pii puhdistetaan ja siitä tehdään ohuita kiekkoja.

Piiyhdisteitä käytetään myös lasin ja keramiikan val-mistukseen. Lasilla on pieni lämpölaajenemiskerroin, hyvä kestävyys sekä valonläpäisevyys kaikilla aallon-pituusalueilla. Natronlasi, jota käytetään ikkunalasina ja tavallisena käyttölasina, valmistetaan sulattamalla kvartsihiekan, (kalkkikiven eli kalsiumkarbonaatin ja natriumkarbonaatin) seosta.

Lasisten palautuspullojen kierrätys on Suomessa te-hokasta. Kierrätyspullot täytetään yli 20 kertaa ennen kuin ne päätyvät lasinkeräykseen uuden lasin raaka-aineeksi. Kierrätyslasin käyttö raaka-aineena säästää energiaa, raaka-ainetta ja vähentää jätemääriä. Suo-messa 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 ha-kea sitä tuotteille, jotka ovat ympäristöä säästäviä. Joutsenmerkki perustettiin vuonna 1989. Kaikki Poh-joismaat ovat mukana järjestelmässä.

EU:n ympäristömerkki perustettiin vuonna 1992. Se toimii samalla tavalla kuin Joutsenmerkki. Merkki on käytössä koko EU:n alueella, myös Pohjoismaissa.

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 testauk-sessa. Laita suojalasit Pudota punnus koe-esineen päälle. Tarkkaile mitä tapahtuu. Raportoi havaintosi: taipuko, säröileekö, murtuuko esine vai kestääkö se iskun.

18

Iskun voi suorittaa myös vasaralla, tällöin kannattaa pyrkiä ”pudottamaan” vasara koe-esineen päälle sa-malta korkeudelta jolloin esineisiin kohdistuu saman-suuruinen voima.

Koe-esineitä voidaan myös koettaa naarmuttaa metal-lilla. Mihin materiaaliin on hankalinta saada aikaan naarmua? 2. Hernetesti

Tutkitaan materiaalien lämmönjohtavuutta.

Tarvikkeet: Astia, herneitä, voita/margariinia, kuumaa vettä .

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 havain-not. 3. Tärkkelyksen toteaminen Lisää leikatun perunan tai perunajauhojen päälle ti-poittain kaliumjodidia. Kokeile myös ohra- ja maissi-jauhoilla.

Jodi värjää tärkkelyksen siniseksi. Väri aiheutuu jodi-molekyylien sitoutumisesta glukoosiketjujen muodos-tamien kierteiden välisiin onkaloihin. (Jodi sotkee). Tehtäviä

1. a) Pohdi, miksi kanootit tehtiin ennen puusta, mut-ta nykyisin lasikuidulla lujitetusta muovista? b) Tennis- ja salibanbymailojen materiaaleilta vaadi-taan keveyttä, kestävyyttä ja jäykkyyttä. Arvioi teräs-, puu- tai muovimateriaalien etuja tai haittoja mailo-jen materiaaleina?

19

c) Minkä ominaisuuksien perusteella kulloinkin käytet-tävät materiaalit valitaan eri tarkoituksiin?

2. a) Keksi ainakin kolme syytä, miksi turhien tavaroi-den ostamista tulisi välttää? b) Mitä turhia tavaroita olet ostanut? 3. a) Valitse parisi kanssa jokin tuote ja piirrä tai kir-joita, millainen sen elinkaari on? b) Mieti, mitä erilaisia haittoja tuotteesta on ympäris-tölle 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?

1. Mailan materiaalin soveltuvuus

Parhaat mahdolliset ominaisuudet vaaditussa kohtees-sa mahdollisimman edullisin kustannuksin.

2. Valmistuksessa käytetään luonnonvaroja. Muodos-tuu 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 rauta-atomeista. Molekyyli on kahden tai useamman atomin yhteenliittymä. Veden rakenneosaset ovat vesimole-kyylejä ja happikaasun rakenneosat happimolekyylejä.

Atomi koostuu ytimestä ja sitä ympäröivästä elektro-niverhosta. Vain tietyt muutokset ovat mahdollisia al-kuaineen atomin elektroniverhossa, mistä määräytyy millaisia sidoksia ja yhdisteitä atomit voivat keske-nään muodostaa. Atomi kuvataan tavallisesti pallona ja eri alkuaineen atomit eri väreillä. Todellisuudessa atomeilla ei kui-tenkaan ole kiinteää pintaa eikä niillä ole mitään väriä.

20

Molekyylit kuvataan toisiinsa uponneilla palloilla, ku-ten happi- tai vesimolekyylien tapauksessa.

