5. Alkuaine ja atomi

Johdanto

Meillä kaikilla on jonkinlainen mielikuva atomeista. Ne ovat hyvin pieniä, näkymättömiä aineen peruspalikoita, mutta voiko atomin pilkkoa vielä pienempiin osiin. Kyllä voi, sillä atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Atomin pilkkominen kokonaan pienempiin osiin ei onnistu kemiallisin konstein, mutta elektronit voivat siirtyä atomilta toiselle joko osittain tai kokonaan. Juuri tästä on kyse tieteessä nimeltä kemia.

Protonit ja neutronit ovat ihmisen mittakaavassa hyvin pieniä, mutta elektroneihin verrattuna ne ovat jättiläisiä. Lisäksi protonit ja neutronit sijaitsevat atomin ytimessä, elektronit ytimen ympärillä. Elektronien yhteydessä puhutaan elektronikuorista tai elektronipilvistä. Ne ovat malleja joiden avulla atomien kemiallisia ominaisuuksia voidaan kuvata ymmärrettävästi.
 

Atomien sähkövaraus

Kun hankaat ilmapallolla hiuksiasi, ilmapallo ja hiukset vetävät toisiaan puoleensa. Tämä johtuu siitä, että ilmapallo ja hiukset saavat hangatessa erimerkkiset sähkövaraukset. Tämä aiheuttaa niiden välille sähköisen vetovoiman. Kun viet ilmapallon pois, hiuksesi harottavat sinne tänne. Hiuksilla on keskenään samanmerkkiset sähkövaraukset ja ne hylkivät eli työntävät toisiaan poispäin toisistaan. Niiden välillä vallitsee sähköinen poistovoima.

Sähkövarauksia on kahdenlaisia, positiivisia (+) ja negatiivisia (–). Kun +- ja – -varauksia on yhtä paljon, ne kumoavat toisensa. Silloin sanotaan, että aine on sähköisesti neutraali. Sähkövarauksista tulet oppimaan lisää myös fysiikan opintojesi yhteydessä tutustuessasi sähköfysiikkaan.

 

Miten sähkövaraus liittyy atomiin?

Atomin osista elektronilla on negatiivinen ja protonilla positiivinen sähkövaraus. Ne ovat etumerkkiä lukuun ottamatta saman suuruisia. Lisäksi nämä ovat pienimpiä mahdollisia varauksia, alkeisvarauksia.  Neutronilla ei ole sähkövarausta eli se on nimensä mukaisesti neutraali. Alkeisvaraukset lyhennetään seuraavasti:

protoni (p + )
elektroni (e -)
neutroni (n )

Atomissa on yhtä monta elektronia ja protonia, mistä seuraa että atomi on sähköisesti neutraali.

Alkuaineet ja niiden kemialliset merkit

Erilaisia atomeja tiedetään tähän mennessä olevan hieman alle 120, joista luonnossa esiintyy 92. Loput ovat ihmisen valmistamia pysymättömiä keinotekoisia atomeja. Näitä noin 120 erilaista atomia kutsutaan alkuaineiksi. Jokaiselle alkuaineelle on annettu oma nimi. Vety, happi, hiili ja rauta lienevät ennestään tuttuja alkuaineita, mutta jodi, litium tai titaani ehkäpä vähemmän tuttuja.

Mikä tekee tietynlaisista atomeista esimerkiksi happiatomeja?

Siihen on vain yksi syy: Kaikki ne atomit joiden ytimessä on kahdeksan protonia, ovat happiatomeja. Vastaavasti myös kaikki ne atomit joiden ytimessä on vain yksi protoni, ovat vetyatomeja.

Siis protonien lukumäärä atomin ytimessä määrää, minkä alkuaineen atomi on kyseessä. Tätä protonien lukumäärää ytimessä kutsutaan kyseisen alkuaineen järjestysluvuksi. Näin alkuaineet saadaan järjestyslukunsa mukaiseen jonoon, jossa vety on paikalla 1, happi paikalla 8 ja esimerkiksi rauta paikalla 26.


