Liukoisuutta käsitellään sekä peruskoulun että lukion puolella. Tämä opetuskokonaisuus on suunniteltu lukiotason materiaaliksi, mutta sitä voi soveltaa myös peruskouluopetukseen. Tarkoituksena on oppia ymmärtämään liukoisuutta kokeellisen liukoisuustutkimuksen avulla sekä samalla linkittää käsitteet arkielämään. Materiaali ei kata kaikkia liukoisuuteen liittyviä osa-alueita, vaan tässä keskitytään nimenomaan kiinteän aineen liukenemiseen nesteeseen.
Esimerkkejä materiaalille soveltuvista lukio-opetusyhteyksistä:
- KE1-kurssi aineiden luokittelu sekä eritusmenetelmät
- KE2-kurssi vesi liuottimena
- työkurssi
Materiaali tarjoaa kokeellisen liukoisuus työn lisäksi linkkejä muihin aiheeseen liittyvään opetusmateriaaliin. Kaikki artikkelissa mainitut linkit on koottuna artikkelin loppussa.
Kokeellinen työ: Kuinka hyvin kaakaojauhe liukenee veteen
Tässä työssä oppilaat tutkivat eri suolojen ja kaakaojauheen liukoisuutta veteen sekä lämpötilan vaikutusta liukoisuuteen. Työ tehdään pari tai pienryhmätyönä.
Työn kesto: n. 60 min. Mikäli aika loppuu kesken voi lähes haihdutetun näytteen jättää kuivumaan yön yli ja punnita seuraavana päivänä ja jatkaa tulosten käsittelystä seuraavalla tunnilla. Kuvaajan piirtäminen taulukon perusteella ja kysymykset soveltuvat myös hyvin kotitehtäviksi.
Kuvaus työstä
Työn ideana on, että jokainen pienryhmä tutkii yhden suolan ja kaakaojauheen liukoisuutta jossakin tietyssä lämpötilassa. Tarkoituksena on työn päätteeksi kerätä ryhmien tulokset yhteiseen tulostaulukkoon, jonka perusteella oppilaat voivat laatia kuvaajat aineiden liukoisuuksista.
Työvaiheet koostuvat kylläisen liuoksen tekemisestä, suodattamisesta ja lopuksi haihduttamisesta. Kylläisyyden varmistamiseksi koeputkessa olevaa seosta sekoitetaan ja haudutetaan noin 10 minuuttia tutkimuslämpötilassa olevassa vesihauteessa ennen suodattamista.
Opettajan tehtävänä on kertoa ryhmille mitä suolaa he tutkivat sekä mikä on kunkin ryhmän tutkimuslämpötila. Olen valinnut tutkimussuoloiksi ruokasuolan sekä kaliumkloridia (KCl), jonka liukoisuus on selkeästi riippuvainen lämpötilasta, toisin kuin ruokasuolan. Toki muitakin suoloja voi tässä käyttää.
Kaakaojauhetta ei kannata sekoittaa koeputkeen yli 0,50g, sillä jos sitä on liikaa se saattaa muodostaa tahnan. Suoloja taas kannattaa laittaa koeputkeen reilusti, n. 5g, jotta varmistetaan kylläisen liuoksen olevan myös korkeissa lämpötiloissa mahdollinen.
Tarkkojen lämpötilojen ylläpito voi olla oppilaille haastavaa, joten lämpötilat voi antaa 5 asteen väleinä. Esimerkiksi tutkimuslämpötilat voisivat olla 10-15 / 35-40 / 60-65 / 90-95. Mikäli jäähdyttäminen tuottaa hankaluuksia voi liukoisuutta tutkia yhtälailla huoneenlämmöstä ylöspäin.
Tutkimustulosten saanti vaatii oppilailta mittaamisen lisäksi laskemista. Heidän on hoksattava seuraavat laskutoimenpiteet, joita ei työohjeessa ole suoraan annettu:
- suodatetun liuoksen massa sekä haihduttamalla saadun kuiva-aineen massa saadaan vähentämällä astioiden paino eli haihdutusmaljan ja kellolasin massat
- veden massa lasketaan näiden edellisten laskutoimitusten avulla
- liukoisuus (/100g vettä) saadaan jakamalla kuiva-aineen massa veden massalla ja kertomalla 100.
