open muistiinpano
Atomit
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.
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).
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.
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, H2O. Alkuainemuodossa sitä esiintyy pieninä määrinä yläilmakehässä. Muita runsaissa määrin maapallolla alkuainemuodossa esiintyviä kaasumaisia aineita on ilmakehän typpi ja happi.
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.
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.
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.
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.
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.
Kemialliset käsitteet kuvattiin aluksi keksityin tai muista yhteyksistä johdetuin symbolein. Tästä ovat peräisin esimerkiksi kullan ⊙, 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.
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).
Kemiallisen merkin perässä olevalla luvulla ilmoitetaan kyseisten atomien lukumäärä. Se merkitään alaindeksiksi.
Jaksollisen järjestelmän keksiminen
Kemian tutkimuksen pioneeriaikoina 1700- ja 1800 -luvuilla löydettiin paljon uusia alkuaineita. Vertailevien kokeiden perusteella huomattiin tiettyä säännönmukaisuutta eri aineiden kemiallisissa ominaisuuksissa. Havainnot johtivat ajatukseen, että alkuaineet voitaisiin asettaa järjestykseen kemiallisten ominaisuuksiensa perusteella.
Tätä palapeliä yritettiin koota monella tavalla, kunnes venäläinen kemisti Dmitri Mendelejev ymmärsi jättää tyhjiä aukkoja omaan järjestelmäänsä. Hän ennusti, että aukot kuuluvat alkuaineille, joita ei vielä ollut löydetty mutta jotka tullaan löytämään myöhemmin. Lopulta tyhjät paikat saatiin täytettyä, mikä osoitti Mendelejevin olleen oikeassa.