KirjastoELINTARVIKEKEMIAA

© Lavonen, Meisalo & al.

Kolajuoman happamuuden tutkiminen

Virvoitusjuomat sisältävät usein monia happoja kuten sitruunahappoa, hiilihappoa ja fosforihappoa. Virvoitusjuomien happamuuden voidaan katsoa johtuvan pääasiassa fosforihaposta.

Usein ajatellaan, että ainut ero tavallisen kolajuoman ja sen "kevytversion" välillä on sokerin korvaaminen makeutusaineilla. Yleensä tavallinen kolajuoma poikkeaa kuitenkin dieettikolajuomasta mm. happamuuden suhteen. Tässä työssä tutkitaan tavallisen kolajuoman ja dieettikolajuoman eroja niiden happamuuden suhteen titraamalla kolajuomat natriumhydroksidilla.

Periaatteessa kolajuomat voitaisiin titrata samalla tavalla kuin suoritettiin suolahapon titraus natriumhydroksidilla. Tällöin mittaustavaksi valittiin jatkuva. Emästä annettiin tippua tipoittain happoliukseen ja samalla seurattiin liuoksen pH:n muuttumista. Näin menetellen titrauksen tarkkuus ei ole kuitenkaan kovin suuri. Suurempaan tarkkuuteen päästään valitsemalla mittaustavaksi yksittäinen. Tällöin emästä lisätään aina tunnettu määrä ja liuoksen pH mitataan jokaisen lisäyksen jälkeen. Kvantitatiivisissä määrityksissä tulisikin aina käyttää mittaustapana yksittäistä eikä jatkuvaa.

Kolajuoman sisältämän hiilihapon pitoisuus voi vaihdella eri pullojen välillä. Hiilihapon vaikutuksen eliminoimiseksi kolajuomanäytteitä keitetään ennen titrauksen suorittamista. 

Laitetaan aluksi 250 ml:n keitinlasiin noin 70 ml tavallista kolajuomaa ja keitetään sitä noin 10 minuutin ajan. Annetaan kolajuoman jäähtyä lähelle huoneen lämpötilaa. Otetaan keitetystä kolajuomasta 40 ml:n näyte 100 ml:n keitinlasiin. Asetetaan pH-anturi kuvan mukaisesti keitinlasiin ja kytketään magneettisekoittaja päälle. Titrataan kolajuoma lisäämällää byretistä 0,1 M natriumhydroksidia 0,5 ml:n välein ja mitataan liuoksen pH jokaisen lisäyksen jälkeen. Natriumhydroksidin lisäyksen jälkeen kannattaa aina odottaa muutama sekunti ennen pH:n mittaamista, jotta pH-anturi ehtii stabiloitua. Lopuksi toistetaan sama käyttäen tavallisen kolajuoman tilalla dieettikolajuomaa. 


Kolajuomien titraaminen natriumhydroksidilla

Alla olevassa kuvaajassa on esitetty mittaustulokset kummassakin tapauksessa. 


pH:n muuttuminen titrattaessa kolajuomia natriumhydroksidilla 

Kuten kuvaajasta voidaan havaita, molemmat kolajuomat ovat varsin happamia, sillä ennen natriumhydroksidin lisäämistä kolajuomien pH on noin 2,5. Titrauskäyrät muistuttavat muodoltaan huomattavasti titrauskäyrää, joka saatiin titrattaessa 0,1 M fosforihappoa 0,1 M natriumhydroksidilla. Tämä antaa tukea alussa esitetylle olettamukselle, jonka mukaan kolajuomien happamuus johtuu pääosin fosforihaposta. Kolajuomien titrauskäyrien eroavuudet voidaan selittää osittain sillä, että tavallisessa kolassa on käytetty tuoteselosteen mukaan happamuudensäätöaineena ainoastaan fosforihappoa(E 338), kun taas dieettikolassa on käytetty happamuudensäätöaineena fosforihapon lisäksi myös sitruunahappoa(E 330).
(E-koodit osoitteessa http://www.elintarvikevirasto.fi/julkaisut/esitteet/ekoodi.html)