Kaakaojauheesta
Kaakaojauhe on käytännössä veteen liukenematon aine. Tarkkaa arvoa liukoisuudelle on hankala määrittää sillä kyse on luonnonaineesta, joka koostuu sadoista yhdisteistä. (linkki: kaakaojauheen ravintosisältö)
Suurin osa suklaateollisuuden tuottamasta kaakaojauheesta on kuitenkin alkaloitua. Alkalointiprosessi (puhutaan myös ”dutch” prosessista) lisää kaakaojauheen vesiliukoisuutta ja siten työn tuloksena voidaan havaita vähäistä liukoisuutta. Kaakaojauheen vesiliukoisuus on suklaateollisuudelle keskeinen tutkimuskohde. Esimerkiksi suklaajuomien tai jäätelön kannalta vesiliukoisuus on tärkeä ominaisuus. Vuonna 2009 Barry Callebaut (maailman johtava suklaa ja kaakaotuotteiden tuottaja) haki patentin menetelmälle, jolla voidaan valmistaa vesiliukoista kaakaojauhetta. (linkki patenttiin)
Työhön liittyvästä kemiasta
Liuos muodostuu liuottimesta sekä siihen liuenneesta aineesta. Tässä työssä vesi toimii liuottimena ja liuotettavia aineita ovat suolat sekä kaakaojauhe. Liuennut aine leviää tasaisesti vesiliuokseen lämpöliikkeen vaikutuksesta. Tällaista aineiden sekoittamiseen liittyvää ilmiötä kutsutaan diffuusioksi.
Kun liuotettavaa ainetta lisätään riittävästi päädytään tilanteeseen , jossa sitä ei enää kyseisessä lämpötilassa liukene. Tällöin liuos on kylläinen. Kylläisyys on ainekohtainen ominaisuus. Toisin sanoen, vaikka tätä kyseistä ainetta ei liukene enempää liuokseen voi siihen liueta vielä muita aineita. Tätä kylläisen liuoksen ominaisuutta havainnollistetaan You Tubesta löytyvässä suomenkielisessä demossa: kylläinen liuos.
Liukoisuus ilmoittaa liuenneen aineen määrän kyseisessä kylläisessä liuoksessa ja tietyssä lämpötilassa. Usein liuenneen aineen liukoisuus ilmoitetaan yksikössä g/100g liuotinta.
Liukoisuuteen vaikuttaa sekä liuottimen että liuotteen ominaisuudet ja keskenäiset vuorovaikutukset. Jo alkemistit tunsivat liukoisuuden perussäännön ”similia similibus solvuntur” eli samanlainen liuottaa samanlaista. Vesi on poolinen aine ja sellaisena liuottaa hyvin poolisia molekyyliyhdisteitä sekä ioniyhdisteitä eli suoloja.
Myös lämpötila vaikuttaa liukoisuuteen. Yleisesti kiinteän aineen liukoisuus kasvaa lämpötilan kohotessa ja kaasumaisen aineen liukoisuus vähenee lämpötilan kohotessa. Lisäksi liukenemista voi nopeuttaa pienentämällä liuotettavan aineen raekokoa ja sekoittamalla mekaanisesti. Liukenemisnopeutta voi demonstroida vaikka lasillisella lämmintä vettä, johon lisätään sokeria. Vastaava määrä hienoa sokeria liukenee nopeammin kuin sokeripala. Samoin lusikalla sekoitus nopeuttaa liukenemista.
Suolayhdisteen muodostavat ionit, joiden välillä on sähköstaattinen ionisidos. Sähköstaattiset voimat vaikuttavat suokakiteissä kaikkiin lähellä oleviin ioneihin. Veteen joutuessaan suolan ionien väliset ionisidokset purkautuvat. Liuoksessa irronneet ionit hydratoituvat eli niiden ympärille kertyy poolisia vesimolekyylejä ja ionin ja vesimolekyylien välille syntyy ioni-dipolisidoksia. Ioneita ympäröivää vesikerrosta kutsutaan hydraattiverhoksi ja veden ympäröimää ionia akvaioniksi.
Suolojen liukoisuutta veteen on havainnollistettu suomenkielisessä phet-simulaatiossa.
Linkit työ- ja demo-ohjeisiin sekä muihin materiaaleihin:
suklaan ABC 