Fysiikka 3:  luku 2 Ääni

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

Ääni on aineen mekaanista aaltoliikettä, joka etenee aineen rakenneosasten värähtelynä ja aiheuttaa kuuloaistimuksen. Kuten kaikki aaltoliikkeet, äänikin kuljettaa energiaa. Ilmassa ääni on pitkittäistä aaltoliikettä. Tiivistymien kohdilla on paikallinen ylipaine ja harventumien kohdalla paikallinen alipaine. Ääni syntyy, kun mekaaninen värähtelijä synnyttää aineeseen paineaaltoja. Ilmassa ääni etenee paineaaltoina, ja ihminen aistii ilmanpaineen vaihtelut äänenä. Ääni voi edetä vain aineessa, ei siis tyhjiössä.

Miehen äänihuulet ovat naisen äänihuulia paksummat ja ne värähtelevät naisen äänihuulia harvempaan. Sen takia miesten puheääni on taajuudeltaan matalampi kuin naisten. Äänellä on kaikki aaltoliikkeen yleiset ominaisuudet.

Äänen nopeus ja huojunta

Tiheät ja kovat aineet johtavat ääntä paremmin kuin pehmeät ja kevyet aineet. Nopeus on suurin kiinteissä aineissa ja pienin kaasuissa. Äänen nopeus kaasussa saadaan yhtälöstä

v1 = v2 √T1/T2

missä äänen nopeus v1 on lämpötilassa T1 ja lämpötila T2 on lämpötila, jossa äänen nopeus v2 tiedetään.

Kahden taajuudeltaan vain hieman toisistaan poikkeavan äänen interferenssi kuullaan äänen voimakkuuden jaksottaisena vaihteluna eli huojuntana. Huojunnan taajuus on äänirautojen taajuuksien erotus. Huojunnan taajuus on

f = |f1-f2|

jossa f1 ja f2 ovat interferoivien aaltojen taajuudet.

Seisova aaltoliike ilmapatsaassa

Puhallinsoittimen toiminta perustuu siihen, että soittimen sisällä olevaan ilmapatsaaseen syntyy seisova aaltoliike, kun soittimen avoimeen päähän tuleva aalto heijastuu osittain takaisin soittimeen. Kuultavan äänen taajuus riippuu ilmapatsaan pituudesta ja värähtelyn etenemisnopeudesta eli äänen nopeudesta ilmassa. Kuultavan äänen korkeuteen voidaan vaikuttaa muuttamalla soittimen ilmatilan pituutta.

2.2 Äänen kuuleminen

Kaiuttimen kalvon värähtely synnyttää ilmaan painevaihteluja. Painevaihtelujen aikaansaamat ilman värähtelyt siirtyvät korvan tärykalvoon ja korvan kuuloluut muuntavat ohuen ja herkkäliikkeisen tärykalvon värähtelyt sähköisiksi impulsseiksi, jotka välittyvät kuulohermoa pitkin aivojen kuulokeskukseen. Ihmisen kuuloaisti havaitsee värähtelyt, joiden taajuus on 16 Hz – 20 000 Hz. Ihmisen kuulemia ääniä matalataajuisempia mekaanisia aaltoja kutsutaan infraääniksi ja kuuloalueen ylärajaa korkeataajuisempia aaltoja ultraääniksi.

Intensiteetti ja intensiteettitaso

Äänen mukana etenee energiaa. Mitä enemmän energiaa siirtyy, sitä voimakkaampi ääni kuullaan, koska siirtyvän energian määrä riippuu painevaihtelujen suuruudesta. Äänen intensiteetti ilmoittaa, kuinka suurella teholla  energiaa siirtyy äänen etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa olevan tietyn suuruisen pinna läpi. Intensiteetti on

I = P / A

jossa P on äänen teho ja A äänen etenemissuuntaan nähden kohtisuora pinta-ala.

Äänen intensiteetti heikkenee etäisyyden kasvaessa, koska ääni jakautuu yhä suuremmalle pinta-alalle. Lisäksi äänen energiaa absorboituu ilmaan ja ääniaallon kohtaamiin esteisiin. Korkeiden äänten absorptio on voimakkaampaa kuin matalien. Siksi korkeat äänet  vaimenevat matalia voimakkaammin.

Heikoin äänen intensiteetti, jonka ihmiskorva kuulee 1000 Hz:n taajuudella, on noin I₀ = 10^-12 W/m2. Tätä intensiteetin arvoa kutsutaan kuulokynnykseksi. Äänen intensiteettitaso kuvaa kuultavan äänen voimakkuutta. Äänen intensiteettitaso on

L = 10 lg I/I₀ dB                                                                                                                           

jossa I on havaittava intensiteetti ja I₀  = 10^-12 W/m2 kuulokynnyksen intensiteettti. Äänen intensiteettitasojen eron on oltava vähintään 3 dB, jotta ihminen pystyisi erottamaan eri äänenvoimakkuudet toisistaan. Ihmiskorvan kipukynnys on 120-125 dB. Ihmisen korva kuulee huonoiten matalia ääniä.

Erikorkuisten äänien voimakkuuksien vertaamiseksi on laadittu äänekkyystaso, jonka yksikkö on 1 fon (foni). Se on laadittu sen takia, että emme kuule saman intensiteettitason ääniä yhtä voimakkaina, joilla on eri korkeus. Fysiologinen foniasteikko on laadittu ilmaisemaan kuuloaistimuksen voimakkuutta. Kaikilla taajuuksilla kuulokynnys on 0 fon ja kipukynnys noin 120 fon.

Akustiikka

Jälkikaiunta-ajaksi kutsutaan aikaa, jonka kuluessa äänen intensiteetti vähenee miljoonasosaan alkuperäisestä. Siihen vaikuttavat huoneen tilavuus ja pintojen laatu. Jälkikaiunta-aikaa voidaan lyhentää lisäämällä huoneen pintojen äänenimemiskykyä. Huokoiset aineet absorboivat parhaiten korkeita ääniä ja matalat äänet absorboituvat paksuun seinäpinnoitteeseen. Sopiva jälkikaiunta-aika on tärkeä, ettei sali kuulostaisi akustisesti elottomalta ja laimealta.

Melu ja sen torjunta  

Kaikkea häiritsevää, haitallista tai vahingollista ääntä kutsutaan meluksi. Liian voimakas ääni voi aiheuttaa ihmiselle hetkellisen kuulovamman tai pysyvän kuulovaurion. Menetettyä kuuloa ei saa takaisin! Korvakäytävään kulkeutuvat ääniaallot saavat tärykalvon värähtelemään. Kuuloluut välittävät värähtelyn sisäkorvan suulla olevaan kalvoon. Kun kalvo värähtelee, simpukassa olevaan nesteeseen muodostuu aaltoja. Ne ärsyttävät kuuloaistinsoluja, joiden karvat muuttavat mekaanisen liikkeen aivoihin kulkeutuvaksi sähköärsykkeeksi.

Korvat alkavat tinnittää eli soida, jos melualtistus on ollut niin voimakas, että aistinkarvasolut ylivilkastuvat ja lähettävät jatkuvasti signaaleja aivoihin. Korvassa alkaa tuntua kipua, jos melu ylitää 125 dB:n arvon. Välittömän kuulovaurion raja on 140 dB. Työturvallisuussäännösten mukaan työntekijä ei saa olla jatkuvasti melussa, joka ylittää 85 dB:n arvon. Jos äänen intensiteettitaso ylittää tämän rajan, on käytettävä kuulosuojaimia.

Infraääni on hermostollisten vaikutusten takia terveydelle vaarallista ainakin taajuusalueella 5-10 Hz. Infraäänet alentavat työtehoa ja huonontavat työturvallisuutta. Infraääntä voi esiintyä esim tuuletusjärjestelmissä. Sitä esiintyy myös luonnossa, jossa sitä tuottavat mm. myrskyt ja tuulet.

Dopplerin ilmiö

Aaltoliikkeen ja havaitsijan liike toistensa suhteen aiheuttaa sen, että esim liikkuvan ääniraudan änen taajuus havaitaan erilaiseksi kuin levossa olevan ääniraudan taajuus. Tätä taajuuden muuttumista kutsutaan Dopplerin ilmiöksi.

2.3 Ultraääni                      

Ihmisen kuulotaajuuden ylärajan ylittävää ääntä kutsutaan ultraääneksi. Ultraäänen taajuuden yläraja on 1000 MHz. Ultraääntä voidaan synnyttää esim pietsosähköisen kiteen avulla. Pienitaajuista ultraääntä voidaan synnyttää samoin menetelmin kuin kuultavaakin ääntä: ääniraudalla, pillillä ja värähtelevillä kielillä.

Mitä pienempi ultraäänen aallonpituus on, sitä pienempiä kohteita sen avulla pystytään havaitsemaan. Koska ultraääni heijastuu ja taittuu aaltoliikkeen tavoin, sillä voidaan tutkia kappaleiden rakenteita ja niissä mahdollisesti olevia vikoja.

Lääketieteessä ultaääntä käytetään hyödyksi monin eri tavoin tutkittaessa esim ihmisen sisäelimiä. Ultraäänitutkimuksessa voidaan tarkastella esim sisäelimen muotoa tai kokoa. Siköitä voidaan tutkia ultraäänen avulla turvallisesti. Ultraääntä voidaan käyttää myös nivelvaurioiden hoitoon, koska ultraäänen heijastuminen nivelkalvosta nostaa kalvojen lämpötilaa. Ultraääntä käytetään myös sappikivien pilkkomiseen.