Tässä kokeessa tavallisen kolajuoman ja dieettikolajuoman titrauskäyrät eivät poikenneet kovin suuresti toisistaan. Erot titrauskäyrissä voivat myös joskus olla huomattavasti suurempia. Tällöin saattaisi olla mielenkiintoista esim. määrittää kvantitatiivisesti juomien fosforihappopitoisuuksia ja vertailla niitä keskenään

Maitotuotteiden happanemisen tutkiminen

Tarkastellaan esimerkkinä maidon happanemista. Maidon happanemisen aiheuttaa maitohappobakteeri. Happanemista tutkitaan kuvan koejärjestelyllä. Sekoittamiseen käytetään magneettisekoittajaa.


Maidon happanemisen tutkiminen

Alla olevasta kuvaajasta voidaan havaita, että aluksi happaneminen tapahtuu suhteellisen nopeasti jonka jälkeen happaneminen hidastuu huomattavasti. 


Maidon happaneminen

Vertailun vuoksi olisi mielenkiintoista tutkia myös maidon happanemista eri lämpötiloissa. Vastaavasti voidaan tutkia piimän, viilin tai jugurtin happanemista. Näiden elintarvikkeiden alkuperäinen happamuus lisää niiden säilyvyyttä. Mielenkiintoista on myös seurata ruisleivän valmistamisessa käytettävän happaman taikinajuuren happamoitumista.

Viinin happanemista voidaan tutkia samantapaisella koejärjestelyllä kuin maidon happanemista. Viinin happanemisen aiheuttaa etikkahappobakteeri.

Vichyn happamuuden tutkiminen

Virvoitusjuomat ovat happamia. Eräs syy virvoitusjuomien happamuuteen on virvoitusjuomiin liuotettu hiilidioksidi. Hiilidioksidia liukenee enemmän ylipaineessa kuin normaalissa ilmanpaineessa. Hiilidioksidia vapautuu, kun virvoitusjuomapullo avataan.

Tutkitaan vichyn happamuuden muuttumista kuvan mukaisella koejärjestelyllä. Ilmiön nopeuttamiseksi käytetään magneettisekoittajaa (myös lämmittämällä voitaisiin nopeuttaa ilmiötä).


Vichyn happamuuden tutkiminen

Mittaustuloksien mukaan alussa vichyn pH on noin 5. 70 minuutin mittauksen aikana happamuus muuttuu noin 2 pH -yksikköä. Happamuuden muuttumista voidaan tutkia myös ilman sekoittamista, mutta tällöin kannattaa valita huomattavasti pidempi mittausaika (esim. 16 tuntia). 


Vichyn happamuuden muuttuminen

KirjastoLÄÄKEKEMIAN TUTKIMUKSIA

Närästystabletin tutkiminen

Ihmisen mahaneste sisältää ruoansulatuselimistön toiminnan kannalta välttämätöntä laimeaa suolahappoa. Monet ihmiset kärsivät närästyksestä ja liikahappoisuudesta. Liikahappoisuuden ja närästyksen hoitoon on olemassa erityyppisiä lääkevalmisteita. Joidenkin lääkevalmisteiden toiminta perustuu liiallisen suolahapon neutralointiin niiden sisältämällä emäksellä. Tällaisia emäksiä ovat mm. magnesiumhydroksidi, alumiinihydroksidi, natriumbikarbonaatti, kalsiumkarbonaatti ja magnesiumkarbonaatti. Suolahapon neutralointi voidaan esittää allaolevan reaktioyhtälön mukaisesti:

Emäs(lääkkeessä)  +  HCl(mahanesteessä)   ->   H2O  +  CO2  +  suolaa 

Tutkitaan erään neutralointiin perustuvan lääkevalmisteen reaktiota suolahapon kanssa. Laitetaan 250 ml:n keitinlasiin 150 ml n. 0,1 M suolahappoa. Asetetaan pH-anturi kuvan mukaisesti keitinlasiin ja kytketään magneettisekoittaja päälle. Aloitetaan pH:n mittaaminen ja lisätään suolahappoon "närästystabletti". 