Erilaisia atomeita on noin 110 ja jokaiselle on annettu oma kemiallinen merkki. Kemialliset merkit ovat alkuai-neiden lyhenteitä ja ne tulevat tavallisesti latinan- tai kreikankielisestä nimestä niiden löytäjän tai löytöpaik-kakunnan mukaan. Erilaisiin atomeihin ja niiden kemial-lisiin merkkeihin voi tutustua taulukossa, jossa ne on ryhmitelty alkuaineiden jaksolliseksi järjestelmäksi.

Kemialliset sidokset

Aineiden erilaiset ominaisuudet kuten sulamispiste, kiehumispiste ja liukoisuus erilaisiin liuottimiin johtu-vat atomien välisistä kemiallisista sidoksista. Molekyy-lissä atomit liittyvät toisiinsa yhteisten elektronien avulla kovalenttisiin sidoksin eli yhteisten elektronipa-rien avulla. Molekyylissä voi olla kymmeniä ja jopa sa-toja 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 eri-merkkisten ionien välistä sähköistä vetovoimaa kutsu-taan ionisidokseksi. Yhdiste on ulospäin varaukseton: positiivisten ja negatiivisten varausten summa on nol-la. Ionisidoksessa muodostuu kova mutta hauras ra-kenne. Ruokasuola eli natriumkloridi (Na+Cl-) raken-tuu ioneista. Ruokasuolakide hajoaa vasaran iskusta mutta sillä on korkea sulamispiste. Ionisidokselliset yhdisteet ovat usein vesiliukoisia.

Metallisidoksen muodostuessa metalliatomit luovutta-vat 1-3 elektronia yhteisiksi sidoselektroneiksi. Näin syntyy positiivisia metalli-ioneja, joiden välillä yhteiset elektronit pääsevät liikkumaan vapaasti. Metallien tyypilliset ominaisuudet johtuvat juuri metallihilan ra-kenteesta. Metallit johtavat hyvin sähköä, koska si-doselektronit liikkuvat melko vapaasti. Metalli-ionien tiiviistä pakkautumisesta johtuu metallien hyvä läm-

21

mönjohtavuus. Lämpövärähtely siirtyy helposti metal-li-ionista toiseen. Metallien hyvä muokattavuus johtuu siitä, että metalli-ionit voivat vaihtaa paikkaa raken-teen särkymättä.

Atomimallit

Nykyisen käsityksemme mukaan atomi ei ole aineen pienin jakamaton rakenneosa, kuten Dalton 1800-luvulla väitti. Kokeellisten tutkimustulosten ja moni-mutkaisten laskelmien perusteella atomin tiedetään rakentuvan ytimestä ja sitä ympäröivistä elektroneis-ta. Ydin koostuu positiivisesti varautuneista protoneis-ta ja varauksettomista neutroneista. Elektroneilla puo-lestaan on negatiivinen sähkövaraus. (LUE LISÄÄ)

Atomit ovat niin pieniä, ettei niitä voi havaita paljain silmin. Yksittäisiä atomeja on mahdollista nähdä elekt-ronimikroskoopilla, mutta atomin rakenneosia emme näe tälläkään laitteella.

Tutkijoiden erityisen mielenkiinnon kohteena atomin rakenteessa on ollut ja on edelleenkin elektronien jär-jestäytyminen ytimen ympärillä. Eräs syy tähän kiin-nostukseen on se, että alkuaineen ominaisuuksien tie-detään määräytyvän sen atomien elektronirakenteen perusteella. Jotta kykenisimme hahmottamaan atomien rakenteita, on meidän käytettävä apuna malleja. Kvant-timekaanisessa atomimallissa atomin elektroneille esite-tään niiden todennäköisimmät sijaintipaikat. Avaruudel-lisia tiloja, joista elektronit todennäköisimmin löytyvät, kutsutaan atomiorbitaaleiksi. Oppikirjoissa havainnollis-tetaan atomiorbitaaleja esittämällä näiden uloimmaisia rajapintoja. Atomin elektronien todennäköisimmät si-jaintipaikat saadaan selville laskennallisella menetelmäl-lä, joka perustuu mutkikkaan matemaattisen yhtälön ratkaisemiseen tietokoneen avulla. Nykyisin uskotaan, että kvanttimekaaninen atomimalli kuvaa atomin elekt-ronirakennetta melko hyvin.