Ultraääni aiheuttaa suuria paineenvaihteluja, jotka tuhoavat nesteessä olevat pieneliöt. Sen vuoksi ultraääntä voidaan käyttää desinfiointiin. Ultraääni myös irrottaa esineistä likaa, joten sitä voidaankin käyttää hammaskiven poistoon. Kellosepät käyttävät sitä kellon osien ja korujen puhdistamiseen.

Fysiikka 3: luku 1 Mekaaninen aaltoliike

1.1   Värähdysliike

Värähtelyksi sanotaan tasapainoaseman ympärillä tapahtuvaa kappaleen liikettä, jossa samat vaiheet toistuvat tietyin aikavälein. Värähtely on etenemisen ja pyörimisen lisäksi yksi liikkeen perustyyppi. Värähdyksen taajuus eli frekvenssi ƒ on jaksonajan käänteisarvo:

ƒ = 1 / T

Resonanssi

Ilmiötä, jossa värähtelijä saa toisen värähtelijän värähtelemään sen ominaistaajuudella, sanotaan resonanssiksi. Kun suunnitellaan siltoja ja rakennuksia, on otettava huomioon mahdolliset ulkoiset voimat ja niiden aiheuttamat värähtelyt. Jos tuuli synnyttää sillan taakse tasaisesti sillan ominaistaajuudella toistuvia pyörteitä, silta alkaa värähdellä yhä voimakkaammin ja se voi romahtaa.

1.2   Harmoninen voima

Jousivakio kuvaa jousen jäykkyyttä. Harmoniseksi voimaksi kutsutaan voimaa, joka suuntautuu aina kohti tasapainoasemaa ja on suoraan verrannollinen tasapainoasemasta mitattuun etäisyyteen. Jousivoima on

                                       

F = -kx

Miinusmerkki jousivoiman yhtälössä osoittaa, että jousivoima on venytystä ja puristusta vastustava voima ja se pyrkii palauttamaan systeemin tasapainotilanteeseen. Jousivoiman lauseke tunnetaan myös Hooken lakina englantilaisen Robert Hooken mukaan. Harmoniseksi värähtelyksi kutsutaan värähtelyä, jossa tasapainoasemastaan poikkeutettuun kappaleeseen vaikuttaa harmoninen voima. Jaksonkaika on

1.3 Mekaaninen aaltoliike                               

Mekaaninen aaltoliike on aineessa etenevä, jaksoittaisesti toistuva häiriö. Tyhjiössä ei voi olla mekaanista aaltoliikettä, koska tyhjiössä ei ole ainetta. Mekaanista aaltoliikettä ovat esim veteen putoavien vesipisaroiden synnyttämät aallot sekä maanjäristysaallot. Yksittäistä aineessa, kuten maankuoressa, jousessa tai vedessä, etenevää häiriötä kutsutaan pulssiksi. Pulssin etenemisnopeus ei riipu pulssin muodosta eikä koosta.

Aallon mukana siirtyy energiaa, mutta itse aine ei etene, koska rakenneosaset vain värähtelevät tasapainoasemansa ympärillä ja palaavat tasapainoasemaansa aallon mentyä. Energia on peräisin häiriön aiheuttajasta.

Jos värähtelyt tapahtuvat poikittain aallon etenemissuuntaa vastaan, liikettä nimitetään poikittaiseksi aaltoliikkeeksi. Jos värähtelyt tapahtuvat aallon etenemissuunnassa, syntyy pitkittäinen aaltoliike, jossa aalto etenee jousessa tihentyminä ja harventumina.

Jaksonaika T on yhteen värähdysjaksoon kulunut aika, ja taajuus ƒ on jaksojen määrä aikayksikössä. Aallonpituudeksi λ sanotaan kahden peräkkäisen, samanvaiheisen värähtelijän välimatkaa. Aaltoliikkeen perusyhtälö on

v = ƒλ

Nesteiden sisällä ja kaasuissa voi edetä vain pitkittäinen aalto. Sinikäyrän muotoinen aalto eli siniaalto on aaltoliikkeen perusmuoto. Mekaaninen aaltoliike vaimenee aineessa, koska vastusvoimat vaikuttavat värähteleviin molekyyleihin niiden törmäillessä muihin molekyyleihin. Silloin aallon energiaa muuntuu aineen sisäenergiaksi eli aine absorboi aaltojen energiaa.

Veden aallot

Aaltorintamaksi sanotaan viivaa, joka yhdistää saman aallon samassa vaiheessa olevia värähtelijöitä. Se on aina kohtisuorassa aallon etenemissuuntaa vastaan. Rajapinnassa eteneviä aaltoja kutsutaan rajapinta-aalloiksi. Esim ilman ja veden rajapinnassa etenevät aallot.

1.4         Aaltoliikkeiden yhteisvaikutus

Aaltojen yhteisvaikutusta sanotaan interferenssiksi ja sen tuloksena syntyvää summa-aaltoa interferenssiaalloksi. Kun pulssit kohtaavat ja poikkeavat vastakkaisiin suuntiin, ne heikentävät toisiaan. Samanmuotoiset ja –kokoiset, vastakkaisiin suuntiin poikkeavat pulssit voivat kumota toisensa hetkellisesti. Kohtaamisen jälkeen alkuperäiset pulssit jatkavat etenemistä muotonsa ja liikesuuntansa säilyttäen.

Kun pulssit kohtaavat tietyssä jousen kohdassa ja poikkeavat siitä samaan suuntaan, havaitaan vahvistunut pulssi. Yhteisvaikutuksena syntyneen pulssin poikkeama on kussakin kohdassa alkuperäisten pulssien poikkeamien summa. Tällöin pulssit vahvistavat toisiaan.

Aaltojen interferenssi

Superpositioperiaatteen mukaan kukin aaltoliike tapahtuu itsenäisesti, ikään kuin muita aaltoliikkeitä ei olisikaan. Kohdattuaan aallot etenevät oman liikkeensä ja muotonsa säilyttäen. Superpositioperiaate pätee sekä aineessa eteneviin mekaanisiin aaltoihin että aineessa ja tyhjiössä eteneviin sähkömagneettisiin aaltoihin. Jos useita aaltoja liikkuu samanaikaiseti jonkin paikan kautta, aallot yhdistyvät summa-aalloksi. Summa-aaltoa kutsutaan osa-aaltojen superpositioksi.

Aaltojen diffraktio

Diffraktio tarkoittaa esteen aiheuttamaa aaltoliikkeen taipumista. Kohdatessaan esteen aaltoliike voi poiketa alkuperäisestä suunnastaan.

1.5         Aaltoilmiöitä

Kun aalto kohtaa rajapinnan, osa siitä heijastuu ja osa läpäisee rajapinnan ja samalla taittuu. Aalto voi olla esim valo, veden aalto tai ääniaalto. Rajapinta voi olla esim eri väliaineiden raja tai syvän ja matalan raja vedessä. Kun pulssi heijastuu tiheämmästä aineesta, sen vaihe muuttuu vastakkaiseksi. Kun pulssi heijastuu harvemmasta aineesta, sen vaihe ei muutu. Rajapinnan läpi menevä aalto säilyttää aina vaiheensa ja taajuutensa.

Heijastumislaki: kun vinosti rajapintaan tuleva tasoaalto heijastuu rajapinnasta, tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret eli α = β. Pinnan normaali sekä tuleva säde ja heijastunut säde ovat samassa tasossa.

Taittumislaki: Aaltoliike noudattaa taittuessaan kahden aineen rajapinnassa taittumislakia: aallon tulokulman ja taitekulman sinien suhde on sama kuin aaltojen nopeuksien suhde aineissa:

Rajapinnan aineista sitä, jossa aallon etenemisnopeus on pienempi, sanotaan aalto-opillisesti tiheämmäksi. Toista ainetta sanotaan aalto-opillisesti harvemmaksi. Jos taitesuhde n12 on suurempi kuin yksi,

-         aalto saapuu aalto-opillisesti harvemmasta aineesta aalto-opillisesti tiheämpään aineeseen

-         aallon nopeus pienenee rajapinna ylityksen jälkeen

-         aallon etenemissuunta kääntyy pinnan normaaliin päin

Jos taitesuhde n12 on pienempi kuin yksi,

-         aalto saapuu aalto-opillisesti tiheämmästä aineesta aalto-opillisesti harvempaan aineeseen

-         aallon nopeus kasvaa

-         aallon etenemissuunta kääntyy pinnan normaalista poispäin

Kokonaisheijastuminen

Jos tulokulmaa suurennetaan, myös taitekulma suurenee. Tietyllä tulokulman arvolla taittunut aalto kulkee pitkin rajapintaa. Vastaavaa tulokulmaa nimitetään kokonaisheijastumisen rajakulmaksi. Tällöin taitekulma on 90 astetta. Kokonaisheijastuminen voi tapahtua vain rajapinnassa, jossa taitesuhde on pienempi kuin yksi! Aalto heijastuu kokonaan rajapinnasta, jos aallon tulokulma on suurempi kuin kokonaisheijastumisen rajakulma. Kokonaisheijastunut aalto noudattaa heijastuslakia.

