avainkäsitteet
kemia
liuokset
sekoittuvuus
napaisuus
Liukoisuus

Johdanto
luultavasti tiedät, että jotkin nesteet, kuten öljy ja vesi, eivät sekoitu keskenään. Jos kaadat ne samaan astiaan, niistä muodostuu erillisiä nestekerroksia, yksi päällekkäin. Muita nesteitä, esimerkiksi hankausalkoholia ja vettä, voidaan sekoittaa keskenään. Mutta tiesitkö, että kun molemmat nesteet ovat sekoittuneet, voit erottaa ne uudelleen kahteen eri kerrokseen? Miten voit tehdä sen? Vastaus saattaa yllättää—suolalla! Tässä toiminnassa saat selville, miten tämä toimii.

Tausta
kun kaksi nestettä voidaan sekoittaa keskenään, ne ovat ”sekoittuvia”—ne muodostavat niin sanotun homogeenisen liuoksen, jolloin näitä kahta nestettä ei voi enää erottaa toisistaan. Sitä vastoin, kun niitä ei voi sekoittaa, ne ovat ”muuttumattomia”—ne muodostavat kaksi erillistä kerrosta, joita kutsutaan heterogeeniseksi ratkaisuksi. Jotta molempien nesteiden molekyylit voisivat sekoittua, niiden täytyy pystyä vetämään toisiaan puoleensa. Molekyylit, jotka ovat polaarisia (eli niiden sähkövaraus jakautuu epätasaisesti, joten niillä on positiivisempi ja negatiivisempi puoli), pyrkivät muodostamaan vetysidoksia, kun taas ei-polaariset molekyylit (joilla on yhtä suuri varaustasapaino) eivät yleensä muodosta tällaisia sidoksia. Koska vesimolekyylit ovat polaarisia, mikä tahansa neste, jossa ei ole polaarisia molekyylejä—kuten öljy—on yleensä sekoittumaton veden kanssa.

Hankausalkoholimolekyyleillä on polaarinen ja ei-polaarinen osa, eli ne kykenevät muodostamaan vetysidoksia veden kanssa ja siten sekoittumaan sen kanssa. Mutta miten nämä sidokset voidaan murtaa, jotta molemmat nesteet voidaan erottaa toisistaan, kun ne on sekoitettu? Seokseen on lisättävä jotain, joka kilpailee alkoholin kanssa sitoutumisessa vesimolekyyleihin. Yksi aine, joka voi tehdä sen, on suola. Suola on ioniyhdiste eli se koostuu sähköisesti varautuneista molekyyleistä eli ioneista. Kun ioniyhdisteet liukenevat veteen, yksittäiset ionit erkanevat ja saavat ympärilleen vesimolekyylejä-prosessia kutsutaan solvaukseksi. Koska suola-ionit ovat varautuneita, ne liukenevat paljon paremmin polaariseen liuottimeen, joka on myös hieman varautuneempi kuin ei-polaarinen liuotin. Tästä syystä suola-ionit vetävät vesimolekyylejä puoleensa paljon voimakkaammin kuin alkoholimolekyylit, koska alkoholi on vähemmän polaarista kuin vesi. Tämä tarkoittaa sitä, että kun suolaa on paljon, kaikki vesimolekyylit sitoutuvat suola-ioneihin, jolloin yksikään ei muodosta vetysidoksia alkoholimolekyylien kanssa. Tämän seurauksena alkoholi muuttuu sekoittumattomaksi veden kanssa ja alkaa muodostaa erillistä kerrosta. Tätä prosessia kutsutaan ”suolaukseksi” eli ” suolan aiheuttamaksi faasierotukseksi.”

historiallisesti tätä menetelmää on käytetty saippuan valmistusprosessissa sellaisten ainesosien poistamiseksi, joiden ei pitäisi olla lopullisessa saippuatuotteessa. Suolausta käytetään yleisesti myös biokemian laboratorioissa proteiinien puhdistamiseen, koska eri proteiinimolekyylit muuttuvat sekoittumattomiksi eri pitoisuuksina suolaliuoksissa. Kemistit käyttävät tätä tekniikkaa nesteiden uuttamiseen liuoksesta, mikä on mitä aiot tehdä tässä toiminnassa: Erotat hankausalkoholin ja vesiseoksen vain teelusikallisella ruokasuolaa!

