4. Atomit ja molekyylit

2. Atomi on keksitty tuhansia vuosia sitten.

Ihmisten kiinnostus aineisiin johti pohdiskeluihin: mistä kaikki rakentuu ja mitkä ovat perimmäisiä aineita, joista muut aineet koostuvat? Varhaisimmat aineen rakennetta ja sen muutoksia koskevat teoriat olivat filosofien kehittelemiä. Nämä teoriat muodostettiin usein pelkästään loogiseen ajatteluun perustuen eikä ajatuksia perusteltu kemiallisilla kokeilla.

Varhaisin aineen rakenteen atomiteoria on peräisin kreikkalaiselta filosofilta Leukippokselta (noin 400-luku eaa.) Hän esitti ajatuksen, että atomi on aineen pienin, jakamaton osa. Leukipposkinin oppilas Demokritos Abderalainen (460–370 eaa.) julkaisi teorian kirjallisessa muodossa. Kemian suureksi vahingoksi antiikin ajan tieteen suurin auktoriteetti Aristoteles (384–322 eaa.) hylkäsi atomiteorian. Tämän seurauksena kemia tieteenä ei atomiymmärryksen näkökulmasta juurikaan kehittynyt noin 2 000 vuoteen.

Englantilainen matematiikan ja kemian opettaja John Dalton julkaisi 1800-luvun alussa kokeellisiin tutkimustuloksiin perustuvan teoriansa atomeista. Daltonin mukaan alkuaineet koostuvat atomeista, jotka ovat aineen pienimpiä rakenneosia. Hän väitti myös, että saman alkuaineen atomit ovat identtisiä massaltaan ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan ja että eri alkuaineiden atomit eroavat toisistaan juuri samasta syystä. Daltonin atomiteoriaa on myöhemmin tarkennettu, ja nykykäsityksen mukaan atomi voidaan hajottaa alkeishiukkasiksi. On todennäköistä, että atomimalli tulee edelleen muuttumaan, kun tutkimusmenetelmät kehittyvät tarkemmiksi.



John Dalton 1766–1844.

3. Alkuaineet.

Alkuaineella tarkoitetaan ainetta, joka rakentuu yhdestä tietynlaisesta atomista. Alkuaineatomia ei voida jakaa pienemmiksi osiksi, eikä muuttaa toiseksi aineeksi kemiallisella reaktiolla. Jokaiselle alkuaineelle on annettu oma nimi. Vety, happi, hiili ja rauta lienevät ennestään tuttuja alkuaineita, mutta jodi, litium tai titaani ehkä vieraampia.

Alkuaineiden määrä on rajoitettu. Erilaisia alkuaineita tiedetään tähän mennessä olevan hieman alle 120, joista luonnossa esiintyy 92. Loput ovat ihmisen valmistamia pysymättömiä keinotekoisia alkuaineita. Ihmisen rakentamiseen riittää noin parikymmentä eri alkuainetta. Suurin osa tavaroista rakentuu vieläkin vähäisemmästä määrästä alkuaineita. Esimerkiksi styroksin rakentamiseen riittää kaksi (hiili ja vety) ja grillihiilien rakentamiseen yksi (hiili).



Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä on tärkeä kemistin työkalu. Jaksollisesta järjestelmästä opitaan lisää pääluvussa Aineen rakenne.

4. Alkuaineet luonnossa.

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine ja helium toiseksi yleisin. Yhteensä ne muodostavat noin 98 % kaikesta havaitusta aineesta. Kaikki muut alkuaineet muodostavat loput kaksi prosenttia. Vety ja osa heliumista on peräisin alkuräjähdyksestä ja muut raskaammat alkuaineet ovat muodostuneet tähtien ydinreaktioissa. Kuvassa oikealla näkyy puhdasta vetyä avaruuden kaasusumussa.

Happi (46 %) ja pii (28 %) ovat maapallon yleisimmät alkuaineet. Seuraavaksi yleisimmät ovat alumiini, rauta, magnesium, kalsium, kalium ja natrium. Nämä aineet muodostavat 99 % maan massasta. Tästä suurin osa eli 90 % johtuu raudan massasta. Maaperässä rautaa on vähän, koska suurin osa siitä sijaitsee maapallon ytimessä. Maapallon sydämessä oleva rauta on nestemäistä. Nestemäisen raudan virtaukset muodostavat maapallon ympärille magneettikentän. Se suojaa maapalloa avaruussäteilyltä.