Seisova aalto

Kiinteään aineeseen rajoittuva seisova aalto päättyy solmuun. Jos värähtelevän langan toinen pää liikkuu vapaasti, sen kohdalle syntyy kupu. Sekä poikittaisessa että pitkittäisessä aaltoliikkeessä voi syntyä seisova aalto. Se ei kuljeta energiaa, koska värähdystila ei etene värähtelijästä toiseen vaan kukin värähtelijä värähtelee omalla amplitudillaan. Aalto ei siis etene. Perusvärähtelyn taajuutta eli perustaajuutta merkitään tunnuksella ƒ0.

Kun seisovan aallon taajuus on alin mahdollinen, on kielessä yksi kupu ja kielen pituus on silloin puoli aallonpituutta. Tämä on perusvärähtely, ja vastaava taajuus on perustaajuus. Kupujen määrän lisääntyessä värähtelyn taajuus moninkertaistuu ja värähtelyjä sanotaan ylävärähtelyiksi. Jännitetyllä kielellä on siten useita ominaistaajuuksia.

Kemia 2: luku 6 Molekyylien kolmiulotteisuus

Molekyylien rakennetta tutkitaan röntgendiffraktiolla. Soluissa tapahtuvissa reaktioissa molekyylin kolmiulotteisen rakenteen merkitys selittyy useimmiten entsyymiproteiinien spesifisyydellä. Entsyymit pystyvät sitoutumaan vain tietyn muotoiseen lähtöainemolekyyliin eli substraattiin. Entsyymit siis tunnistavat saman molekyylin erilaiset avaruusrakenteet ja katalysoivat vain tietyn kolmiulotteisen molekyylin muuttumista reaktiotuotteeksi. Esim kun laktaattidehydrogenaasi hapettaa maitohappoa. Maitohapolla on kaksi avaruusrakennetta. Laktaattidehydrogenaasi katalysoi soluissa maitohapon muuttumisen palorypälehapoksi. Maitohapon toinen isomeeri ei kelpaa tämän entsyymin substraatiksi.

Ibuprofeenia sisältävät lääkkeet ovat lääkemolekyylin eri isomeerien seoksia. Sen takia tulehdusta ja kipua alentava lääkeainepitoisuus elimistössä saavutetaan noin 30 minuutissa. Jos lääke sisältää vain toista, aktiivista isomeeriä eli dexibuprofeenia, saavutetaan tarvittava pitoisuus noin 12 minuutissa.

Molekyylin yksi avaruusrakenne voi siis toimia lääkeaineena, toinen rakenne sen sijaan voi olla myrkyllinen. Esim talidomidin toinen avaruusmuoto estää pahoinvointia, minkä takia sitä on käytetty raskauden aikaisen pahoinvoinnin estolääkkeenä. Lääkkeen toinen avaruusmuoto aiheuttaa pahoja sikiövaurioita. Myös hyvin yleisesti käytetyn tulehduskipulääkkeen, naprokseenin, toinen avaruusrakenne toimii lääkeaineena, toinen puolestaan on maksalle myrkyllinen.

Kaikki kaksiatomiset molekyylit ovat muodoltaan sauvamaisia. Eli vety, typpi, happi ja kaikki halogeenit sekä vetykloridi ja häkä eli hiilimonoksidi. Myös kolmesta atomista muodostuneet molekyylit voivat olla sauvamaisia, kuten hiilidioksidi ja vetysyanidi. Yksinkertaisessa sidoksessa on yksi sigmasidos. Kaksinkertaisessa sidoksessa on yksi sigmasidos ja yksi piisidos. Kolminkertaisessa sidoksessa sen sijaan on yksi sigmasidos ja kaksi piisidosta.

Bentseenin rakenne   

Jokainen bentseenirenkaan hiiliatomi käyttää kolme sidoselektronia kolmen kovalenttisen sidoksen muodostamiseen. Jäljelle jäävät kuusi elektronia, yksi kultakin hiiliatomilta, ovat yhteisiä kaikille kuudelle hiiliatomille. Nämä elektronit liikkuvat jatkuvasti renkaan hiiliatomien ympärillä, eli ne ovat delokalisoituneet. Delokalisoituneista elektroneista johtuu, että bentseenirenkaan kaikki hiili-hiilisidokset ovat samanlaisia. Bentseenirenkaan jokainen hiiliatomi on sp² –hybridisoitunut.

Avaruus- eli stereoisomeria

Avaruusisomeriaa on kolmea lajia: konformaatioisomeria, cis-trans-isomeria ja optinen isomeria. Jos orgaanisessa molekyylissä on vain yksinkeraisia kovalenttisia sidoksia, voivat nämä sidokset kiertyä ympäri. Näin muodostuvia erilaisia kolmiulotteisia rakenteita sanotaan konformaatioisomeereiksi. Sykloheksaanilla on kaksi muita pysyvämpää konformaatioisomeeriä  tuolimuoto ja venemuoto.

Hiiliatomien välinen kaksoissidos on jäykkä, koska sen muodostuessa piisidos estää sigmasidoksen kiertymisen sidosakselinsa ympäri. Tämän vuoksi näihin kaksoissidoksen muodostaviin hiiliatomeihin liittyneet atomit tai atomiryhmät voivat asettua pysyvästi joko kaksoissidoksen samalle puolelle tai vastakkaisille puolille. Tällaisten avaruusisomeerien toista muotoa sanotaan cis-muodoksi (atomiryhmät samalla puolella) ja toista trans-muodoksi (atomit eri puolilla). Muistisääntö: transu eli eri puolella, hehheh.

Myös sykloalkaaneilla esiintyy cis-trans-isomeriaa, jos renkaan hiiliatomeihin on kiinnittynyt vetyatomien lisäksi muita atomeja tai atomiryhmiä. Avaruusisomeriaa voi olla sen mukaan, ovatko liittyneet ryhmät renkaan samalla puolella vai eri puolilla rengasta.

Cis-trans-isomerialla on tärkeä merkitys monissa solujen biokemiallisissa tapahtumissa. Esim ihmisen näköprosessissa tapahtuu retinaalin cis-muodon muuttuminen trans-muodoksi valon vaikutuksesta. Lisäksi elimistössämme voi esiintyä tyydyttymättömiä rasvahappoja sekä cis- että trans-muodoissa.

Optinen isomeria

Pitkään säilytettyina maitotuotteet happanevat, koska maitohappobakteerit pystyvät tuottamaan maitosokerista eli laktoosista maitohappoa. Maitohappoa syntyy myös glukoosista ihmisen verenkierrossa, mikäli happea ei ole riittävästi saatavilla. Näissä kahdessa reaktiossa muodostuneet maitohappomolekyylit ovat kuitenkin toistensa avaruusisomeereja, joilla on samat kemialliset ominaisuudet.

Nämä isomeerit voidaan erottaa toisistaan siten, että maitohapon vesiliuokseen kohdistetaan tasopolarisoitua valoa. Toinen näistä isomeereistä kääntää tasopolarisoidun valon värähdystasoa myötäpäivään, toinen vastapäivään. Tästä ilmiöstä käytetään nimitystä optinen aktiivisuus.

Orgaaninen yhdiste on optisesti aktiivinen, jos sen molekyylissä on vähintään yksi asymmetrinen hiiliatomi. Jos asymmetrisiä hiiliatomeja on useita, niiden yhteisvaikutus voi kumota optisen aktiivisuuden. Optisesti aktiivista yhdistettä sanotaan myös kiraaliseksi. Tällaisen yhdisteen molekyyleillä on kaksi erilaista avaruusrakennetta, jotka ovat keskenään peilikuvia. Näitä isomeerejä sanotaan myös enantiomeereiksi. Jos seoksessa on kumpaakin enantiomeeriä yhtä paljon, se ei enää ole optisesti aktiivinen ja sitä kutsutaan silloin raseemiseksi seokseksi.

Cis-trans-isomeria ja näkeminen                                         

Silmän verkkokalvolla on rodopsiineja, jotka ovat pimeässä punaisia. Rodopsiinimolekyyli koostuu opsiiniproteiinista ja A-vitamiinin johdannaisesta retinaalista. Pimeässä retinaalimolekyylit ovat kaikki cis-muodossa, jolloin ne pystyvät sitoutumaan opsiiniin. Ihminen häikäistyy hetkeksi kun hän tulee kirkkaaseen valoon. Silmän erotuskyky palautuu nopeasti, mikä perustuu siihen, että silmään osuva valo aiheuttaa muutoksen rodopsiinimolekyylissä.

Opsiiniproteiiniin sitoutunut cis-retinaali muuttuu trans-muotoon ja irtoaa. Tämä molekyylien irtoaminen välittyy lopulta keskushermostoon näköhermoa pitkin. Jos henkilö menee kirkkaasta valosta hämärään, silmän sopeutuminen on huomattavasti hitaampaa, koska valossa irronneen retinaalin tulee ensin kiinnittyä uudelleen opsiiniin, minkä jälkeen silmään osuva valo vasta saa aikaan valokemiallisen reaktion eli cis-retinaalin muuttuminsen trans-retinaaliksi. A-vitamiinin puutoksen ensimmäinen oire on hämäräsokeus, koska cis-retinaali on A-vitamiinin johdannainen.