Erityisesti peruskoulun oppikirjoissa havainnollistetaan atomin rakennetta käyttämällä vanhempaa ja yksin-kertaisempaa mallia, Bohrin atomimallia. Tämä malli perustuu olettamukseen, että elektronit kiertävät atomin ytimen ympäri tiettyjä tarkoin määrättyjä ym-pyräratoja pitkin. Vaikka Bohrin atomimalli onkin jo vanhentunut, se antaa karkean kuvan elektronien si-joittumisesta 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 kuo-relle 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 retkei-levät suunnistavat käyttäen apunaan karttamerkkejä. Merellä seilaavat alukset navigoivat kansainvälisesti hyväksyttyjen merimerkkien opastuksella. Kemistit ot-tivat jo varhain käyttöönsä erilaisia symboleita ainei-den kuvaamisen helpottamiseksi ja kirjoittamisen no-peuttamiseksi. 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 alkuai-neita kansainvälisesti yhdenmukaisilla kirjainmerkeillä. Niiden avulla voidaan esittää kemiallisten yhdisteiden rakenteita ja reaktioita lyhyesti ja yksiselitteisesti. Ny-kyisen merkintätapamme periaate on peräisin vuodel-ta 1813, jolloin ruotsalainen tiedemies Berzelius eh-dotti 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 ni-mestä ”carbo”. Osa nimistä kuvaa jotain kyseiselle al-kuaineelle tyypillistä ominaisuutta. Alkuaineita on ni-metty 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, magne-sium 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 sa-mansuuruinen, joten järjestelmän rakenne on yhtey-dessä atomin elektronirakenteeseen. Jakson (vaakari-vi) pituus määräytyy kullekin energiatasolle mahtuvi-en elektronien lukumäärän. Ensimmäiselle tasolle mahtuu vain kaksi elektronia, joten ensimmäinen vaa-karivi 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 al-kuaineilla on uloimmalla tai kahdella uloimmalla elekt-ronikuorella on yhtä monta elektronia.

Jaksollinen järjestelmä voidaan jakaa myös atomiorbi-taalien täyttymisjärjestyksen mukaisesti neljään s-, p-, d- ja f- lohkoon. Lohkot ilmaisevat alkuaineen orbi-

23

taalit, d-lohko alkaa täyttyä vasta neljännessä jaksos-sa muodostaen siirtymäalkuaineet. Siirtymäalkuaine määritellään aineeksi, jonka atomieilla on epätäydelli-nen d-alikuori tai joka voi muodostaa yhden tai use-ampia kationeja joilla on epätäydellien d-alikuori.

Atomien elektroniverhon rakenne vaikuttaa alkuainei-den ominaisuuksiin ja täten saman ryhmän alkuaineet muistuttavat kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuk-siltaan toisiaan. Alkuaineiden tietyt ominaisuudet, ku-ten tiheys, sulamispiste, kiehumispiste ja reaktiokyky, muuttuvat asteittain siirtyessä jaksossa vasemmalta oikealle tai ryhmässä ylhäältä alaspäin. Atomien sätei-den koko kasvaa mentäessä pääryhmässä järjestel-mää alaspäin ja pienenee edetessä jaksoa vasemmal-ta oikealle.

Maankuoren ja ihmisen elimistön tavallisimmat alkuai-neet.

Jaksollisen järjestelmän historiaa 1800 luvun alkupuolella esitettiin ensimmäinen ryh-mittely joidenkin alkuaineiden kemiallisten ominai-suuksien perusteella. Vuonna 1864 osoitettiin, että eräiden alkuaineiden ominaisuudet toistuivat kahdek-san alkuaineen jaksoissa. Vuosina 1868–1869 sekä saksalainen L. Meyer että venäläinen D. Mendelejev kehittelivät toisistaan tietämättä jaksollisuuteen pe-rustuvan alkuaineiden ryhmittelyn.

Varsinkin Mendelejevin 1872 laatimaa taulukkoa on arvostettu, koska hän osoitti taulukon käytännöllisyy-den. Hänen taulukossa oli 67 alkuainetta sekä tyhjiä kohtia. Jaksollisuuden perusteelle näihin tyhjiin kohtiin voitiin teoreettisesti ennustaa alkuaineiden olemassa-olo, vaikka kyseistä alkuainetta ei vielä ollut edes löy-detty. Jaksollinen järjestelmä on säilyttänyt muotonsa tähän päivään asti. Ryhmittelyperusteet ovat tarken-tuneet kemian tutkimuksen kehittymisen mukana ja nykyisin tunnetaan yli sata alkuainetta.

Tutkimuksia

Jalometallien leimat Työskentely ryhmissä Jalometalleja ovat kulta, hopea ja platina.

Tarvikkeet Suurennuslasi.

24

Opettaja tuo ryhmille esineitä (jalometallisia ruokailu-välineitä, 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 vi-noneliö platinaa. Leiman sisällä olevat numerot kerto-vat 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 nik-keliä. Testiliuosta voi tiedustella apteekista., mutta ai-van 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 turval-lisen rajan. (Huom! Jos olet erittäin pahasti allergisoi-tunut, 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 li-säksi on yhteiskunnassamme käytössä.