Materiaalit

• neljä läpinäkyvää minikuppia (kaksi unssia) kansilla
• pysyvä merkkiaine
• hanavesi
• pöytäsuola
• mittalusikasarja
• työalue, joka sietää läikkymistä

etanolia tai asetonia (löytyy rautakaupoista) (valinnainen)

• suolan korvike, kuten kaliumkloridi tai Epsom-suola (valinnainen)

valmistelu

• pysyvällä merkkilapulla minikupit 1, 2, 3 ja 4.
• lisää puolitoista ruokalusikallista vettä kuppeihin 1 ja 3.
• lisää puolitoista ruokalusikallista hankausalkoholia kuppeihin 2 ja 4.

menettely

• lisää teelusikallinen suolaa veteen kuppiin 1. Mitä suolalle tapahtuu? Liukeneeko se veteen?
• Laita kansi päälle ja ravista kuppia noin 20-30 sekuntia. Miltä seos näyttää?
• toista kaksi edellistä vaihetta käyttäen kuppi 2: ta (hankausalkoholilla). Mitä suolalle tapahtuu tällä kertaa? Näyttääkö seos erilaiselta kuin vesi-suola-seos?
• ota korkki pois pysyvästä tussista ja pyörittele sen kärkeä vedessä kupissa 3 noin 10 Sekuntia. Laita kansi kupin päälle ja ravista sitä viisi sekuntia. Liukeneeko muste veteen? Miltä liuos näyttää ravistelun jälkeen?
• toista edellinen vaihe kupilla 4 (hankausalkoholi). Näyttääkö tuloksena oleva seos erilaiselta? Jos on, niin mikä on erilaista? Osaatko selittää erot?
• kaada seuraavaksi alkoholi kupista 4 veteen kupissa 3. Laita kansi takaisin päälle ja pyörittele seosta viisi sekuntia. Sekoittuuko hankausalkoholi veteen? Mitä tapahtuu seoksen värille? Näetkö erillisten kerrosten muodostuvan?
• lisää nyt teelusikallinen suolaa seokseen kuppiin 3. Laita kansi kupin päälle ja ravista sitä 20-30 sekuntia. Mitä tapahtuu, kun lisäät suolan seokseen? Näyttääkö seos erilaiselta ennen ja jälkeen ravistelun? Jos on, niin miten se näyttää erilaiselta? Voitteko selittää tuloksenne? Minkä värinen seos on?
• Extra: osaatko erotella muut nestemäiset seokset suolan avulla? Entä etanoli ja vesi tai asetoni ja vesi? Kokeile erilaisia nesteseoksia selvittääksesi!
• Extra: Onko olemassa muita suoloja—esimerkiksi kaliumkloridia, suolan korviketta tai Epsom—suolaa-joita voit käyttää nesteiden erottamiseen? Toista testi, mutta käytä tällä kertaa eri suolaa kuin pöytäsuolaa. Näetkö yhä samat tulokset? Jos ei-miten tulokset eroavat toisistaan?
• Extra: kuinka paljon suolaa tarvitset erotellaksesi hankausalkoholin ja veden? Selvitä se vaihtelemalla suolan määrää, jota lisäät hankausalkoholiin ja vesiseokseen.

havainnot ja tulokset
olisi pitänyt nähdä, että suola liukeni veteen helposti kupissa 1. (Ravistelun jälkeen suola tuntui katoavan.) Muista, että tämä tapahtuu, koska ionisuolamolekyylit sitoutuvat helposti polaarisiin vesimolekyyleihin. Suola ei kuitenkaan liuennut yhtä helposti hankausalkoholiin cup 2: ssa. (Ravistelun jälkeenkin voit vielä nähdä suolan.) Tämä johtuu siitä, että alkoholimolekyylit ovat vähemmän polaarisia kuin vesi, joten suola-ionit eivät sitoudu niihin yhtä helposti.

pysyvällä tussimusteella olisi pitänyt havaita täysin päinvastainen ilmiö. Muste ei liukene hyvin veteen, mutta se liukenee helposti alkoholiin, jolloin jälkimmäinen saa paljon enemmän väriä. Tämä johtuu siitä, että hankausalkoholilla on myös osa molekyylistään, jolla ei ole varauksia, ja se on nonpolaarinen. Tämä osa sopii paremmin ei-polaarisiin molekyyleihin, kuten tussimusteeseen.

kun hankausalkoholia sekoitetaan veteen, jälkimmäisen molekyylit tekevät vetysidoksia vesimolekyylien kanssa. Alkoholi liukenee veteen homogeeniseksi liuokseksi, joten alkoholia ja vettä ei voi enää erottaa toisistaan. Jos seokseen kuitenkin lisää suolaa, suola haluaa liueta veteen ja kilpailee alkoholin kanssa vesimolekyyleistä. Koska vetysidoksia alkoholimolekyylien kanssa tekeviä vesimolekyylejä on vähemmän saatavilla, alkoholi liukenee vähemmän vesi–alkoholi-seokseen muodostaen lopulta erillisen kerroksen veden päälle. Molempien kerrosten tulisi olla erivärisiä, veden ollessa enimmäkseen kirkasta ja alkoholin värillisempää. Tämä johtuu siitä, että tussimuste liukenee paremmin hankausalkoholiin.

siivous
huuhtele kaikki seoksesi lavuaariin runsaalla kylmällä vedellä. Pese kädet ja puhdista työtilasi.

More to explore
Chemistry For Kids: Solutions and disclosing, from Ducksters
Create Underwater Fireworks with Chemistry, from Scientific American
Science Activity for All Ages!, Tiedekavereilta

tämä toiminta toi sinulle yhdessä Tiedekavereiden kanssa