Suolahappoliuoksen happamuuden tutkiminen 
lisättäessä liuokseen närästystabletti

Toistetaan sama käyttäen ehjän tabletin tilalla murskattua tablettia. Alla olevassa kuvaajassa on esitetty suolahappoliuksen pH:n muuttuminen kummassakin tapauksessa. 


Suolahappoliuoksen pH:n muuttuminen lisättäessä liuokseen närästystabletti

Kuten kuvaajasta havaitaan, närästystabletin vaikutuksesta suolahappoliuoksen happamuus pienenee huomattavasti. Luonnollisesti neutralointi on nopeampaa käytettäessä murskattua tablettia, jolloin kiinteän reagenssin pinta-ala on suurempi.

Mikäli käytettävissä olisi useita erilaisia neutralointiin perustuvia närästystabletteja, olisi mielenkiintoista tutkia myös eri tableteiden neutralointitehokkuuksia ja vertailla niitä keskenään.

Aspiriinisynteesin tutkiminen

Asetyylisalisyylihappoa voidaan valmistaa alla olevan reaktioyhtälön mukaisesti:

salisyylihappo      etikkahappoanhydridi       asetyylisalisyylihappo

                                                                 "aspiriini"

Seuraavassa tutkitaan lämpötila-anturin avulla katalysaattorin vaikutusta aspiriinisynteesin nopeuteen (ks. alla oleva kuva). Laitetaan mikrokennolevyn kennoon noin 1 tl salisyylihappoa ja aloitetaan lämpötilan mittaaminen. Lisätään kennoon noin 2 ml etikkahappoanhydridiä ja käynnistetään magneettisekoitin (sekoitin käynnistetään vasta etikkahappoanhydridin lisäyksen jälkeen, jotta salisyylihappo ei pölisisi). Toistetaan koe, mutta lisätään tällä kertaa katalysaattoriksi pari pisaraa väkevää rikkihappoa. Mikrokennolevyn päällä kannattaa käyttää kantta, johon on porattu kennojen kohdalle kaksi reikää, toinen reagenssin lisäämistä varten ja toinen lämpötila-anturia varten. Ennen mittauksia kannattaa antaa anturin ja reagenssien lämpötilojen tasaantua.

                           Aspiriinisynteesin tutkiminen

Alla olevasta kuvaajasta voidaan havaita katalysaattorin vaikutus aspiriinisynteesin nopeuteen. Ilman katalysaattoria reaktiota ei juurikaan ehdi tapahtua mittauksen aikana. Katalysaattoria käytettäessä reaktio on puolestaan erittäin nopea.

                        Katalysaattorin vaikutus aspiriinisynteesiin nopeuteen

Koejärjestelyn avulla voitaisiin tutkia myös kuinka muut hapot (esim. suolahappo ja fosforihappo) vaikuttavat reaktion kulkuun. Myös katalysaattorin määrän vaikutusta kyseiseen reaktioon voitaisiin tutkia.

KirjastoYMPÄRISTÖKEMIAN TUTKIMUKSIA

Hiilidioksidin ja veden välinen reaktio

Hiilidioksidi vaikuttaa luonnonvesien happamuuteen hydrologisen kierron eri vaiheissa. Ilmakehän melko vakiona pysyvä hiilidioksidipitoisuus lisää puhtaan sadeveden happamuutta pH -arvoon 5,6. Tämä sateen pH -taso edustaa "luonnontilaista" aikaa, jolloin ihmisen aiheuttamilla happopäästöillä ei ollut vaikutusta ilman laatuun. Maaperän eliötoiminta lisää maaveden hiilidioksidipitoisuutta jopa satakertaiseksi sadeveteen verrattuna. Maaveden pH ei kuitenkaan ole matalampi, sillä hiilihappo on kemialliselta luonteeltaan heikko happo. Toisaalta hiilihappo liuottaa maaperän mineraaleja. Tällöin liuenneet maa-alkali- ja alkalimetallit, kuten kalsium, magnesium, kalium ja natrium, neutraloivat hiilihapon muodostaen happamuutta säätelevän puskurisysteemin.

Hiilidioksidin ja vesijohtoveden reaktiota tutkitaan kuvan koejärjestelyllä. pH-anturi asetetaan keittopulloon ja pulloon puhalletaan pillin tai lasiputken avulla.


