Sivilisaation historia on monin tavoin kemian historiaa – aineen ja sen ominaisuuksien tutkimusta. Ihmiset ovat aina pyrkineet tunnistamaan, käyttämään ja muuttamaan ympäristössämme olevia aineita. Varhaiset keraamikot löysivät kauniita lasitteita koristamaan ja säilyttämään tuotteitaan. Karjanhoitajat, panimot ja viininviljelijät käyttivät käymistekniikoita juuston, oluen ja viinin valmistukseen. Kotiäidit liuottivat lipeää puun tuhkasta tehdäkseen saippuaa. Sepät oppivat yhdistämään kuparia ja tinaa pronssin valmistamiseksi. Käsityöläiset oppivat valmistamaan lasia; nahkatyöläiset parkitsivat nahkoja.
Kahdeksannella vuosisadalla jKr. muslimien tähtitieteilijä, filosofi ja tiedemies Jābir ibn Hayyān oli yksi ensimmäisistä, joka käytti tieteellisiä menetelmiä materiaalien tutkimiseen. Hänet tunnetaan myös latinankielisellä nimellään Geber, ja hänet tunnetaan ”kemian isänä”. Hänen uskotaan kirjoittaneen 22 kääröä, joissa kuvataan tislaus-, kiteytys-, sublimointi- ja haihdutusmenetelmiä. Hän keksi alembin, laitteen, jota käytettiin happojen tislaamiseen ja tutkimiseen. Hän kehitti myös varhaisen kemiallisen luokittelujärjestelmän, jossa käytettiin hänen tutkimiensa aineiden ominaisuuksia. Hänen luokkansa olivat:
- ”Henget” – aineet, jotka höyrystyisivät kuumennettaessa.
- ”Metallit” – mukaan lukien rauta, tina, kupari ja lyijy.
- Ei-muovautuvat aineet – aineet, jotka voitiin valmistaa jauheeksi, kuten kivi.
Tänään voisimme kutsua samankaltaisia aineita ”haihtuviksi kemikaaleiksi, metalleiksi ja epämetalleiksi.”
Klassinen kemia
Euroopassa kemiaa opiskelivat alkemistit, joiden tavoitteena oli muuttaa tavalliset metallit kullaksi tai hopeaksi ja keksiä kemiallinen eliksiiri, joka pidentäisi elämää. Vaikka näitä tavoitteita ei koskaan saavutettu, yritettäessä tehtiin joitakin tärkeitä löytöjä.
Robert Boyle(1627-1691) tutki kaasujen käyttäytymistä ja löysi kaasun tilavuuden ja paineen käänteisen suhteen. Hän totesi myös, että ”kaikki todellisuus ja muutos voidaan kuvata alkeishiukkasten ja niiden liikkeen avulla”, mikä on varhainen käsitys atomiteoriasta. Vuonna 1661 hän kirjoitti ensimmäisen kemian oppikirjan, ”The Sceptical Cymist”, joka siirsi aineiden tutkimisen pois alkemiaan liittyvistä mystisistä mielleyhtymistä kohti tieteellistä tutkimusta.
1700-luvulle tultaessa valistuksen aikakausi oli juurtunut koko Eurooppaan. Joseph Priestley (1733-1804) kumosi ajatuksen siitä, että ilma oli jakamaton alkuaine. Hän osoitti, että se oli sen sijaan kaasujen yhdistelmä, kun hän eristi hapen ja löysi sen jälkeen seitsemän muuta erillistä kaasua. Jacques Charlesjatkoi Boylesin työtä, ja hänet tunnetaan siitä, että hän totesi kaasujen lämpötilan ja paineen välisen suoran yhteyden. Vuonna 1794 Joseph Proust tutki puhtaita kemiallisia yhdisteitä ja esitti määritettyjen suhteiden lain – kemiallisella yhdisteellä on aina oma luonteenomainen alkuaineiden suhde. Esimerkiksi vedellä on aina vetyä ja happea suhteessa kaksi yhteen.
Antoine Lavoisier (1743-1794) oli ranskalainen kemisti, joka antoi merkittävän panoksen tieteelle. Työskennellessään veronkantajana Lavoisier auttoi metrijärjestelmän kehittämisessä yhtenäisten painojen ja mittojen varmistamiseksi. Hänet otettiin Ranskan tiedeakatemian jäseneksi vuonna 1768. Kaksi vuotta myöhemmin, 28-vuotiaana, hän meni naimisiin kollegansa 13-vuotiaan tyttären kanssa. Marie-Anne Lavoisierin tiedetään auttaneen miestään tämän tieteellisissä opinnoissa kääntämällä englanninkielisiä artikkeleita ja tekemällä lukuisia piirroksia hänen kokeidensa havainnollistamiseksi.
Lavoisierin vaatimus pikkutarkasta mittaamisesta johti siihen, että hän löysi massan säilymislain. Vuonna 1787 Lavoisier julkaisi ”Methods of Chemical Nomenclature” (Kemiallisen nimikkeistön menetelmät), joka sisälsi säännöt kemiallisten yhdisteiden nimeämiselle, jotka ovat edelleen käytössä. Hänen kirjansa ”Elementary Treatise of Chemistry” (1789) oli ensimmäinen moderni kemian oppikirja. Siinä kemiallinen alkuaine määriteltiin selkeästi aineeksi, jonka painoa ei voida pienentää kemiallisessa reaktiossa, ja siinä lueteltiin happi, rauta, hiili, rikki ja lähes 30 muuta tuolloin tunnettua ainetta. Kirjassa oli kuitenkin muutama virhe; siinä lueteltiin valo ja lämpö alkuaineina.
