På mange måder er civilisationens historie også kemiens historie – studiet af stof og dets egenskaber. Mennesker har altid forsøgt at identificere, bruge og ændre materialerne i vores omgivelser. De tidlige pottemagere fandt smukke glasurer til at dekorere og konservere deres varer. Hyrder, bryggere og vinbønder brugte gæringsteknikker til at fremstille ost, øl og vin. Husmødre udvaskede lud fra træaske for at fremstille sæbe. Smedene lærte at kombinere kobber og tin for at fremstille bronze. Kunsthåndværkere lærte at fremstille glas; læderarbejdere garvede huder.
I det ottende århundrede e.Kr. blev Jābir ibn Hayyān, en muslimsk astronom, filosof og videnskabsmand, en af de første til at bruge videnskabelige metoder til at studere materialer. Han er også kendt under sit latiniserede navn, Geber, og er kendt som “kemiens fader”. Man mener, at han er forfatter til 22 skriftruller, der beskriver metoder til destillation, krystallisering, sublimering og fordampning. Han opfandt alembolet, en anordning, der blev brugt til at destillere og undersøge syrer. Han udviklede også et tidligt kemisk klassifikationssystem ved hjælp af egenskaberne ved de materialer, han studerede. Hans kategorier var:
- “Spiritus” – materialer, der ville fordampe, når de blev opvarmet.
- “Metaller” – herunder jern, tin, kobber og bly.
- Non-malleable stoffer – materialer, der kunne laves til pulver, f.eks. sten.
I dag kunne vi måske kalde lignende materialer for “flygtige kemikalier, metaller og ikke-metaller.”
Klassisk kemi
I Europa blev studiet af kemi udført af alkymister med det mål at omdanne almindelige metaller til guld eller sølv og opfinde et kemisk eliksir, der kunne forlænge livet. Selv om disse mål aldrig blev nået, blev der gjort nogle vigtige opdagelser i forsøget.
Robert Boyle(1627-1691) studerede gassers adfærd og opdagede det omvendte forhold mellem volumen og tryk i en gas. Han fastslog også, at “al virkelighed og forandring kan beskrives i form af elementarpartikler og deres bevægelse”, en tidlig forståelse af atomteorien. I 1661 skrev han den første lærebog i kemi, “The Sceptical Cymist”, som flyttede studiet af stoffer væk fra mystiske associationer med alkymi og hen imod videnskabelig undersøgelse.
I 1700-tallet havde oplysningstiden slået rod i hele Europa. Joseph Priestley (1733-1804) modbeviste ideen om, at luft var et udeleligt element. Han viste, at det i stedet var en kombination af gasser, da han isolerede ilt og fortsatte med at opdage syv andre diskrete gasser. Jacques Charles videreførte Boyles’ arbejde og er kendt for at have fastslået den direkte sammenhæng mellem temperatur og tryk for gasser. I 1794 studerede Joseph Proust rene kemiske forbindelser og fastslog loven om definitive proportioner – en kemisk forbindelse vil altid have sit eget karakteristiske forhold mellem elementære bestanddele. Vand har f.eks. altid et forhold mellem hydrogen og oxygen på to til en.
Antoine Lavoisier (1743-1794) var en fransk kemiker, som ydede vigtige bidrag til videnskaben. Mens han arbejdede som skatteopkræver, var Lavoisier med til at udvikle det metriske system for at sikre ensartede vægte og mål. Han blev optaget i det franske videnskabsakademi i 1768. To år senere, i en alder af 28 år, giftede han sig med en kollegas 13-årige datter. Marie-Anne Lavoisier er kendt for at have hjulpet sin mand i hans videnskabelige studier ved at oversætte engelske artikler og lave talrige tegninger til illustration af hans eksperimenter.
Lavoisiers insisteren på omhyggelige målinger førte til hans opdagelse af loven om massens bevarelse. I 1787 udgav Lavoisier “Methods of Chemical Nomenclature”, som indeholdt de regler for navngivning af kemiske forbindelser, der stadig er i brug i dag. Hans “Elementary Treatise of Chemistry” (1789) var den første moderne lærebog i kemi. Den definerede klart et kemisk grundstof som et stof, der ikke kan reduceres i vægt ved en kemisk reaktion, og opregnede ilt, jern, kulstof, svovl og næsten 30 andre grundstoffer, som man dengang kendte til at eksistere. Bogen havde dog et par fejl; den opregnede lys og varme som elementer.
Amedeo Avogadro (1776-1856) var en italiensk advokat, der begyndte at studere naturvidenskab og matematik i 1800. Han udbyggede Boyles og Charles’ arbejde og præciserede forskellen mellem atomer og molekyler. Han fortsatte med at fastslå, at lige store mængder gas ved samme temperatur og tryk har det samme antal molekyler. Antallet af molekyler i en prøve af et rent stof med en molekylvægt på 1 g (1 mol) kaldes Avogadros konstant til ære for ham. Den er blevet eksperimentelt bestemt til 6,023 x 1023 molekyler og er en vigtig omregningsfaktor, der bruges til at bestemme massen af reaktanter og produkter i kemiske reaktioner.