Konjugoituneet kaksoissidokset

Kaksoissidoksia sanotaan konjugoituneiksi kaksoisidoksiksi, jos ne lähtevät joka toisesta hiiliatomista. Tällöin kaksoissidoksen sidoselektronit liikkuvat tasaisesti eri hiiliatomien ympärillä, joten kaikki sidokset ovat yksinkertaisen ja kaksoissidoksen välimuotoja. Sidoselektronien liikkuminen eri hiiliatomien ympärillä eli sidoselektronien delokalisaatio on voitu osoittaa mittaamalla sidosten pituudet.

Talidomidi

                                                                                                                                         

Talidomidi on vaarallinen lääke. Se poistettiin myynnistä vuonna 1961, mutta ehti saada paljon vahinkoa aikaan. Sitä käytettiin raskauden aikaisten pahoinvointioireiden hoitoon, mutta se aiheutti myös syntyville lapsille epämuodostumia. Talidomidi on kahden eri optisen isomeerin seos, joista toinen poistaa pahoinvointia ja toinen aiheuttaa vakavia sikiövaurioita.

Suurin osa Suomessa myytävistä lääkkeistä on raseemisia seoslääkkeitä, jotka koostuvat kahden enantiomeerin seoksesta. Esim ibuprofeenia sisältävä kipulääke on tällainen. Ibuprofeenitableteissa on kumpaakin enantiomeeriä yhtä paljon, mutta vain toinen niistä eli dexibuprofeeni on aktiivinen. Toinen muoto lievittää kipua vain, kun se muuttuu elimistössä dexibuprofeeniksi. Näiden enantiomeerien erottaminen toisistaan on ollut vaikeaa ja kallista, mutta nykyisin markkinoilla on ibuprofeenivalmisteita, jotka sisältävät vain dexibuprofeenia, joka siis vaikuttaa nopeammin.

Omat viholliset voitettu

Nyt on mun lukutahtini kiristynyt selvästi, mutta se ei silti tunnu henkisesti kuormittavalta. Päinvastoin, tulee hyvä mieli siitä miten paljon on saanut aikaan ja sen takia tekee mieli opiskella entistä enemmän. Varsinkin, kun huomaa kehittyneensä kemiassa hurjan paljon kun tehtävät sujuvat erinomaisesti, ylioppilastehtävätkin. Jee! Tästä on hyvä jatkaa.

Mulla on lääkikseen hakevien kavereiden kanssa lukupiiri yleensä sunnuntaisin, mutta nyt me ruvetaan tapaamaan lauantaisinkin ja aina muutenkin jos sopii. Kaverin kanssa opiskelu on mahtavaa ja toisten opiskelumotivaatio on tarttuvaa, varsinkin kun opiskelukaverina on 6 ällän ylioppilas. Juokseminen on mainiota henkistä palautumista opiskelusta, ja huolehdin säännöllisestä uni- ja ruokarytmistäkin. Musta tuntuu, että tästä hommasta tulee jotain hienoa! Yritystä ei ainakaan puutu. Mä olen voittanut omat viholliseni, eli laiskuuden ja väsymyksen. Nyt on helppo kaivaa kirjat esille ihan milloin vaan, paitsi ei tietenkään yöllä. Eikä opiskelu tunnu pakkopullalta vaan hirmuisen mielenkiintoiselta. Jee!

Kemia 2: luku 5 Yhdisteen kaavan määräytyminen elektronirakenteen perusteella

Kun metalliatomi luovuttaa ulkoelektroninsa, se hapettuu. Vastaavasti elektronit vastaanottava epämetalliatomi pelkistyy. Hapettuminen tarkoittaa siis elektronien luovuttamista, pelkistyminen elektronien vastaanottamista. Siirtyvien elektronien määrää kuvaa hapetusluku. Metalleilla on vain positiivisia hapetuslukuja. Niillä on 1-3 ulkoelektronia. Epämetalleilla voi olla sekä negatiivisia että positiivisia hapetuslukuja.

Molekyyliyhdisteissä hapetusluku määräytyy siten, että sidoselektronit lasketaan kuuluvaksi elektronegatiivisemmalle alkuaineelle. Tällöin epämetallilla voi olla sekä negatiivisia että positiivisia hapetuslukuja sen mukaan, mihin epämetalliatomiin se on sitoutunut.

Sellaisia yhdisteitä, joilla on sama molekyylikaava mutta eri rakennekaava, sanotaan isomeereiksi. Isomeria jaetaan rakenne- eli konsituutioisomeriaan ja avaruus- eli stereoisomeriaan. Rakenneisomeriassa atomit sitoutuvat molekyylissä eri tavoin. Avaruusisomeriassa puolestaan sidokset suuntautuvat avaruudellisesti eri tavoin eli näillä isomeereillä on erilainen kolmiulotteinen rakenne. Rakenne- eli konstituutioisomeria jaetaan ketju- eli runkoisomeriaan, paikkaisomeriaan ja funktioisomeriaan.

Ketju- eli runkoisomeereilla hiiliketju on haarautunut eri tavoin. Mitä haarautuneempi hiilivety on, sitä pienemmäksi jää dispersiovoimien vaikutusala. Jos molekyylissä on jokin  ryhmä, jonka paikka voi vaihdella, puhutaan paikkaisomeriasta. Funktioisomeereilla tarkoitetaan molekyylejä, joilla on sama molekyylikaava, mutta eri funktionaalinen ryhmä.

Kemia 2: luku 4 Asiaa tehtävistä

Allotropialla tarkoitetaan ilmiötä, jossa alkuaine esiintyy samassa olomuodossa rakenteeltaan erilaisissa muodoissa. Eli siinä atomien keskinäinen sitoutuminen on erilainen. Stratosfäärissä auringon ultraviolettisäteily synnyttää ja tuhoaa koko ajan otsonia. Kun auringon säteily kohtaa happimolekyylin, se hajoaa kahdeksi happiatomiksi. Vapautuneet happiatomit voivat sitten sitoutua  happimolekyyleihin, jolloin muodostuu otsonimolekyylejä.

Ihmisen toiminnan seurauksena stratosfäärin otsonikerros on paikoittain ohentunut, mutta toisaalta troposfäärin otsonipitoisuudet ovat kohonneet. On siis olemassa kaksi erillistä otsoniongelmaa: elämää suojaavan otsonin kato ilmakehän ylemmissä osissa ja haitallisen otsonin lisääntyminen maanpinnalla.

Korkealla ilmakehässä oleva ”hyvä” otsoni suojaa maapalloa auringon haitalliselta ultraviolettisäteilyltä. Liiallinen UV-säteily lisää riskiä sairastua ihosyöpään tai silmäsairauksiin. Se voi myös heikentää eläinten ja kasvien vastustuskykyä eri taudeille.

Troposfäärissä eli alailmakehässä otsoni joutuu suoraan kosketukseen elollisten organismien kanssa. Koska otsonimolekyylit reagoivat helposti lähes kaikkien muiden molekyylien kanssa, ovat korkeat otsonipitoisuudet haitallisia niin kasvien solukoille kuin ihmisten ja eläinten kudoksille.

Kemialliseen otsonikatoon ovat syynä ihmisten valmistamat ja käyttämät fluoria, klooria ja bromia sisältävät orgaaniset halogeeniyhdisteet eli freonit ja halonit. Alailmakehän otsonia muodostuu mm. autojen pakokaasupäästöjen seurauksena. Myös ukonilman jälkeen ilmassa voi tuntua pistävä tuoksu, joka johtuu salamoinnin seurauksena syntyneestä otsonista. Kesällä otsoni voi aiheuttaa savusumua eli smogia suurissa kaupungeissa.

Kemia 2: luku 4 Kemialliset sidokset selittävät aineiden ominaisuuksia

Metallisidos

Metalliatomeilla on uloimmalla elektronikuorella 1-3 elektronia. Yksittäisten metalliatomien sitoutuessa  toisiinsa jokaisen atomin ulkoelektronit ovat yhteisessä käytössä. Näiden sähköisesti eri lailla varautuneiden hiukkasten välille muodostuu vahva sähköinen vetovoima, jota kutsutaan metallisidokseksi. Vapaiden elektronien meri siis sitoo positiiviset metalli-ionit tiiviiksi rakenteeksi, jota kutsutaan metallihilaksi.

Metallien kiilto johtuu metallihilan tasaisella pinnalla olevasta vapaiden elektronien merestä. Metalleja voidaan myös takoa levyiksi tai venyttää hyvinkin ohueksi langaksi. Tämä johtuu siitä, että metalli-ionikerrokset pääsevät liukumaan toistensa ohi rakenteen murtumatta, eli positiivisten ionien väleissä liikkuvat elektronit estävät niitä joudumasta vierekkäin, joten ionit eivät hylji toisiaan.

Alkuaine molekyyleissä atomien välillä on kovalenttinen sidos

Kaikki alkuainemolekyylit ovat poolittomia, joten molekyylien välille muodostuu vain heikkoja dispersiovoimia. Tämän vuoksi näillä alkuaineilla on yleensä melko alhainen sulamis- ja kiehumispiste. Molekyyleistä koostuvien aineiden kiinteää olomuotoa mallinnetaan molekyylihilalla.

Hiiliatomit voivat järjestyä kiinteässä olomuodossa kolmella eri tavalla, mihin vaikuttavat lämpö ja paine. Hiilellä on siis kolme allotrooppista muotoa, jotka ovat timantti, grafiitti ja fullereeni. Timantissa jokainen hiiliatomi on liittynyt tetraedrisesti neljään muuhun hiiliatomiin vahvalla kovalenttisella sidoksella. Timantin atomihilassa kaikki sidokset ovat siis samanlaisia. Timantin kovuus ja hyvin korkea sulamispiste ovat seurausta vahvasta hiiliatomien välisestä kovalenttisesta sidoksesta.