2. Olet kemisti kansainvälisesti kuuluisassa tutkimus-ryhmässä, joka löytää uuden alkuaineen. Ryhmäsi halu-aa antaa aineelle nimen ja kemiallisen merkin sinun mukaasi. Mikä voisi olla löytämänne alkuaineen kemial-linen merkki? Millaisia ominaisuuksia alkuaineella olisi?

Kemiallinen yhdiste ja kemikaali

Jokainen on päivittäin tekemisissä erilaisten kemiallis-ten yhdisteiden kanssa. Vesi sisältää happea ja vetyä ja se on kemiallinen yhdiste.

Osa kemiallisista yhdisteistä on välttämättömiä ihmi-selle 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 tuo-tettua. Kemikaali on yleisnimi, joka kattaa alkuaineis-ta ja niiden yhdisteistä valmistetut aineet ja valmis-teet. Kemikaalin olomuoto voi olla kiinteä, nestemäi-nen tai kaasumainen. Esimerkiksi rakeet, jauheet, liu-okset, aerosolit ja tahnat katsotaan kemikaaleiksi. Kemikaaleilla on erilaisia ominaisuuksia ja osalla ke-mikaalista on haitallisia tai vaarallisia ominaisuuksia

ihmiselle tai luonnolle. Jotkut aineet ovat elimistölle haitallisia hyvinkin pieninä pitoisuuksina. Tällainen ai-ne 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 vaarallisik-si ja korvaamaan vaarallisia aineita vaarattomilla. Esimerkiksi vesiliukoiset sisämaalit olivat ennen liuo-tinohenteisia. Kotitaloudessa haitallisia tai vaarallisia kemikaaleja käytetään mm. tekstiilien ja astioiden pe-sussa sekä kodin kunnostuksessa kuten liuotinohen-teisia maaleja, liimoja ja lakkoja. Lyhytaikaisia, välit-tömiä terveysriskejä voi välttää noudattamalla pakka-uksessa annettuja käyttö- ja annosteluohjeita sekä käyttämällä suojaimia (käsineitä), jos niin kehotetaan. Ravintomme sisältää erilaisia lisäaineita, joten hedel-mät on syytä kuoria ja vihannekset pestä ennen syö-mistä. Näin vältetään mahdollisten hyönteismyrkky-jäämien joutuminen elimistöön.

Lapset ovat erityisen alttiita häiriöille, koska heidän elimistönsä on vielä kehitysvaiheessa. Lasten elimistö ei pysty käsittelemään myrkyllisiä aineita yhtä tehok-kaasti kuin aikuisten. Lapset hengittävät nopeammin ja syövät ja juovat enemmän suhteessa painoonsa, joten jo suhteellisen pieni määrä terveydelle vaarallis-ta ainetta on lapselle vahingollista. Väärin käytettyinä kemikaalit aiheuttavat terveyshait-toja ja myrkytysoireita. Ympäristön kannalta haitalli-simpia 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 Is-prassa Italiassa, siellä tutkitaan ja rekisteröidään hai-tallisia ja vaarallisia kemikaaleja (kemikaaliviraston on siirtymässä Suomeen).

Pakkausmerkinnät

Pakkauksien merkinnät kertovat kemikaalien vaaralli-suudesta. Vaaralliset kemikaalit tulee merkitä selvästi ja varoitusmerkkien lisäksi pakkauksen etiketissä lue-tellaan kemikaalin kaikki vaaralliset ominaisuudet eril-lisillä lausekkeilla ja annetaan ohjeita kemikaaliin liit-tyvien vaaratilanteiden välttämiseksi.

Pakkausten merkinnät koostuvat oranssilla pohjalle piirretyistä mustista kuvasymboleista, kirjainlyhenteis-tä, vaaraa osoittavista R-lausekkeista ja turvallisuus-toimia osoittavista S-lausekkeista.

Esimerkki konetiskiaineesta (käyttöliuoksien emäksi-nen pH 10,5):

Xn, Haitallinen R36 Ärsyttää silmiä.

S2 Säilytettävä lasten ulottumattomissa. S25 Varottava kemikaalin joutumista silmiin. S26 Roiskeet silmistä huuhdeltava välittömästi run-saalla 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 tor-jumiseen ja hallintaan on kehitetty merkintä- ja tun-nistusjärjestelmä 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 ominai-suuksien mukaan seuraaviin luokkiin.