Hiilidioksidin ja vesijohtoveden reaktion tutkiminen

Uloshengityksen mukana tuleva hiilidioksidi reagoi veden kanssa, jolloin syntyy hiilihappoa. Tietyn ajan kuluttua happamuus ei enää lisäänny, sillä hiilihappo on heikko happo ja se protolysoituu vain osittain. 80 sekunnin yhtämittainen puhaltaminen laskee veden pH-arvoa noin kahden pH -yksikön verran. 


Veden happamoituminen 

Luonnollisempi tapa tuottaa hiilidioksidia on esimerkiksi polttaa puutikkua ja tutkia palamisen yhteydessä syntyvän hiilidioksidin ja veden reaktiota. Kokeen jälkeen kannattaa keskustella, mikä vaikutus ilman lisääntyvällä hiilidioksidipitoisuudella (kasvihuoneilmiö) on sadevesien happamuuteen. 

Rikkidioksidin ja veden välinen reaktio

Kun teollisuudessa ja voimalaitoksissa poltetaan öljyä tai kivihiiltä, samalla poltetaan fossiilisissa polttoaineissa olevaa rikkiä. Myös liikenne aiheuttaa rikkipäästöjä. Usein jo ilmakehän kosteudessa, mutta viimeistään metsässä, päästöjen sisältämä rikkidioksidi reagoi veden kanssa, jolloin syntyy rikkihapoketta. Happo huuhtoo maaperästä tärkeitä kasviravinteita kuten kalsiumia, kaliumia ja magnesiumia. Maahan sitoutunutta alumiinia saattaa kehityksen myöhemmässä vaiheessa vapautua puiden juuristoille haitalliseen liukoiseen muotoon. Olosuhteista riippuen metsämaan rakenne ja ominaisuudet voivat olla laskeuman suhteen varsin kestäviä ja vastustuskykyisiä. Suotuisissa oloissa metsä voi kestää korkeaa ja pitkäaikaistakin rikkilaskeumaa vahingoittumatta. Tästä on esimerkkejä mm. Keski-Euroopasta. Sen sijaan melko vähäinenkin laskeuma on vaaratekijä kalliometsissä ja karuissa metsissä, missä maaperän ravinnevarastot ja puskurivarastot ovat pienet.

Rikin polton yhteydessä syntyvän rikkidioksidin ja veden välistä reaktiota voidaan demonstroida kuvan koejärjestelyllä. Rikin sytyttäminen onnistunee parhaiten kaasupolttimella. Demonstraatio tehdään vetokaapissa. Reaktion nopeuttamiseksi veden sekoittamisen käytetään magneettisekoittajaa. Kokeessa kannattaa käyttää isoa keittopulloa (esim.1000 ml, kuvassa 2000 ml), jonka pohjalle laitetaan vettä vain sen verran, että pH-elektrodin pää juuri ja juuri peittyy. Mittausajaksi kannattaa valita riittävän pitkä aika. Tässä esimerkissä mittausajaksi valitaan 600 s.


Rikkidioksidin ja veden välisen reaktion tutkiminen

Veden pH muuttuu rikkidioksidin vaikutuksesta noin 4,5 pH -yksikköä. 


Veden happamoituminen rikkidioksidin vaikutuksesta

Kokeen jälkeen kannattaa demonstroida, mikä vaikutus kalkilla on happamaan veteen. Samalla kannattaa keskustella fossiilisissa polttoaineissa olevan rikin tarkemmasta talteenotosta.

Metallioksidin ja veden reaktiota voidaan tutkia vastaavalla tavalla kuin epämetallioksidin ja veden reaktiota. Esimerkiksi magnesiumnauhaa voidaan polttaa ja seurata veden pH:n muutosta ajan funktiona. Mielenkiintoista on myös seurata rautanaulan ruostumista keitinlasissa ja samalla mitata veden pH:ta esimerkiksi kahden vuorokauden ajan.