Grafiitti muodostuu siten, että hiiliatomin kolme ulkoelektronia sitoo kovalenttisesti kolme muuta hiiliatomia muodostaen tasoon verkkorakenteen. Jokaisen hiiliatomin neljäs ulkoelektroni jää vapaaksi joten grafiitti johtaa sähköä. Verkot sitoutuvat toisiinsa heikoilla dispersiovoimilla, minkä vuoksi grafiitti on pehmeää ja liukasta.

Fullereenimolekyylissä on viisi tai kuusi hiiliatomia sisältäviä renkaita. Nanoputket ovat fullereenin kaltaisia rakenteita. Nanoputkien rakenteeseen voidaan liittää erilaisia metalleja sekä orgaanisisa molekyylejä, mm. biomolekyylejä.

Alkuaineiden sitoutuminen yhdisteiksi

Ioniyhdisteissä eli suoloissa on ionisidos. Ionihilassa positiiviset ja negatiiviset ionit vuorottelevat ja niiden välinen vahva vetovoima vaikuttaa yhtä voimakkaana kuhunkin viereiseen vastakkaismerkkiseen ioniin. Sähkönkuljettajia kutsutaan eletkrolyyteiksi. Ionihila hajoaa iskusta, koska siinä samanmerkkiset ionit joutuvat kohdakkain ja hylkivät toisiaan.

Poolittomat ja pooliset molekyyliyhdisteet

Poolittomien molekyylien välille muodostuvat vetovoimat eli dispersiovoimat ovat heikompia kuin poolisten molekyylien välille muodostuvat dipoli-dipoli- tai vetysidokset. Siksi poolittomat molekyyliyhdisteet sulavat ja kiehuvat yleensä alhaisemmissa lämpötiloissa kuin pooliset molekyyliyhdisteet.

Kemiallisten sidosten vertailua

Yhdisteen ioniluonnetta kuvataan alkuaineiden elektronegatiivisuuserolla. Kun erotus on noin 1,7, ioniluonne tulee niin hallitsevaksi, että sidosta sanotaan ionisidokseksi. Yleisesti voidaan sanoa, että atomien väliset sidokset ovat aina vahvempia kuin molekyylien välille muodostuvat sidokset.

Veden erityisominaisuuksia

Vesimolekyylien välille muodostuvien vahvojen vetysidosten vuoksi molekyylit sitoutuvat toisiinsa tiukasti, josta aiheutuu mm. veden suuri pintajännitys. Pintajännitys syntyy, kun vedessä olevat vesimolekyylit vetävät pinnalla olevia vesimolekyylejä puoleensa vetysidoksilla. Nämä vetovoimat ovat suurempia kuin pinnan vesimolekyylien ja ilman väliset vetovoimat. Saippua ja muut emäksiset pesuaineet katkovat vesimolekyylien välisiä vetysidoksia ja pienentävät siten pintajännitystä.

Veden tiheys on suurempi nesteenä kuin kiinteänä. Tämä selittyy sillä, että veden jäätyessä vesimolekyylit järjestäytyvät vetysidosten avulla säännöllisiksi jääkiteiksi. Tällöin vesimolekyylien väliin jää enemmän tilaa, joten vesi laajenee jäätyessään. Vesi on tiheintä +4 °C:n lämpötilassa, sillä korkeammissa lämpötiloissa molekyylien lämpöliike saa veden laajenemaana tiheys pienenee uudelleen. Lasinen virvoitusjuomapullo hajoaa, jos juoma sen sisällä pääsee jäätymään.

Vesi liuottimena

Veden liuotinominaisuudet johtuvat pääasiassa vesimolekyylin pienestä koosta ja poolisuudesta. Sokeri liukenee veteen molekyyleinä ja ruokasuola ioneina. Ylikylläisessä liuoksessa liuennutta ainetta on enemmän kuin aineen liukoisuus edellyttäisi kyseisessä lämpötilassa. Ylikylläinen liuos on pysymätön ja siinä oleva liuennut aine saattaa kiteytyä yhtäkkiä, jos seokseen lisätään vielä pieni määrä liuotettavaa ainetta tai liuosta sekoitetaan mekaanisesti. Esim karamellien valmistuksessa hyödynnetään ylikylläistä sokeriliuosta, jolloin sokeri saadaan kiteytymään.

Kemiallisesti samanlainen aine liuottaa samanlaista. Kun natriumkloridi liukenee veteen, irronneet natrium- ja kloridi-ionit hydratoituvat eli muuttuvat vesimolekyylien ympäröimiksi akvaioneiksi eli hydraateiksi.

Urheiluvammojen ensiavussa käytettävät kylmähauteet sisältävät yleensä ammoniumnitraattia ja lämpöhauteet magnesiumsulfaattia. Ammoniumnitraatti toimii kylmähauteena, koska sen liukeneminen sitoo ympäristöstä energiaa ja vesiliuos viilenee. Magnesiumsulfaatin liuetessa vapautuu energiaa ja vesiliuos lämpenee.

Jotkut suolat sitovat aina kihehilaansa tietyn määrän vesimolekyylejä ioni-dipolisidoksella. Tällaista vettä sanotaan kidevedeksi. Kidevedellisiä suoloja kuumennettaessa kiderakenne murtuu, vesi irtoaa kiteistä ja kiteet rapautuvat. Kidevetensä menettänyt suola ottaa vettä takaisin ilmasta. Aineita, joilla on taipumus sitoa vettä itseensä, kutsutaan hygroskooppisiksi aineiksi.

Yleisesti alkalimetalli- ja ammoniumsuolat sekä kaikki nitraatit liukenevat hyvin veteen, kun taas esim AgCl, BaSO4 ja CaF2 ovat hyvin niukkaliukoisia suoloja. Yleensä lämpötilan noustessa kiinteän aineen liukoisuus kasvaa ja kaasun liukoisuus pienenee. Tämä näkyy kuplien muodostumisena lämpenevään veteen.

Sairaaloissa annettavan fysiologisen suolaliuoksen NaCl-konsentraatio on 0,15 mol/l. Se vastaa erytrosyyttien ionipitoisuutta, jolloin puhutaan myös isotonisesta tai iso-osmoottisesta liuoksesta. Väkevämpi suolaliuos aiheuttaisi erytrosyyttien kutistumisen, laimeampi taas turvottaisi erytrosyytit, ja lopulta ne voisivat hajota.

Kemia 2: luku 3 Jaksollinen järjestelmä ennustaa aineiden ominaisuuksia

Alkuaineet jaetaan ominaisuuksiensa perusteella metalleihin, puolimetallelihin ja epämetalleihin. Kaikki sivuryhmien alkuaineet ovat metalleja. Metalliluonne lisääntyy siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä ryhmässä ylhäältä alas ja jaksossa oikealta vasemmalle. Metalleilla on yleensä hyvin korkeat sulamispisteet, eli ne ovat kiinteitä huoneen lämpötilassa. Poikkeus tästä on elohopea, joka on neste huoneen lämpötilassa.

Epämetalleilla on yleensä alhaisemmat sulamis- ja kiehumispisteet kuin metalleilla. Epämetallit eivät grafiittia lukuun ottamatta johda sähköä. Metalleilla on taipumus luovuttaa elektroneja ja epämetalleilla vastaanottaa niitä.

Elektronegatiivisuus kuvaa atomin kykyä vetää puoleensa sidosselektroneja. Epämetalleilla on yleensä suuri ja metalleilla pieni elektronegatiivisuusarvo. Elektronegatiivisuusarvot kasvavat siirryttäessä ryhmässä alhaalta ylös ja jaksossa vasemmalta oikealle. Elektronegatiivisuuden muuttuminen jaksollisessa järjestelmässä kuvaa metallien pyrkimystä luovuttaa ja epämetallien pyrkimystä vastaanottaa elektroneja, jotta ne saavat pysyvän ulkoelektronirakenteen eli oktetin. Epämetallit ovatkin hyvin elektronegatiivisia ja metallit elektropositiivisia alkuaineita.

Atomin reaktiokyky selittyy atomin koolla. Ryhmässä alaspäin mentäessä alkuaineatomin koko kasvaa, sillä mitä enemmän elektronikuoria atomissa on, sitä kauemmaksi ytimestä ulkoelektronit keskimäärin asettuvat. Jaksoissa atomin koko pienenee vasemmalta oikealle. Tämä selittyy sillä, että ytimen kasvava protonimäärä vetää samalla elektronikuorella olevia elektroneja voimakkaammin puoleensa. Pääryhmien metalleilla atomikoon suureneminen merkitsee reaktiokyvyn kasvamista. Mitä isompi atomi on, sitä helpommin sen ulkoelektronit irtoavat ytimen vaikutuspiiristä.

Toisin kuin pääryhmän metalleilla, epämetallien reaktiokyky kasvaa, kun atomikoko pienenee. Mitä pienempi atomi on, sitä helpommin ylimääräinen elektroni asettuu uloimmalle elektronikuorelle.