27

Palo- ja räjähdysvaarallinen kemikaali voi ominaisuuk-siensa vuoksi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen. Rä-jähtävä kemikaali voi räjähtää iskun, hankauksen tai avotulen vaikutuksesta. Aineet, jotka luovuttavat hel-posti happea, eli ovat hapettavia, voivat reaktiivisuu-tensa 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. Ympä-ristölle vaarallisuudesta on luokitusperusteet haitta-vaikutuksista vesiympäristölle ja otsonikerrokselle.

Vaarallisten aineiden jätteet Varoitusmerkillä merkityn aineen tai tuotteen jätteiden käsittelyssä menetellään merkintöjen ohjeistuksen mukaisesti. Varoitusmerkinnöillä merkityt vanhat ke-mikaalit hävitetään asianmukaisesti. Ympäristölle hai-tallisia aineita ei saa johtaa viemäriin eikä maahan. Ongelmajätteet on vietävä ongelmajätteiden keräys-pisteisiin. Tyhjät kemikaalipakkaukset ja esimerkiksi kuivunut maalijäte voidaan sen sijaan hävittää nor-maalin sekajätteen mukana. Tavallisimpia kotona syntyviä ongelmajätteitä ovat öl-jy-, maali- ja lakkajätteet, liuottimet, nappiparistot ja ladattavat akut (mm. matkapuhelimissa). Lääkkeet ja kuumemittarit tulee viedä apteekkiin. Osa sähkö- ja elektroniikkaromusta (mm akulliset kodinkoneet, esi-merkiksi hammasharjat, televisiot, tietokoneen moni-torit ja kylmälaitteet) luokitellaan ongelmajätteiksi.

29

Käyttöturvallisuustiedotteet Käyttöturvallisuustiedotteiden tarkoituksena on antaa käyttäjille tietoja kemikaalista turvallista käyttöä var-ten ja sen toimittaminen on valmistajan tai maahan-tuojan velvollisuus. Käyttöturvallisuustiedote koskee tavallisimmin valmistetta, joka koostuu useasta ai-neesta ja ensisijaisesti tiedot on suunnattu työnanta-jalle, jonka tulisi ottaa kemikaalin käyttöön liittyvät vaarat huomioon teollisessa tai ammattimaisessa toi-minnassa. Koulun laboratoriotyöskentelyssä käytettä-vistä vaarallisista kemikaaleista kootaan käyttöturval-lisuustiedotteet. Kemikaalien käsittelyä koskeva MAOL:n opas: turvalli-nen työskentely koululaboratoriossa löytyy osoitteesta http://www.maol.fi/frames/maol/Turvatyo.pdf . Käyttöturvallisuustiedote sisältää mm. seuraavia tieto-ja: vaarallisten ominaisuuksien kuvaus, reaktioherk-kyys, ensiapuohjeet, terveys- ja ympäristövaikutukset sekä tietoja jätteiden käsittelystä. Käyttöturvallisuustiedotteissa aineen myrkyllisyyttä kuvaamaan käytetään mm. merkintää LD50- arvoa (engl. lethal dose = kuolettava annos). Se tarkoittaa elopainokiloa kohti laskettua milligrammamäärää ai-netta, joka kerta-annoksena aiheuttaa kuoleman puo-lelle koe-eläimistä tiettynä aikana, tavallisesti 24 tun-nissa. Mitä alhaisempi LD50 - arvo on, sitä myrkylli-sempi aine on. Ruokasuolan tapauksessa kuolettava

annos on noin 4 grammaa painokiloa kohti. 75 kilo-gramman painoisella aikuisella tämä tarkoittaa tappa-van annoksen olevan 300 grammaa ruokasuolaa. Vas-taavasti samanpainoisella ihmisellä 75 milligrammaa nikotiinia on jo tappava annos. LD50-arvo voidaan määrittää myös ihon kautta tapahtuvalle altistukselle.

Päihdeaineet Päihteet ovat aineita, jotka vaikuttavat aivojen välittä-jäaineisiin. Päihteet vapauttavat dopamiinia, jolloin ihmiselle syntyy mielihyvän kokemus. Kaikille aiheu-tuu jotain haittoja päihteiden käytöstä toisille enem-män kuin toisille. Huumausaineilla tarkoitetaan nar-koottisia, keskushermostoon vaikuttavia aineita, jotka yleensä aiheuttavat ensin hyvänolontunnetta, virkistä-vät tai synnyttävät aistiharhoja eli hallusinaatioita. Käyttöä seuraa tajunnan häiriöitä, päänsärkyä ja pa-hoinvointia. Käyttömäärien kasvaessa sekä terveys- että riippu-vuusvaara kasvaa. Riippuvuus voi syntyä kenelle ta-hansa. Riippuvuus aineeseen syntyy vain käyttämällä. Vähitellen elimistö alkaa sopeutua huumausaineeseen, jolloin elimistön sietokyky kasvaa ja ainetta tarvitaan koko ajan enemmän saman vaikutuksen saamiseksi. Tässä tilanteessa käytön lopettaminen aiheuttaa vie-roitusoireita. Päihde on suurempi riski nuorelle kuin aikuiselle, kos-ka:

30

· Päihde aiheuttaa herkästi aivojen toimintahäiriöitä, sillä hermosolut kasvavat vielä murrosiässä · Vielä kehittymätön elimistö on herkkä. Elimistövau-riot ja riippuvuus voivat kehittyä jo parissa kuukau-dessa. · Mitä aiemmin päihteiden käytön aloittaa, sitä suu-rempi riski on jäädä aineesta riippuvaiseksi. · Mitä aiemmin nuori aloittaa humalajuomisen, sitä to-dennäköisemmin hän kokeilee myös huumeita. En-simmäiset kokeilut tapahtuvat usein humalassa Päihteet vahvistavat ja laukaisevat usein aggressiivis-ta käyttäytymistä. Useimmat väkivallanteot tehdään päihtyneenä. Riskinä on myös päihteiden käytön noi-dankehään jääminen, jolloin yliannostus, tapaturma, psyykkinen sairastuminen tai tylsistyminen vie muu-toksen mahdollisuuden. Nikotiini Puhdas nikotiini on myrkyllistä ja ympäristölle vaaral-lista. Nikotiini on useimmille eläimille myrkyllistä, ja sen johdannaisia käytetään hyönteismyrkkyinä. Niko-tiini aiheuttaa voimakkaan riippuvuuden. Nikotiinin pi-ristävää vaikutusta seuraa lamaannus, joka tulkitaan herkästi uuden annoksen tarpeeksi. Nikotiiniriippuvai-sen ajatukset pyörivät hermostuneesti tupakassa, kun nikotiinivaje veressä vaatii uutta annosta.

Suurina annoksina tupakointi voi aiheuttaa pahoin-vointia ja muita myrkytysoireita. Ihon pintaverenkier-to vähenee, mikä heikentää kylmän sietoa. Nikotiini kohottaa verenpainetta ja lisää sydämen sykettä, mi-

kä lisää erityisesti sydän- ja verisuonitaudeista kärsi-vien akuutteja riskejä. Tupakan hiilimonoksidi (häkä) heikentää hapen kuljetusta ja heikentää siten fyysistä suorituskykyä. Tupakoinnin keskeisimmät pitkäaikaiskäytöstä koitu-vat haitat ovat verenkiertoelimistön sairaudet, lukuisat syöpätaudit ja krooniset keuhkosairaudet, kuten ast-ma, krooninen keuhkoputken tulehdus ja siihen liitty-vä keuhkoahtauma. Tupakointi aiheuttaa maailman-laajuisesti noin 30 % syöpätapauksista.

Nuuska on tupakkavalmiste, jota käytetään suussa ikenen ja posken limakalvojen välissä tai kielen alla. Nuuska sisältää karkeita hiukkasia, jotka rikkovat li-makalvon ja edistävät nikotiinin imeytymistä veren-kiertoon. Nuuskassa on nikotiinia kaksikymmentä ker-taa enemmän kuin tupakassa. Nuuskan käyttöön muodostuu helposti riippuvuus.

Kannabistuotteiden polttaminen vaurioittaa hengitys-teitä voimakkaammin kuin tupakka ja vähentää val-kosolujen määrää heikentäen elimistön puolustusjär-jestelmää. Kannabiksen vaikuttava aine, THC (Delta-9-tetrahydrokannabinoidi), varastoituu keuhkoihin, ai-voihin ja sukusoluihin häiriten niiden toimintaa. Yhden käyttökerran jälkeen THC: n poistuminen elimistöstä kestää useita viikkoja. Kannabiksen käyttö heikentää lyhytaikaismuistia, uuden oppimista ja ylläpidettyä tarkkaavaisuutta ja yrittämisen halu katoaa. Pitkäai-kaisen käytön seurauksena nuori muuttuu välinpitä-mättömäksi ja apaattiseksi.

