30.8.2016

1

VESI KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2

Johdantoa: Vesi on elämälle välttämätöntä. Se on hyvä liuotin, energian ja ai-neiden siirtäjä, lämmönsäätelijä ja se muodostaa vetysidoksia, jotka tekevät siitä poikkeuksellisen verrattuna muihin happiryhmän alkuaineisiin. Elävän luonnon kemialliset reaktiot tapahtuvat pääosin veteen liuenneiden molekyylien ja ionien välillä. Tarkastellaan aluksi hieman veden kiertokulkua.

Veden ominaisuudet: Vesimolekyyli koostuu kahdesta vety ja yhdestä happiatomista, hapen ja vetyjen väliset sidokset ovat poolisia kovalentti-sia sidoksia. Näin ollen vesimolekyyli on dipoli. Vesi muodostaa vetysidoksia, jotka tekevät siitä erityislaatuisen.

30.8.2016

2

Ilman vetysidoksia vesi esiintyisi maapallolla vain kaasuna, kuten hiili-dioksidi tai metaani.

Veden ominaisuudet (jatkuu):

Veden muodostuessa vapautuu paljon energiaa ∆𝐻 = −286kJ

mol, eli ky-

seessä on eksoterminen reaktio. Puhdas vesi on huoneenlämpötilassa haju-ton, väritön ja mauton.

Vedellä on moniin muihin molekyylikooltaan vastaavan suuruisiin yhdisteisiin

verrattuna korkea ominaislämpökapasiteetti 4,1819kJ

kgK, ominaissulamis-

lämpö 333kJ

kg ja höyrystymislämpö 2 260

kJ

kg.

Vesi poikkeaa muista aineista myös siinä, että sen kiinteä olomuoto (jää) on neste-mäistä harvempaa. Tilavuus kasvaa noin 9% veden jäätyessä. Jää kelluu veden pinnalla. Vesieliöille elintärkeä veden ominaisuus on sen tiheys, tiheimmillään vesi on +4℃ lämpötilassa.

30.8.2016

3

Sulamisessa jään ontelo-mainen rakenne luhistuu ja vesimolekyylit pääse-vät lähemmäs toisiaan.

Veden kolmoispiste

Kyseessä on veden faasidiagrammi. Ns. kolmoispisteessä veden lämpötila on 0,01℃ ja paine 611,73Pa. Veden kriittinen piste saavutetaan 374 celsius-asteen lämpötilassa ja 22,1 megapascalin paineessa. Huomioitavaa on kiinte-än ja nesteen välisen faasirajan ”positiivinen kulmakerroin”. Nimittäin 𝐻𝑒:lla se on negatiivinen. Faasi on fysikaal. ja kemial. yhtenäinen olomuotoalue, jossa on selvä rajapin-ta. Fysikaalisesti = yhtenäinen koostumus, kemiallisesti = yhtenäiset ominais.

30.8.2016

4

Pain

e, p

/Pa

Lämpötila, T/K

Veden kokeellisesta faasidiagrammista näkyy eri kiinteät faasit

Hiilidioksidin kokeellinen faasidiagrammi. Huomaa, että koska kolmoispiste sijaitsee huomattavasti ilmanpaineen yläpuolella, nestemäinen CO2 ei esiinny normaaliolo-suhteissa (paineen pitää olla vähintään

5,11 ilmakehää)

Osa jään (jää-I) rakenteesta. Jokainen O-atomi on sitoutunut kovalenttisesti kahteen H-atomiin ja kahdella vety-

sidoksella viereisiin O-atomeihin tetraedrinen järjestys.

Vedellä on pintajännitys, joka perustuu vetysidoksiin!

Mitä vahvemmat ovat molekyylien väliset vetovoimat, sitä suurempi on pintajännitys. Veden pintajännitys on suurem-pi kuin etanolin.

30.8.2016

5

Värjätty vesi Eripaksuisia lasiputkia värjätyssä vedessä Elohopea

Kapillaari-ilmiö

Petrimaljassa on natriumhydroksidi-

liuosta ja puoliläpäisevässä kalvo-

pussissa fenoliftaleiiniliuosta.

Diffuusio ja osmoosi

Diffuusio on ilmiö, jossa molekyylit pyrkivät siirtymään väkevämmästä pi-toisuudesta laimeampaan tasoittaen mahdolliset pitoisuuserot ajan mit-taan. Esimerkiksi solun sisäisen ja ulkoisen suolatasapainon ylläpitäminen perus-tuu diffuusioon. Jos juot liikaa vettä, niin solun sisältä siirtyy suoloja solun ulkopuolelle solutoiminta häiriintyy tulee ns. vesipöhö, joka on vaarallinen.

Veden diffuusiota sanotaan osmoo-sioksi.

30.8.2016

6

Pinta-aktiiviset aineet eli tensidit Aineita; jotka laskevat liuoksen pintajännitystä kutsutaan pinta-aktii-visiksi aineiksi. Voimakkaasti pintajännitystä alentavia aineita kutsu-taan tensideiksi.

Tensidit eli pinta-aktiiviset aineet ovat kemiallisia yhdisteitä, joissa on hydrofiilinen (vesihakuinen) ja hydrofobinen (vesipakoinen) pää. Täl-laisia yhdisteitä ovat esimerkiksi saippuat.

Tensidit tunkeutuvat vesiliuoksessa vesimolekyylien väleihin pienen-täen pintajännitystä. Saippuan ja muiden tensidien toiminta perustuu siihen, että pooliton lika sitoutuu tensidien vedessä muodostamiin miselleihin.

30.8.2016

7

• Veden kovuus aiheutuu siihen liuenneista kalsium- ja magnesium-ioneista Ca2+ ja Mg2+.

• Mitä enemmän vedessä on kyseisiä ioneja, sitä kovempaa se on.

• Saippuan ongelma on, että kovassa vedessä olevat kalsium- ja mag-nesiumionit muodostavat rasvahappoanionien kanssa niukkaliukoi-sia suoloja, ns. kalkkisaippuaa.

• Kalkkisaippuan muodostuminen voidaan estää myös käyttämällä syn-teettisiä tensidejä, jotka eivät muodosta kovassa vedessä niukkaliu-koisia suoloja.

30.8.2016

8

ilma

vesi

vesi

Kiinteä aine

tensidi

ilmakupla

Hyvin ohut vesikerros

neste

silikonivaahtotuote

Tensidit alentavat pintajän-nitystä, parantavat veden kostutuskykyä, irrottavat ja pilkkovat kuiduista tehok-kaasti likaa, estävät säh-köisten ominaisuuksiensa ansiosta lian tarttumisen takaisin puhdistettavalle pinnalle, minkä vuoksi niitä käytetään pesuaineissa.