Ionisoitumisenergia ja elektroniaffiniteetti

Ionisoitumisenergia kuvaa sitä energiamäärää (kJ/mol), joka tarvitaan irrottamaan elektroni kaasumaisesta alkuaineatomista tai ionista. Ionisoitumisenergian lukuarvot ovat aina positiivisia lukuja, koska elektronin irrottamiseen vaaditaan energiaa. Alkalimetallien ionisoitumisenergia-arvot ovat hyvin pieniä. Tämä tarkoittaa sitä, että elektroni irtoaa näistä alkuaineatomeista todella helposti. Jalokaasuilla sen sijaan ovat erittäin suuret ionisoitumisenergia-arvot, mikä selittyy näiden alkuaineatomien pysyvällä elektronirakenteella.

Ensimmäisen elektronin poistamiseen tarvittavaa energiamäärää kutsutaan ensimmäiseksi ionisoitumisenergiaksi, toisen elektronin poistamiseen tarvittavaa energiamäärää toiseksi ionisoitumisenergiaksi jne. Kun elektroni irtoaa atomista tai elektronista, positiivisesti varautunut ydin vetää jäljelle jääviä elektroneja voimakkaammin puoleensa. Tämän vuoksi seuraavien elektronien poistamiseen tarvitaan aina suurempi määrä energiaa.

Ionisoitumisenergian lukuarvo siis kertoo, kuinka paljon energiaa tarvitaan irrottamaan elektroni atoimista tai ionista. Elektroniaffiniteetilla sen sijaan ilmaistaan sitä energiamäärää, joka sitoutuu tai vapautuu, kun atomiin tai ioniin tulee lisää elektroneja. Kaikkien halogeenien elektroniaffiniteettiarvot ovat  negatiivisia, koska ylimääräisen elektronin asettuminen elektroniverhoon vapauttaa energiaa.

Radioaktiivinen strontium-90 isotooppi voi sitoutua luustoon

Jaksollisessa järjestelmässä samassa pääryhmässä olevilla alkuaineilla on samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia. Tämä kemiallinen samankaltaisuus voi olla joskus haitta esim biologisessa kudoksessa. Toiseen pääryhmään kuuluvalla strontiumilla on hyvin samankaltaisia kemiallisia ominaisuuksia kuin samaan ryhmään kuuluvalla kalsiumilla.

Kalsium on luuston ja hampaiden tärkein rakennealkuaine. Se esiintyy luuston ja hampaiden hydroksiapatiitissa. Maanpäällisissä ydinräjähdyksissä luontoon voi vapautua runsaasti strontium-90 isotooppia, joka on beetamiinussäteilijä. Sen puoliintumisaika on 28 vuotta, joten se säilyy aktiivisena pitkään.

Maaperään joutunut radioaktiivinen strontium siirtyy eläinten ravinnon mukana helposti esim lehmän maitoon. Tätä kautta sitä voi joutua myös ihmiseen. Jos strontium ei muistuttaisi kemiallisesti kalsiumia, elimistö poistaisi sen muutamassa päivässä. Mutta koska se pystyy kalsiumin tavoin sitoutumaan ihmisen luustoon, sitoutumista voi seurata pitkäaikainen altistuminen radioaktiiviselle säteilylle.

Elektronien virittyminen – hyötyä ja huvia

Mainos- ja katuvaloissa, ilotulitteissa sekä erilaisissa analyysilaitteissa hyödynnetään atomien tai ionien ulkoelektronien virittymistä perustilasta korkeammille energiatasoille.  Virittyminen saadaan aikaan joko lämmön tai sähkömagneettisen säteilyn avulla, jolloin atomit absorboivat energiaa. Viritystila kestää vain hetken, ja kun atomi palaa perustilaansa, viritystilaa vastaava määrä energiaa purkautuu sähkömagneettisena säteilynä. Tällöin atomi emittoi tietyn määrän energiaa. Viritystilan purkautuminen voidaan nähdä tietyn värisenä valona, jos purkautuvan säteilyn aallonpituus vastaa näkyvän valon aallonpituuksia.

Kemia 2: luku 2 Atomien elektronirakenteet ja niiden mallintaminen

Bohrin atomimallissa elektronit kiertävät atomin ydintä ympyränmuotoisilla radoilla, joita kutsutaan elektronikuoriksi. Täsmällisemmin elektronipilven rakennetta  kuvaa kvanttimekaaninen atomimalli. Tarkkojen ratojen sijasta tämä matemaattinen malli ennustaa, mistä elektronipilven osasta elektroni todennäköisimmin löytyy.

Elektronin sijoittuminen tietylle kuorelle kuvaa elektronin keskimääräistä energiaa. Elektronikuoria merkitään ytimestä lukien joko numeroilla 1, 2, 3,...tai kirjaintunnuksilla K, L, M, .... Mitä suurempi on kuoren numero n, sitä suurempi on kuorella olevan elektronin energia. Elektronien maksimimäärän kullakin kuorella ilmoittaa seuraava sääntö: kuorella, jonka järjestysnumeron on n, voi olla maksimissaan 2n² elektronia.

Orbitaalilla kuvataan sitä avaruuden osaa atomiytimen ympärillä, josta elektroni todennäköisimmin löytyy. Orbitaalit saavat kolmiulotteisia muotoja neljän eri kvanttiluvun perusteella. Yhdellä orbitaalilla voi olla vain kaksi elektronia, koska samalla orbitaaleilla olevilla elektroneilla on aina eri spinit.

Jos täyttyvillä orbitaaleilla on sama energia, kullekin orbitaalille sijoitetaan ensin yksi elektroni, joilla kaikilla on sama spini. Tätä kutsutaan Hundin säännöksi. Paulin kieltosäännön mukaan samalla orbitaalilla voi olla enintään kaksi elektronia, joilla on eri spini.

Jos atomiin tuodaan lisää energiaa  esim lämpönä tai valona, ulkoelektronit virittyvät eli siirtyvät korkeammille energiatasoille. Tämä viritystila on hyvin lyhytaikainen. Kun elektronit palaavat perustilaansa eli viritystila purkautuu, vapautuu sähkömagneettista säteilyä. Joillakin alkuaineilla vapautuvan säteilyn aallonpituus on näkyvän valon alueella. Jos ulkoeletktronit saavat riittävästi energiaa, ne irtoavat atomista kokonaan. Tällöin atomi ionisoituu, eli siitä tulee ioni. Syntyvällä ionilla on positiivinen varaus eli sitä kutsutaan kationiksi. Ionisoitumista kuvataan seuraavasti:

Li à Li⁺  + e^-

Eli tuossa litiumatomista muodostuu kationi, jonka varaus on +1. Vastaavasti fluoriatomista muodostuu anioni, jonka varaus on -1:

F + e^- à F^-

Jaksollisessa järjestelmässä on seitsemän vaakariviä eli jaksoa. Jaksollisen järjestelmän pystyrivejä kutsutaan ryhmiksi. Sivuryhmien alkuaineilla on 1-2 ulkoelektronia, mitä ei voi ennustaa sivuryhmän numerosta, vaan se selviää alkuaineen tarkasta elektronirakenteesta. Siksi saman sivuryhmän alkuaineilla ei välttämättä ole samanlaisia kemiallisia ominaisuuksia, toisin kuin saman pääryhmän alkuaineilla.

Kemia 2: Luku 1 Kemian mikromaailma

Magneettikuvaus perustuu vesimolekyylien sisältämien protonien antamaan signaaliin. Kevlar on aine, joka koostuu pitkäketjuisista, synteettisistä polymeereista, jotka tekevät siitä erityisen lujan materiaalin. Lujuutensa vuoksi Kevlaria käytetään esim luodinkestävissä liiveissä ja isojen purjeveneiden purjemateriaalina.

John Dalton todisti ensimmäisenä atomien olemassaolon vuonna 1805. Kemiallisessa reaktiossa atomeja ei synny eikä häviä, vaan ne järjestyvät uudelleen muodostaen uusia yhdisteitä.

No tuli vähän lyhyt kappale ku oli niin helppoa asiaa. Nyt tehtävien pariin.

Biologia 5: luku 14 Teollisuudessa ja ympäristöteknologiassa hyödynnetään bioteknologiaa

Teollisuudessa pyritään tehokkaaseen ja ympäristöä vähän kuormittavaan tuotantoon

Tutkijat ovat kehittäneet muuntogeenisen bakteerin, joka pystyy muuttamaan merilevän tuottamia sokereita etanoliksi. Merilevästä voitaisiin näiden bakteerien avulla valmistaa bioetanolia autojen polttoaineeksi. Merilevästä tuotettu biopolttoaine ei veisi peltopinta-alaa ruuantuotannolta, eikä sen viljely kuluttaisi vettä.

Elintarviketeollisuudessa bioteknologiaa sovelletaan esim maitotuotteiden ja oluen valmistuksessa ja sen menetelmin parannetaan elintarvikkeiden ja niiden raaka-aineiden ominaisuuksia. Biotekniikkaa hyödyntäviä teollisuuden aloja kutsutaan bioteollisuudeksi. Bioteollisuudessa valmistetaan joko uusia tuotteita tai jo olemassa olevaa tuotetta aletaan valmistaa uudella menetelmällä.

Entsyymejä tuotetaan  monien teollisuusalojen tarpeisiin

Entsyymejä käytetään mm. elintarvike-, pesuaine-, puunjalostus- ja tekstiiiliteollisuudessa. Entsyymien tuotannosta onkin kehittynyt aivan oma bioteollisuuden osa-alueensa. Entsyymeillä voidaan korvata haitallisia aineita tai käyttää alhaisia lämpötiloja tai painetta.