I 1803 begyndte en engelsk meteorolog at spekulere over fænomenet vanddamp. John Dalton (1766-1844) var klar over, at vanddamp er en del af atmosfæren, men eksperimenter viste, at vanddamp ikke ville blive dannet i visse andre gasser. Han spekulerede i, at dette havde noget at gøre med antallet af partikler i de pågældende gasser. Måske var der ikke plads i disse gasser til, at partikler af vanddamp kunne trænge ind i dem. Enten var der flere partikler i de “tungere” gasser, eller også var disse partikler større. Ved hjælp af sine egne data og loven om bestemte proportioner bestemte han den relative masse af partikler for seks af de kendte grundstoffer: brint (det letteste og tildelt en masse på 1), ilt, kvælstof, kulstof, svovl og fosfor. Dalton forklarede sine resultater ved at opstille principperne for den første atomteori om stof.
- Elementer består af ekstremt små partikler kaldet atomer.
- Atomer af det samme grundstof er identiske i størrelse, masse og andre egenskaber. Atomer af forskellige grundstoffer har forskellige egenskaber.
- Atomer kan ikke skabes, underopdeles eller ødelægges.
- Atomer af forskellige grundstoffer kombineres i enkle heltalsforhold for at danne kemiske forbindelser.
- I kemiske reaktioner kombineres, adskilles eller omarrangeres atomer for at danne nye forbindelser.
Dmitri Mendelejev (1834-1907) var en russisk kemiker, der var kendt for at have udviklet det første periodiske system af grundstoffer. Han opstillede de 63 kendte grundstoffer og deres egenskaber på kort. Da han ordnede grundstofferne i rækkefølge efter stigende atommasse, kunne han gruppere grundstoffer med lignende egenskaber. Med få undtagelser havde hvert syvende grundstof lignende egenskaber (den ottende kemiske gruppe – de ædle gasser – var endnu ikke blevet opdaget). Mendelejev indså, at hvis han efterlod mellemrum for de steder, hvor intet kendt grundstof passede ind i mønsteret, blev det endnu mere præcist. Ved at bruge de tomme felter i sin tabel kunne han forudsige egenskaberne for de grundstoffer, der endnu ikke var blevet opdaget. Mendelejevs oprindelige tabel er blevet opdateret, så den nu omfatter de 92 naturligt forekommende grundstoffer og 26 syntetiserede grundstoffer.
Atombeskrivelse
I 1896 opdagede Henri Becquerel stråling. Sammen med Pierre og Marie Curie viste han, at visse grundstoffer udsender energi med faste hastigheder. I 1903 delte Becquerel Nobelprisen med Curie-parret for opdagelsen af radioaktivitet. I 1900 opdagede Max Planck, at energi må udsendes i diskrete enheder, som han kaldte “kvanta” (siden kaldet fotoner) og ikke i kontinuerlige bølger. Det viste sig, at atomerne bestod af endnu mindre partikler, hvoraf nogle kunne bevæge sig væk.
I 1911 påviste Ernst Rutherford, at atomerne bestod af et lille tæt, positivt ladet område omgivet af relativt store områder med tomrum, hvori endnu mindre, negativt ladede partikler (elektroner) bevæger sig. Rutherford antog, at elektronerne kredser om kernen i separate, pæne baner, ligesom planeterne kredser om solen. Men da kernen er større og tættere end elektronerne, kunne han ikke forklare, hvorfor elektronerne ikke bare blev trukket ind i kernen og dermed ødelagde atomet.
Niels Bohrs (1885-1962) atommodel løste dette problem ved at bruge Plancks information. Fotoner udsendes fra et elektrisk stimuleret atom kun ved bestemte frekvenser. Han opstillede den hypotese, at elektroner befinder sig på forskellige energiniveauer, og at lys kun udsendes, når en elektrisk “exciteret” elektron tvinges til at skifte energiniveau.
Elektroner i det første energiniveau, der ligger tættest på kernen, er tæt bundet til kernen og har relativt lav energi. I niveauer, der ligger længere væk fra kernen, har elektronerne stigende energi. Elektronerne i energiniveauet længst væk fra kernen er ikke bundet så tæt og er de elektroner, der er involveret, når atomer bindes sammen for at danne forbindelser. Grundstoffernes periodiske karakter er et resultat af antallet af elektroner i det yderste energiniveau, som kan være involveret i kemiske bindinger. Selv om Bohr-modellerne er blevet erstattet af mere præcise atommodeller, er de underliggende principper sunde, og Bohr-modellerne bruges stadig som forenklede diagrammer til at vise kemiske bindinger.
Vores forståelse af atomet er fortsat blevet forfinet. I 1935 fik James Chadwick Nobelprisen for sin opdagelse af, at der er lige mange elektrisk neutrale partikler i atomets kerne. Da neutroner er elektrisk neutrale, bliver de ikke afbøjet af hverken elektroner eller protoner. Desuden har neutroner en større masse end protoner. Disse forhold tilsammen gør det muligt for neutroner at trænge ind i atomerne og splitte atomkernen og frigøre enorme mængder energi. I de senere år er det blevet mere og mere indlysende, at protonerne, neutronerne og elektronerne i den klassiske kemi er sammensat af endnu mindre subatomare partikler. Videnskaberne kemi og fysik bliver mere og mere sammenflettede, og teorierne overlapper og er i konflikt med hinanden, efterhånden som vi fortsætter med at undersøge de materialer, som vores univers er lavet af.
Sidste nyt