Typen oksidien ja veden välinen reaktio

Typen oksidit ovat merkittävimpiä happamoittavia yhdisteitä. NOx päästöjä aiheuttavat lähinnä liikenne, energiantuotanto ja teollisuuden prosessit. Typen oksidien happamoittava vaikutus perustuu lähinnä siihen, että ne muuntuvat vähitellen typpihapoksi.

Kuvan mukaisen koejärjestelyn avulla voidaan tutkia typen oksidien vaikutusta veden happamuuteen. Kuvan laitteistoa käytettäessä ei välttämättä tarvitse käyttää vetokaappia (lukuun ottamatta laitteiston purkamista), mutta tällöin on noudatettava erityistä varovaisuutta ja varmistettava, että laitteisto on täysin tiivis, jotta myrkyllisiä typen oksideja ei pääse hengitysilmaan. Kuvassa pH-anturin ja kolvin liitoskohta on saatu ilmatiiviiksi leikkaamalla kumiseen korkkiin hieman pH-anturin halkaisijaa pienempi reikä, jonka läpi anturi on painettu kolviin.

                                                          Typen oksidien ja veden välisen reaktion tutkiminen

Laitetaan koeputkeen n. 2 ml väkevää typpihappoa ja tiputetaan koeputken pohjalle pieni pala kuparia. Kupari reagoi typpihapon kanssa muodostaen typen oksideja. Koska happo on väkevää, muodostuu koeputkessa lähinnä punaruskeaa typpidioksidia. Ruiskun avulla reaktiossa muodostuvaa kaasuseosta "vedetään" koeputkesta 250ml:n kolmikaula kolviin. Reaktion nopeuttamiseksi käytetään magneettisekoittajaa. Alla olevasta kuvaajasta voidaan havaita veden happamoituvan hyvin nopeasti.

                                      Veden happamoituminen typen oksidien vaikutuksesta.

Luonnonvesien happamoitumisalttiuksien tutkiminen

Luonnonvesien tärkein happamuutta säätelevä tekijä on ns. hydrokarbonaattipuskuri. Kaasumainen hiilidioksidi liukenee veteen ja reagoi veden kanssa muodostaen hiilihappoa. Hiilihappo dissosioituu hydrokarbonaatiksi ja protoniksi. Hydrokarbonaatti dissosioituu edelleen karbonaatiksi ja protoniksi. Tuotaessa systeemiin vahvaa happoa sen protonit reagoivat hydrokarbonaatin kanssa sitoutuen heikoksi hiilihapoksi, joka hajoaa edelleen vedeksi ja hiilidioksidiksi. Pieni happolisäys ei vaikuta veden happamuuteen, vaan vähentää sen hydrokarbonaattipitoisuutta. Jo puhtaalla vedellä on tällaista vastustamiskykyä happamoitumista vastaan.

Erilaisten vesien happamoitumisalttiutta voidaan tutkia esim. puhaltamalla veteen uloshengityksen sisältämää hiilidioksidia tai lisäämällä tutkittavaan veteen tipoittain laimeaa suolahappoa. Tarkastellaan esimerkkinä meri- ja järviveden happamoitumisalttiutta lisäämällä 50 ml näytteisiin byretistä tipoittain 0,01 M suolahappoa. Suolahappoa tulee luonnollisesti lisätä näytteisiin mahdollisimman samalla nopeudella.


Meri- ja järviveden happamoitumisalttiuden tutkiminen

Kuten alla olevasta kuvaajasta voidaan havaita, järvivesi happamoituu huomattavasti nopeammin verrattuna meriveteen. 


Meri- ja järviveden happamoituminen

Happamuuden muuttumisnopeuksia voidaan vertailla myös muuttamalla Ph-akseli derivaatta-akseliksi.


Derivaatan käyttö tarjoaa keinon vertailla happamuuden muuttumisnopeuksia

Derivaattakäyrien selkeyttä voidaan parantaa suodattimen avulla. Suodatustyypiksi voidaan valita esim. keskiarvosuodatus kaistanleveydellä 7.


Suodatus parantaa käyrien selkeyttä

Meri- ja järviveden lisäksi voitaisiin tutkia myös lampiveden happamoitumista. Lampivesi happamoituu vielä herkemmin kuin järvivesi.