31

Alkoholi

Yleiskielessä alkoholilla tarkoitetaan etanolia, jota on alkoholijuomissa. Kemiallisesti alkoholit ovat saman-kaltaisia hiilivetyketjuja, joissa on yksi tai useampia hydroksyyliryhmiä. Useat alkoholit ovat myrkyllisiä, mukaan lukien etanoli. Etanolin päihdyttävä vaikutus perustuu siihen, että aine kulkeutuu veren mukana ai-voihin ja sitoutuu hermosolujen aktiivisuutta säätele-vään proteiiniin ja muuttaa sen rakennetta, jolloin so-lujen välinen viestintä häiriytyy. Etanolin osallistuessa elimistön aineenvaihduntaan siitä muodostuu asetal-dehydiä, joka hapettuu edelleen etikkahapoksi. Huma-la on jonkinasteinen myrkytysoire, mutta varsinaisella alkoholimyrkytyksellä tarkoitetaan veren korkean eta-nolipitoisuuden aiheuttamaa tajuttomuustilaa. Pitkäai-kainen alkoholin käyttö aiheuttaa muutoksia her-mosolujen eli reseptorien toiminnassa, välittäjäaineis-sa, niiden kuljettajissa, solukalvojen rakenteessa, hormonitoiminnassa ja entsyymeissä.

Metanoli on elimistölle huomattavasti myrkyllisempää kuin etanoli. Metanoli voi aiheuttaa jo pieninä pitoi-suuksina sokeuden tai kuoleman.

Vain jotkin moniarvoiset alkoholit ovat myrkyllisiä, mutta monet niistä, kuten ksylitoli (5-arvoinen alkoho-li) tai sorbitoli (6-arvoinen alkoholi), eivät ole ollen-kaan myrkyllisiä.

Imppaaminen

Imppaaminen tarkoittaa tavallisesti herkästi haihtuvien liuotinaineiden haistelua ja hengittämistä päihtymistar-koituksessa. Tekniset liuottimet ovat väärinkäytettyinä vaikutuksiltaan verrannollisia huumeisiin. Päihdehuolto-lain mukaan tekniset liuottimet ovat päihteitä silloin, kun niitä käytetään päihtymistarkoitukseen. Hengitetty-nä liuotinaineet aiheuttavat vakavia vammoja moniin kehon elimiin ja saatavat vaurioittaa aivoja jo yhdellä imppauskerralla.

Sisäänhengitetyt kaasut kulkeutuvat nopeasti limakalvo-jen ja keuhkojen kautta suoraan verenkiertoon ja edel-leen aivoihin ja maksaan aiheuttaen keskushermosto-, maksa-, munuais-, keuhko- ja luuydinvaurioita. Rasva-liukoiset liuottimet vahingoittavat hermosolujen solukal-vojen rakenteita. Solujen hapen- ja energiansaanti häi-riintyy. Liuotinhöyryjen lyhyt, toistuva sisään hengitys aiheuttaa välittöminä vaikutuksina sekavan ja tokkurai-sen päihtymystilan sekä mm. mielikuvien vaihtumista, houretiloja, aistiharhoja, pahoinvointia ja päänsärkyä. Yliannostuksen riski on huomattava koska hengitetyn annoksen määrää on vaikea arvioida, ja seurauksena on tajuttomuus. Imppaaminen on aiheuttanut mm. tukeh-tumiskuolemia.

Säännöllinen imppaaminen johtaa sietokyvyn lisäänty-miseen, jolloin käyttäjä tarvitsee suurempia määriä ai-netta saavuttaakseen saman vaikutuksen. Psyykkinen riippuvuus on varsin yleistä. Joillakin käyttäjillä on to-dettu fyysistä riippuvuutta. Teknisten liuottimien vieroi-tusoireita ovat vilunväristykset, hallusinaatiot, päänsär-

32

ky ja vatsakivut. Jatkuvan, pidempiaikaisen käytön seu-rauksia ovat painon putoaminen, nenäverenvuoto, ve-restävät silmät sekä kipeytynyt nenä ja suu. Pitkään ja paljon impanneiden psyykkisiä oireita ovat mielenterve-yshäiriöt, väsymys, depressio, ärtyisyys ja vihamielisyys sekä vainoharhaisuus. Tolueenin käyttäjillä on todettu merkkejä aivovaurioista, koordinaatiokyvyn heikkene-mistä ja vapinaa.

Kaikkia aineita, jotka kaasuuntuvat helposti ja aiheutta-vat päihtymistä sisään hengitettäessä voidaan käyttää imppaamiseen. Monet näistä aineista ovat helposti saa-tavilla kodeissa ja kouluissa, kuten bensiinituotteet (sis. myös bentseeniä), tupakansytyttimien butaani, puhdis-tusaineet (sis. myös bentseeniä), lennokkiliimat (tolu-eeni), jotkin kynsilakanpuhdistusaineet (asetoni) ja sy-tytinneste (teollisuusbensiini). Teknisiä liuottimia sisäl-tävien tuotteita ovat tinnerit, liimat, lakat, puhdistusai-neet, maalit, tussikynät, aerosolit, tahranpoistoaineet ja monet muut.