Suurin osa maapallon vetyatomeista on sitoutuneena happeen, jolloin on muodostunut vettä. Alkuainemuodossa sitä esiintyy pieninä määrinä yläilmakehässä. Muita runsaissa määrin maapallolla alkuainemuodossa esiintyviä kaasumaisia aineita on ilmakehän typpi ja happi.



Happea löytyy myös maailman meristä.


Alkuaineet esiintyvät maaperässä, vedessä ja ilmassa tyypillisesti yhdisteinä. Vain jalometalleja ja jalokaasuja esiintyy merkittävissä määrin alkuaineina. Sana "jalo" tässä yhteydessä liittyy aineiden passiivisuuteen eli siihen, etteivät ne juuri reagoi muiden aineiden kanssa. Tarvitaan yleensä poikkeukselliset reaktio-olosuhteet, että jalometallit ja varsinkin jalokaasut saadaan reagoimaan muiden aineiden kanssa.


5. Molekyylit muodostuvat atomeista

Puhdas kulta rakentuu kulta-atomeista. Jos olisi mahdollista katsoa puhtaasta kullasta valmistetun kultasormuksen sisään, niin nähtäisiin joka suuntaan jatkuvia, säännöllisiä kulta-atomeista muodostuneita rivistöjä ja kerroksia. Tällaista säännöllistä kolmiulotteista rakennetta nimitetään hilaksi. Hilarakenne on tyypillistä kiinteille aineille.



Kulta


Puhtaan vedyn rakenne on erilainen. Sen rakenneosia ovat vetymolekyylit. Vetymolekyyli rakentuu kahdesta vetyatomista, jotka ovat liittyneet toisiinsa kemiallisella sidoksella.




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.


Vety, typpi, happi ja otsoni


Myös erilaiset atomit voivat liittyä yhteen ja muodostaa molekyylejä. Esimerkiksi hiilidioksidimolekyyli muodostuu, kun hiiliatomiin liittyy kaksi happiatomia.

Hiilidioksidi


Vesimolekyyli muodostuu, kun happiatomiin liittyy kaksi vetyatomia.



Vesi

6. Kemian merkkikieli on kansainvälistä

Kemialla on sille ominainen kielensä. Se koostuu kemiallisista merkeistä ja niiden välisiä suhteita kuvaavista symboleista esimerkiksi nuolista, kuvista ja sanoista. Kemian merkkikieli on universaalia, eikä sitä tarvitse yleensä kääntää puhutun kielen tapaan.

Esimerkkejä

H2O tarkoittaa vettä jokaisessa kielikulttuurissa.

Seuraava reaktioyhtälö ymmärretään vedyn ja hapen väliseksi reaktioksi joka puolella maailmaa samalla tavalla.

[[$ 2\text{ H}_{2}+\text{O}_{2}\rightarrow 2 \text{ H}_{2}\text{O} $]]​


EI KOKEESEEN
Kun kemiallisia ilmiöitä ilmaistaan puhutun sanan mukaisin sanoin ja lausein, ne joudutaan kääntämään kielestä toiseen, kuten mitkä tahansa kielen sanat. Joissain tapauksissa kemiassa käytetty sana, kuten atomi, molekyyli tai energia, on eri kielissä lähes identtinen.


Sanavertailu eri kielillä
suomi atomi molekyyli energia
ruotsi atom molekyl energi
englanti atom molecule energy
viro aatom molekul energia
saksa atom molekül energie


EI KOKEESEEN
Kemialliset käsitteet kuvattiin aluksi keksityin tai muista yhteyksistä johdetuin symbolein. Tästä ovat peräisin esimerkiksi kullan [[$ \odot $]]​, hopean ​​, kuparin ♀ ja raudan ♂ tunnusomaiset merkinnät. Nykyisen kemian merkkikielen kehittäjänä pidetään ranskalaista kemistiä Louis-Bernard Guyton de Morveauta (1737–1816).

Merkittävä vaikutus merkkikielen vakiintumisessa germaanisten kielien alueella oli ruotsalaisella kemistillä Jöns Jakob Berzeliuksella (1779–1848).