Heliumatomissa on kaksi protonia. Heliumin järjestysluku on siis 2.

Alkuaineiden merkitsemiseen käytetään kansainvälisiä lyhenteitä eli kemiallisia merkkejä, jotka koostuvat yhdestä tai kahdesta kirjaimesta. Hapen kemiallinen merkki on O (kreikaksi oxys), vedyn H (kreikaksi hydrogenium) ja raudan Fe (latinaksi ferrum). Kemiallisella merkillä voidaan kuvata joko

  1. sellaista puhdasta ainetta, joka koostuu ainoastaan yhdestä alkuaineesta tai
  2. kyseisen alkuaineen yksittäistä atomia.

Kemiallisten merkkien lisäksi eri alkuaineiden atomeja voidaan kuvata myös pallomalleilla. Esimerkiksi happiatomia kuvataan punaisella, vetyatomia valkoisella ja hiiliatomia harmaalla tai mustalla pallolla. Kemistit ovat sopineet jokaiselle alkuaineelle oman värin sen vuoksi, että ne olisivat helpompia tunnistaa kuvattaessa jotakin kemiallista ilmiötä näiden pallomallien avulla.

Kunkin alkuaineen omaa väriä voidaan käyttää myös alkuaineiden jaksollisen järjestelmän taulukossa:

Alkuaineet luonnossa

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, mutta maapallolla sitä esiintyy puhtaana vain pieniä määriä yläilmakehässä. Suurin osa maapallon vetyatomeista on sitoutunut moniin muihin alkuaineisiin. Kuvassa oikealla näkyy puhdasta vetykaasua avaruudessa.

Kulta puolestaan esiintyy maapallolla melkein yksinomaan puhtaana alkuaineena.
Happi on ilmakehässä puhtaana alkuaineena muodostaen muutamien muiden kaasujen kanssa kaasuseoksen, mutta maan pinnalla se esiintyy sitoutuneena muihin alkuaineisiin. Happi onkin maapallon pintaosien yleisin alkuaine.

Happea löytyy myös maailman meristä.

Yleisesti voidaan sanoa, että suurin osa 92 luonnonvaraisesta alkuaineesta on sitoutunut kemiallisesti yhden tai useamman muun alkuaineen kanssa.

Molekyylit muodostuvat atomeista

Puhdas kulta koostuu pelkästään kulta-atomeista, jotka muodostavat hyvin säännöllisen rakenteen. Jos olisi mahdollista katsoa puhtaasta kullasta valmistetun kultasormuksen sisään, niin nähtäisiin joka suuntaan jatkuvia kulta-atomeista muodostuneita rivistöjä. Kullan rakenneosia ovat siis yksittäiset kulta-atomit.





Puhtaan vedyn rakenne on erilainen. Sen rakenneosia ovat vetymolekyylit. Vetymolekyyli koostuu kahdesta vetyatomista, jotka ovat liittyneet toisiinsa kemiallisen sidoksen avulla.




Myös puhtaan hapen ja typen rakenneosat ovat molekyylejä. Typpimolekyyli koostuu kahdesta typpiatomista, mutta hapen rakenneosana voi olla joko kahden happiatomin muodostama happimolekyyli tai kolmen happiatomin muodostama otsonimolekyyli.

Molekyylien nimien lisäksi kemiassa käytetään usein pelkkiä kemiallisia merkkejä. Ensin kirjoitetaan kyseisen alkuaineen kemiallinen merkki ja sen jälkeen oikeaan alakulmaan molekyylissä esiintyvien atomien lukumäärä. Vetymolekyylin merkintä H2 kertoo, että se koostuu kahdesta vetyatomista. Jos näitä vetymolekyylejä on useampia, niin niiden lukumäärä merkitään molekyylin merkinnän eteen. Esimerkiksi kolme vetymolekyyliä merkitään 3 H2, yksi happimolekyyli merkitään O2 ja kaksi otsonimolekyyliä 2 O3.