Kansainväliset kemikaalikortit: http://kappa.ttl.fi/kemikaalikortit/index.php?searchfield=butaani&querymethod=Name

Oppilaita saattaa kiinnostaa aineiden vaikutus häneen itseensä. Tietopainotteinen valistus ei anna sosiaalisia valmiuksia vastustaa vertaisryhmän painetta. Jo pie-nelle lapselle on tärkeää painottaa sitä, ettei hän saa lähteä vieraan mukaan eikä ottaa mitään vastaan vie-raalta ihmiseltä. Lasta tulee rohkaista suojelemaan it-seään myös siten, että hän voi toimia toisin kaverei-den tehdessä jotain hölmöä eli opetella vastustamaan ryhmäpainetta. Lasta on tärkeää kannustaa harkitse-maan asioita itsenäisesti.

Tehtäviä 1. Millaisia kemikaalituotteita käytätte päivittäin? - Shampoo, hammastahna ja kynsilakka.

33

2. Millaisia kemikaalivalmisteita kotoa löytyy? - Ilmanraikastin, polkupyörän ketjurasva, lääkkeet (astma), askartelutarvikkeet metalliesineiden hoitoai-neita, maaleja, liimoja, lakkoja ja öljytuotteita.

3. Millaisia aineita kuljetetaan lähiympäristössä ilmas-sa, merellä maantiellä?

4. Millaisia vaarallisia aineita on ympäristössäsi? - Mahdollisia esiin tulevia aineita on luokiteltu: Puhdistusaineet: konetiskiaine, desinfiointiaine ja kyn-silakan poistoaine. Polttoaineet: bensiini, liikenteestä autojen pakokaasut ja hiukkaset, (tupakansavu ja uudenvuoden raketit). Säilöntäaineet: Ruuassa, (kaloissa dioksiini), hedel-missä ja vihanneksissa tuholaismyrkkyjäämät ja sieni-en myrkyt. Maalit: Graffitimaalit, (hiusvärit). Puutarhanhoitoaineet ja luonnossa radonkaasu. 4. Oppilasryhmät valitsevat aiheryhmän (esim. puh-distusaineet) johon keskittyvät. Valmistelevat ja esit-tävät ”tutkimuksensa” muulle luokalle. - mihin ryhmän aineita käytetään - miten aine helpottaa elämää - mitä tapahtuisi jos ainetta ei olisi - mitä vaarallisia aineita kemikaali sisältää? - miksi lapset altistuvat vaarallisille aineille erilailla kuin aikuiset?

34

Oppimateriaali on laadittu ASTeL -hankkeessa (Arithmetics Science, Technology, eLearning). Hanketta ovat rahoittaneet Teknologiateollisuus ry, Kemianteollisuus ry, Helsingin kaupunki ja Helsingin yliopiston opettajankoulutuslaitos sekä Opetushalli-tus

ASTeL oppimateriaaliin kuuluvia www-sivuja ja tulostettavia pdf-tiedostoja voi käyttää yleissivistävän koulun ja opettajankou-lutuksen oppimateriaalina. Sivujen kopioiminen on tekijänoikeus-lain (0/61, muut. 897/80) ja valokuvauslain (05/61, muut. 898/80) mukaisesti kielletty. Sivuja voi tulostaa omaan käyttöön. Jos materiaalissa olevia kuvia käytetään toisessa yhteydessä, irti alkuperäisestä kontekstista, niin kuvittajalla on oikeus saada kor-vaus ja kuvien uudelleen käytöstä on sovittava erikseen kuvien tekijän kanssa.

Materiaaliin kuuluu kaksi osamateriaalia ja materiaalin laatimi-sessa ovat olleet mukana:

Opettajan materiaali: Fysiikan ja kemian tiedonalan materiaali, jossa tarkastellaan fysiikan ja kemian perusilmiöitä, rakenteita ja malleja. Teksti on kirjoitettu erityisesti luokanopettajille. Kirsi Agge (teksti), Kalle Juuti (teksti), Veera Kallunki (teksti), Tuula Kuivalainen (teksti), Jarkko Lampiselkä (teksti), Jari Lavonen (teksti), Satu Lehtinen (teksti), Veijo Meisalo (teksti), Anniina Mikama (piirroskuvitus, animaatioiden kuvitus), Mika Suhonen (valokuvat), Jukka Lepikkö (animaatiot), Jyri Jokinen (valokuvat)

Oppilaan materiaali: Peruskoulun luokkien 4-6 oppilaille suun-nattu fysiikan ja kemian tiedonalan oppimateriaali. Kirsi Agge (teksti), Jyri Jokinen (teksti, valokuvat), Anniina Mikama (piirros-kuvitus), Mika Suhonen (valokuvat), Jukka Lepikkö (animaatiot, pelit, www-toteutus).

35