1. No category

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.
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
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.
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.
Kylmä esine kostuu lämpimään huoneeseen tuotaessa. Ilmiö johtuu siitä, että ilmassa oleva vesihöyry
Kemiallisessa puhdistuksessa poistettava aine joko
reagoi puhdistimessa olevien aineiden kanssa tai kiin-
Silmälasien huurtuminen
4
nittyy puhdistimessa olevan aineen pintaan. Esimerkiksi suojanaamareissa oleva aktiivihiilisuodatin poistaa sisäänhengitysilmasta terveydellisiä kaasuja siten,
että aineet kiinnittyvät suodattimessa olevan hiilen
pintaan.
koostuu, mutta myös siitä, miten voimakkaasti rakenneyksiköt vetävät toisiaan puoleensa.
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 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 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
Ilman koostumus
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 tavallises5
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.
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.
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.
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.
sia 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
Ilmakehän vesi on suurimmaksi osaksi höyrynä, jota
on eniten ilmakehän alimmissa osissa. Vesi haihtuu
koko ajan maapallolta ilmakehään, muodostaa erilai8