Berzeliuksen uudistuksen myötä kemiallisesta merkkikielestä katosi alkemistien mystisyys ja se sai yhtenäisemmän rakenteen. Esimerkiksi kultaa ilmaistaan lyhenteellä Au ja hopeaa lyhenteellä Ag, jotka ovat latinakielisten sanojen “aurum” ja “argentum” lyhenteitä.

7. Kemialliset merkit, KOKEESSA KYSYTÄÄN VARMASTI TÄRKEIMPIEN ALKUAINEIDEN KEMIALLISIA MERKKEJÄ.

Alkuaineiden merkitsemiseen käytetään kansainvälisiä lyhenteitä eli kemiallisia merkkejä. Lyhenteet ovat peräisin aineen latinan- tai kreikankielisestä nimestä. Hapen kemiallinen merkki on O (kreik. oxys so. tuoksuva), vedyn H (kreik. hydrogenium, so. hydro-gen, veden-muodostaja) ja raudan Fe (lat. ferrum).

Kemiallisella merkillä on useita merkityksiä. Tilanteen mukaan sillä tarkoitetaan ainetta itsessään, esimerkiksi kultaa, kyseisen alkuaineen atomia tai jotain tiettyä määrää kyseistä ainetta. Esimerkiksi merkinnällä CH4 voidaan tarkoittaa metaanimolekyyliä tai yhtä litraa metaanikaasua. Asiayhteys ratkaisee, mitä kemiallisella merkillä kussakin yhteydessä tarkoitetaan.

OPETTELE SEURAAVIEN ALKUAINEIDEN KEMIALLISET MERKIT KOETTA VARTEN

ALKUAINE  KEM. MERKKI   ALKUAINE KEM. MERKKI    ALKUAINE KEM. MERKKI
alumiini Al   hiili C   lyijy Pb
argon Ar   hopea Ag   magnesium Mg
barium Ba   jodi I   natrium Na
boori B   kalium K   rauta Fe
bromi Br   kalsium Ca   rikki S
elohopea Hg   kloori Cl   sinkki Zn
fluori F   kromi Cr   tina Sn
fosfori P   kulta Au   typpi N
happi O   kupari Cu   uraani U
helium He   litium Li   vety H



Kemiallisen merkin perässä olevalla luvulla ilmoitetaan kyseisten atomien lukumäärä. Se merkitään alaindeksiksi. Esimerkiksi vety esiintyy normaaleissa olosuhteissa kahden vetyatomin muodostamana vetymolekyylinä. Hiili taas voi esiintyä monien hiiliatomien muodostamana pitkänä ketjuna tai putkena. Vetyatomia kuvaava merkintä on H, mutta vetymolekyylin merkintä on H2.



Hiiliputki.


Sama pätee yhdisteiden kemiallisen kaavan kirjoittamisessa. Yhdisteessä olevan saman alkuaineen lukumäärä ilmoitetaan kemiallisen merkin jälkeen alaindeksiin merkityllä numerolla. Esimerkiksi vesimolekyylin kaava H2O tarkoittaa sitä, että molekyyli rakentuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista. Alaindeksi yksi jätetään yleensä merkitsemättä.

Jos näitä atomeja tai molekyylejä on useampia, niin niiden lukumäärä merkitään atomin molekyylin kemiallisen merkin eteen. Esimerkiksi merkintä 3 H tarkoittaa kolmea vetyatomia ja merkintä 3 H2 kolmea vetymolekyyliä, merkintä O2 yhtä happiatomia ja merkintä 2 O3 kahta otsonimolekyyliä. Luvun edessä oleva yksi jätetään yleensä merkitsemättä.


Tiivistelmä

  • Alkuaineella tarkoitetaan ainetta, joka rakentuu yhdestä tietynlaisesta atomista.
  • Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine.
  • Alkuaineet esiintyvät maaperässä, vedessä ja ilmassa tyypillisesti yhdisteinä.
  • Molekyylit muodostuvat atomeista.
  • Alkuaineiden merkitsemiseen käytetään kansainvälisiä lyhenteitä eli kemiallisia merkkejä.


Syvennetään lopuksi vielä aineen rakenteen kokonaiskuvaa. Lisätään Vesi-luvussa tarkasteltuun aineiden luokittelu -kaavioon käsitteitä puhtaan aineen alle.
KAAVIO EI TULE KOKEESEEN - KAAVIO EI TULE KOKEESEEN - KAAVIO EI TULE KOKEESEEN