Mikrobit valmistavat teollisuuden käyttämiä entsyymejä              

Bioreaktori eli fermentori on suuri astia, joka on steriloitu ja suljettu niin tiivisti, ettei sinne pääse ulkopuolisia mikrobeja. Bakteereja ja homeita käytetään teollisuudessa entsyymien tuottamiseen. Entsyymien teollisessa tuotannossa on kolme vaihetta:

1. Esikäsittelyssä syväjäädytettyjä tai kasvatusmaljalla jääkaapissa säilöttyjä mikrobeja siirretään steriiliin kasvatusliuokseen. Aluksi mikrobeja esikasvatetaan pienissä bioreaktoreissa.
2. Bioreaktorissa kasvatusliuoksena on vettä ja siihen lisättyjä ravintoaineita. Bioreaktorin olosuhteen pidetään ihanteellisina mikrobin toiminnan kannalta, jotta tuotanto olisi mahdollisimman tehokasta.
3. Entsyymiä kerätään talteen ja puhdistetaan

Elintarvikkeiden valmistuksessa käytetään mikrobeja ja entsyymejä

Monien elintarvikkeiden valmistus perustuu mikrobien aineenvaihduntaan. Soluhengityksen ja alkoholikäymisen kemialliset reaktiot tapahtuvat entsyymien katalysoimina, minkä takia oikea leivontalämpötila on tärkeä. Taikinan nouseminen perustuu leivinhiivan energia-aineenvaihduntaan. Hapekkaissa oloissa hiivasoluissa vapautuu energiaa soluhengityksessä ja samalla muodostuu hiilidioksidia. Hiilidioksidikuplat saavat taikinan kohoamaan.

Sekä oluen että viinin valmistus perustuu hiivasoluissa tapahtuvaan alkoholikäymiseen. Alkoholikäyminen tapahtuu hapettomissa oloissa ja siinä vapautuu energiaa, ja hiilidioksidin lisäksi syntyy pieni määrä alkoholia. Alkoholi haihtuu taikinasta paistettaessa. Alkoholikäymisessä viljan tai viinirypäleiden sisältämät hiilihydraatit hajoavat hiilidioksidiksi ja etanoliksi.

Meijeriteollisuudessa viilin, jogurtin, piimän ja juuston valmistus perustuu maidon sisältämän laktoosin käymiseen maitohapoksi maitohappobakeerien eli hapatteiden avulla. Ne happamoittavat maidon ja siten vaikuttavat tuotteen rakenteeseen, makuun, kypsymiseen ja säilyvyyteen.

Elintarvikkeita valmistettaessa huomioidaan kuluttajien tarpeet

Laktaasientsyymiä käytetään vähälaktoosisten tuotteiden valmistuksessa. Se pilkkoo maidon laktoosia. Elintarviketeollisuudessa on alettu tuottaa funktionaalisia eli terveyttä edistäviä elintarvikkeita, joiden avulla voidaan vähentää terveysriskejä, kuten kohonnutta veren kolesterolia, vähentynyttä luustotiheyttä, kohonnutta verensokeria, kohonnutta verenpainetta ja ylipainoa.

Bioenergia korvaa fossiilisia polttoaineita

Bioteknologian avulla kehitetään uusia ja tehokkaita menetelmiä, joilla valmistetaan biopolttoaineita. Biopolttoaineella tarkoitetaan eloperäisestä aineesta valmistettua polttoainetta ja siitä saatavaa energiaa kutsutaan bioenergiaksi. Biopolttoaineiden raaka-aineina käytetään runsaasti sokeria ja tärkkelystä sisältäviä kasveja, kuten sokerijuurikasta, sokeriruoko, maissia ja perunaa sekä öljykasveja, kuten öljypalmua ja rypsiä.  Öljypitoisista kasveista valmistetaan biodieseliä ja sokeri- ja tärkkelyspitoisista bioetanolia. Näillä polttoaineilla on korvattu öljystä jalostettujen bensiinin ja dieselin käyttöä.

Biopolttoaineita pyritään kuitenkin valmistamaan kasvien selluloosasta, mäntyöljystä sekä jätteistä, koska bioetanolin ja biodieselin tuotannossa on se ongelma, että niiden valmistuksessa käytetään ruuaksi kelpaavia raaka-aineita. Lisäksi öljypalmun viljelyn lisääntyminen tuhoaa sademetsiä ja nopeuttaa lajien sukupuuttoa.  Myös levien soveltumista biopolttoaineiden raaka-aineeksi tutkitaan.

Biokaasua (metaania) käytetään lämmön- ja sähköntuotantoon sekä ajoneuvojen polttoaineena. Näin ilmakehään vapautuvan metaanin määrä vähenee, nimittäin metaania muodostuu kaatopaikoilla, jätevedenpuhdistamoilla ja sikaloissa kun anaerobiset mädättäjäbakteerit hajottavat jätteitä. Metaani on tehokas kasvihuonekaasu, joten biokaasun käyttö torjuisi osaltaan ilmastonmuutosta.

Jätteiden määrää ja haittoja voidaan vähentää

Bioteknologian avulla pyritään energian säästöön ja raaka-aineina käytettävien uusiutumattomien luonnonvarojen käytön vähentämiseen. Kehitetään menetelmiä, joiden avulla voidaan vähentää tuotteen koko elinkaaren aikana syntyvien päästöjen ja jätteiden määrää sekä myrkyllisten kemiakaalien käyttöä. Mikrobien ja kasvien avulla tapahtuvaa myrkyllisten aineiden hajottamista kutsutaan biopuhdistukseksi.

Valinnan avulla voidaan löytää sellaisia mikrobeja, jotka kestävät myrkkyjä ja hajottavat niitä. Kasvit pystyvät juurtensa avulla keräämään maaperästä esim kadmiumin ja nikkelin. Tämän jälkeen raskasmetalleja keränneet kasvit niitetään ja hävitetään.

Biologia 5: luku 13 Lääketieteessä kehitetään jatkuvasti uusia rokotteita ja hoitomenetelmiä

Tartuntatautien torjunnalla on pitkät perinteet

Bioteknologian avulla pystytään tekemään entistä parempia rokotteita ja lääkkeitä. Ihmisen immuunijärjestelmän toiminta perustuu elimistölle vieraiden molekyylien eli antigeenien tunnistamiseen ja tuhoamiseen. Antigeeneinä toimivat esim mikrobien pintaproteiinit. AIDS on HI-viruksen aiheuttama tauti, joka on hoitamattomana tappava. HI-virukset lisääntyvät imusoluihin kuuluvissa auttaja-T-soluissa. Nämä virukset tunnistavat isäntäsolunsa solukalvon reseptoreista. On kuitenkin ihmisiä, jotka ovat vastustuskykyisiä HI-virukselle. Heidän auttaja-T-solujensa reseptorit ovat geenimutaation tuloksena muuntuneet HI-virusta hylkiviksi.

Kesämarunan ainesosat, erityisesti artemisiini, tehoavat malariaan. Artemisiini onkin tällä hetkellä yksi tehokkaimmista malariaa estävistä aineista. Artemisiini uutetaan kasveista, joten sen valmistaminen on kallista.

Bakteeritauteja hoidetaan antibiooteilla

Antibiootit ovat bakteerien ja homeiden valmistamia aineita, joilla ne tappavat kilpailijoitaan tai estävät niiden kasvua ja lisääntymistä. Antibioottien vaikutus perustuu siihen, että ne häiritsevät bakteerin aineenvaihduntaa. Laajakirjoiset antibiootit tuhoavat useita bakteerilajeja, kun taas kapeakirjoiset antibiootit tehoavat vain yhteen tai muutamaan bakteerilajiin. Erytromysiini ja tetrasykliini pysäyttävät bakteerin proteiinisynteesin ja penisilliini sekä vankomysiini estävät bakteerin soluseinän rakentumisen. Rifampisiini estää bakteerin nukleiinihapposynteesin. Antibioottien yhtenä ongelmana no se, että ne tappavat myös ihmisen normaaleja suolistobakteereja, mikä voi ilmetä suolistovaivoina, kuten ripulina.

Antibiootteja valmistetaan siten, että mikrobien annetaan erittää valmistamansa antibiootin ympäröivään kasvatusliuokseen, josta se on helppo eristää ja puhdistaa. Sairaalabakteerilla tarkoitetaan sellaista bakteeria, joka on vastustuskykyinen monelle antibiootille. Jotta sairaalabakteereita ei syntyisi, onkin tärkeää olla syömättä turhia antibioottikuureja. Lääkärin määräämä antibioottikuuri on myös syötävä loppuun. Myös laajakirjoisten antibioottien turha käyttö lisää riskiä antibioottiresistenssien bakteerikantojen syntyyn.

MRSA eli metisilliiniresistentti Staphylococcus aureus on tunnetuin sairaalabakteeri. Normaali Staphylococcuus aureus on yleinen terveen ihmisen iholla ja nenän limakalvoilla, eikä aiheuta mitään oireita. MRSA voi kuitenkin aiheuttaa hengenvaarallisen verenmyrkytyksen, mikäli se pääsee infektoimaan huonokuntoisen potilaan leikkaushaavan.

Suurin osa rokotteista valmistetaan geenitekniikan avulla

Rokotuksia eli aktiivista immunisaatiota käytetään sekä bakteeri- että virusinfektioiden ennaltaehkäisyssä. Geenitekniikan avulla valmistetaan entistä tehokkaampia ja turvallisempia rokotteita. Kokonaiset mikrobit korvataan mikrobien pintaproteiineilla, jotka toimivat antigeeneinä käynnistäen elimistön immuunijärjestelmän toiminnan. Heikennettyjä tai tapettuja taudinaiheuttajia käyettäessä rokote voi aiheuttaa kyseisen taudin oireita, mutta pintaproteiineista tehtyjä rokotteita käytettäessä sivuvaikutuksia on vähemmän.

Hiirikokeissa on saatu lupaavia tuloksia uudesta HI-rokotteesta. Rokotteen ideana on saada lihassolut tuottamaan HI-viruksia tuhoavia vasta-aineita. Rokote tehtiin siten, että flunssavirukseen liitettiin geenejä, jotka ohjaavat HI-viruksen vasta-aineiden tuottoa. Sitten hiiren jalkojen lihaksiin ruiskutettiin näitä viruksia. Tuloksena oli, että hiiret tuottivat vasta-aineita koko elämänsä ja pysyivät terveinä, vaikka niihin ruiskutettiin HI-virusta.

Biotekniikan avulla tuotetaan lääkeproteiineja ja täsmälääkkeitä

Biotekniikan avulla tuotetaan monia lääkeproteiineja, kuten diabeteksen hoidossa käytettävää insuliinia ja lyhytkasvuisuuden hoidossa käytettävää kasvuhormonia. Näitä proteiineja tuotetaan bakteeri- ja hiivasoluviljelmissä, joihin on siirretty ihmisen kyseisen proteiinin tuottoa ohjaava geeni.

Antitrypsiiniä käytetään lääkkeenä perinnölliseen tautiin, joka hoitamattomana johtaa keuhkojen vajaatoimintaan ja rappeutumiseen. Geenitekniikan avulla on kehitetty muuntogeeninen lammas, johon on siirretty ihmisen antitrypsiinigeeni. Lammas tuottaa antitrypsiiniä maitoon, josta se on helppo eristää.

Antitrombiinia käytetään lääkkeenä laskimotukosten ehkäisyyn sellaisilla potilailla, joiden elimistössä ei synny antitrombiinia ja jotka sen vuoksi kärsivät veren liiallisesta hyytymisestä. Antitrombiinia valmistetaan siirtogeenisissä vuohissa.

Interferonit ovat elimistön omien solujen tuottamia proteiineja, jotka estävät virusten lisääntymistä. Kun virus infektoi solun, solu alkaa tuottaa virusten rakenneosien lisäksi interferonia. Sen vaikutuksesta virukset eivät pääse lisääntymään ympäröivissä soluissa. Interferoneja tuotetaan bioteknisesti kolibakteereissa, ja niitä voidaan käyttää virussairauksien ja eräiden syöpätyyppien hoitoon.

Syövän hoitoon kehityt uudet täsmälääkkeet tuhoavat vain syöpäsoluja. Syöpäkasvaimen laajetessa siihen kehittyy oma verisuoniverkosto, jonka kautta syöpäsolut saavat happea ja ravintoa. Jos verisuonten kasvu saadaan estettyä, syöpäkasvaimen kasvu estyy. Syövän hoitoon on kauan käytetty solunsalpaajia ja sädehoitoa. Ne ovat kuitenkin epätarkkoja ja vaikuttavat syöpäsolujen lisäksi myös terveisiin soluihin haitallisesti.

Siirto- ja poistogeenisiä eläimiä käytetään tautimalleina

Eläimissä tehtyjen tautimallien etuna soluviljelmiin verrattuna on, että perinnölllisiä sairauksia ja syöpäkasvaimia pystytään tutkimaan olosuhteissa, jotka vastaavat mahdollisimman hyvin potilaan elimistöä. Kuten kaikkiin eläinkokeisiin, myös tautimallien käyttöön liittyy eettisiä ongelmia. Lainsäädännön ja valvonnan avulla huolehditaan siitä, ettei eläimille aiheuteta tarpeetonta kipua ja kärsimystä.

Kantasoluista erilaistettujen solujen käyttöä solukorvaushoidoissa tutkitaan

Lähes kaikkikykyisiä kantasoluja on vain alkiossa. Nykyisellä tekniikalla kantasoluja tehdään lähes mistä tahansa ihmisen solutyypistä. Potilaasta eristetyt solut saadaan palautumaan lähes kaikkikykyisiksi kantasoluiksi siirtämällä soluihin viruksen avulla tiettyjä, vain alkiovaiheessa ilmeneviä geenejä. Näin aikaansaadut iPS-solut voidaan sitten erilaistaa esim verisoluiksi tai lihassoluiksi ja käyttää niitä solukorvaushoidoissa. Koska solut ovat potilaan omia soluja, ei hylkimisreaktiota ilmene.

Solukorvaushoidoista toivotaan apua monien vaikeiden tautien hoitoon. Esim muutamien Parkinsonin tautia sairastavien potilaiden aivoihin on siirretty hermoston kantasoluista kasvatettuja hermosoluja. Diabetespotilaan tuhoutuneet haiman saarekesolut voitaisiin korvata insuliinia tuottavilla, terveillä saarekesoluilla.

Kantasoluhoidot eivät ole ongelmattomia. Niihin liittyy esim suurentunut syöpäriski. Kantasolut saattavat jakautua hallitsemattomasti, mikä johtuu niiden kyvystä tuottaa kromosomien telomeereja pidentävää telomeraasientsyymiä. Telomeeri on siis kromosomin pää, joka koostuu lyhyistä DNA:n toistojaksoista. Telomeerit lyhenevät jokaisessa mitoosissa ja kun telomeeri on kulunut kokonaan pois, alkaa kromosomi vaurioitua.

Geenihoito on sairauden hoitamista geenisiirron avulla

Geenihoidossa sairaan kudoksen soluihin siirretään toimiva geeni, jonka ohjeiden mukaan elimistöön alkaa syntyä puuttuvaa proteiinia. Geenihoidon onnistumisen ehtona on, että tunnetaan kyseisen geenin normaali emäsjärjestys. Geenihoidossa hoitava geeni liitetään sopivaan vektoriin, joka vie geenin potilaan soluihin. Virukset ovat hyviä vektoreita, koska ne ovat sopeutuneet tunkeutumaan soluihin ja lisääntymään niissä. Geenihoitoa on käytetty synnynnäistä immuunipuutostautia (ADA) sairastaville lapsipotilaille ja perinnöllistä korkeaa kolesterolia sairastaville.

Geenihoitoon liittyy kuitenkin monia ongelmia. Yhtenä geenihoidon ongelmana on, että geenisiirtoa ei osata tehdä kohdistetusti. Siirtogeeni voi kiinnittyä mihin tahansa kohtaan potilaan solun DNA:ssa, ja se voi pahimmassa tapauksessa aktivoida jonkin syöpägeenin. Myöskään geeninsiirto juuri haluttuun kudokseen ei aina onnistu. Kolmas ongelma on käytettyjen kuljettimien tehottomuus siirtogeenien kuljettajina. Lisäongelmana on siirretyn geenin toiminnan hiipuminen vähitellen.

Geenihoitoa saa käyttää vain sellaisten vakavien, kuolemaan johtavien tautien hoidossa, joihin ei ole olemassa muuta tehokasta hoitokeinoa. Geenimuutos ei saa periytyä hoidetun lapsiin, eli geenisiirtoa ei saa tehdä sukusoluihin.

Geenitekniikka on tehostanut tautien diagnosointia

Geenitestien avulla voidaan etsiä perinnöllisiä sairauksia, tunnistaa jonkin taudin oireeton kantaja tai kartoittaa vanhempien riski saada sairas lapsi. Alkiodiagnostiikkaa käytetään vain perheissä, joissa vanhemmat ovat vaikean perinnöllisen sairauden kantajia. Geneettiseen testaamiseen liittyy eettisiä ongelmia. Koska geenitestien avulla voidaan arvioida henkilön odotettavissa olevaa terveydentilaa, on syrjinnän riski olemassa. Ennen kuin koko genomin sekvensointi yleistyy, pitää taata yksilön oikeus pitää genomitieto itsellään.

Kudosteknologialla tarkoitetaan keinotekoisten kudosten ja elinten kehittämistä

Kudos- ja elinsiirtoihin liittyvien hylkimisreaktioiden vuoksi etsitään uusia menetelmiä, joilla nämä ongelmat voisi välttää. Yksi menetelmä on kudosteknologia. Siinä tutkitaan esim hermokudoksen kasvattamista, keinotekoisen luuytimen kasvattamista kolmiulotteisessa nailonverkossa ja keinotekoisten erytrosyyttien kasvattamista.

Kudosteknologian avulla on usealle potilaalle onnistuttu kasvattamaan keinotekoinen virtsarakko toimimattoman tilalle. Potilaalta on ensin otettu soluja ja niitä on kasvatettu soluviljelmässä. Kun solujen määrä on lisääntynyt tarpeeksi, ne on levitetty virtsarakon muotoisen rungon päälle ja annettu jatkaa kasvuaan siinä valmiiksi virtsarakoksi. Keinotekoinen virtsarakko ei synnytä hylkimisreaktiotia, koska se on kasvatettu potilaan omista soluista.