Amedeo Avogadro (1776-1856) oli italialainen lakimies, joka alkoi opiskella luonnontieteitä ja matematiikkaa vuonna 1800. Laajentaessaan Boylen ja Charlesin työtä hän selvensi atomien ja molekyylien välistä eroa. Hän jatkoi toteamalla, että samassa lämpötilassa ja paineessa olevissa yhtä suurissa kaasumäärissä on sama määrä molekyylejä. Puhtaan aineen 1 gramman molekyylipainon (1 mooli) näytteessä olevien molekyylien lukumäärää kutsutaan hänen kunniakseen Avogadron vakioksi. Sen on kokeellisesti määritetty olevan 6,023 x 1023 molekyyliä, ja se on tärkeä muuntokerroin, jota käytetään kemiallisten reaktioiden reaktanttien ja tuotteiden massan määrittämiseen.
Vuonna 1803 eräs englantilainen meteorologi alkoi spekuloida vesihöyryn ilmiöllä. John Dalton (1766-1844) oli tietoinen siitä, että vesihöyry on osa ilmakehää, mutta kokeet osoittivat, että vesihöyryä ei muodostu tietyissä muissa kaasuissa. Hän arveli, että tämä liittyi jotenkin kyseisissä kaasuissa olevien hiukkasten määrään. Ehkä näissä kaasuissa ei ollut tilaa vesihöyryn hiukkasille tunkeutua. ”Raskaammissa” kaasuissa oli joko enemmän hiukkasia tai hiukkaset olivat suurempia. Omien tietojensa ja määrättyjen suhteiden lain avulla hän määritteli hiukkasten suhteelliset massat kuudelle tunnetulle alkuaineelle: vedylle (kevyin alkuaine, jonka massa on 1), hapelle, typelle, hiilelle, rikille ja fosforille. Dalton selitti havaintojaan esittämällä ensimmäisen ainetta koskevan atomiteorian periaatteet.
- Elementit koostuvat äärimmäisen pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi.
- Saman alkuaineen atomit ovat identtisiä kooltaan, massaltaan ja muilta ominaisuuksiltaan. Eri alkuaineiden atomeilla on erilaisia ominaisuuksia.
- Atomeja ei voi luoda, jakaa tai tuhota.
- Erilaisten alkuaineiden atomit yhdistyvät yksinkertaisissa kokonaislukusuhteissa muodostaen kemiallisia yhdisteitä.
- Kemiallisissa reaktioissa atomit yhdistyvät, erkanevat toisistaan tai järjestäytyvät uudelleen muodostaen uusia yhdisteitä.
Dmitri Mendelejev (1834-1907) oli venäläinen kemisti, joka tunnettiin ensimmäisen alkuaineita kuvaavan jaksollisen järjestelmäkirjaston (Periodic System of the Elements) kehittämisestä. Hän listasi 63 tunnettua alkuaineita ja niiden ominaisuuksia kortteihin. Kun hän järjesti alkuaineet atomimassan lisääntymisjärjestykseen, hän pystyi ryhmittelemään alkuaineita, joilla oli samankaltaisia ominaisuuksia. Muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta jokaisella seitsemännellä alkuaineella oli samanlaisia ominaisuuksia (kahdeksatta kemiallista ryhmää – jalokaasuja – ei ollut vielä löydetty). Mendelejev tajusi, että jos hän jätti välejä niille paikoille, joissa mikään tunnettu alkuaine ei sopinut kuvioon, se oli vielä tarkempi. Käyttämällä taulukon tyhjiä kohtia hän pystyi ennustamaan sellaisten alkuaineiden ominaisuudet, joita ei vielä ollut löydetty. Mendelejevin alkuperäistä taulukkoa on päivitetty siten, että se sisältää 92 luonnossa esiintyvää alkuainetta ja 26 syntetisoitua alkuainetta.
Atomin kuvaaminen
Vuonna 1896 Henri Becquerel löysi säteilyn. Yhdessä Pierre ja Marie Curien kanssa hän osoitti, että tietyt alkuaineet säteilevät energiaa määrätyllä nopeudella. Vuonna 1903 Becquerel jakoi Curien kanssa Nobelin palkinnon radioaktiivisuuden löytämisestä. Vuonna 1900 Max Planck havaitsi, että energiaa on säteilevä erillisinä yksikköinä, joita hän kutsui ”kvanteiksi” (sittemmin fotoneiksi) eikä jatkuvina aaltoina. Näytti siltä, että atomit koostuivat vielä pienemmistä hiukkasista, joista osa saattoi liikkua poispäin.
Vuonna 1911 Ernst Rutherford osoitti, että atomit koostuivat pienestä tiheästä positiivisesti varautuneesta alueesta, jota ympäröi suhteellisen suuri tyhjä tila, jossa liikkuu vielä pienempiä, negatiivisesti varautuneita hiukkasia (elektroneja). Rutherford oletti, että elektronit kiertävät ydintä erillisillä siisteillä kiertoradoilla, aivan kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Koska ydin on kuitenkin suurempi ja tiheämpi kuin elektronit, hän ei pystynyt selittämään, miksi elektronit eivät yksinkertaisesti vetäytyneet ytimeen ja siten tuhonneet atomia.
Niels Bohrin (1885-1962) atomimalli ratkaisi tämän ongelman käyttämällä Planckin tietoa. Fotonit emittoituvat sähköisesti stimuloidusta atomista vain tietyillä taajuuksilla. Hän esitti hypoteesin, että elektronit asuvat eri energiatasoilla ja valoa emittoituu vain silloin, kun sähköisesti ”kiihdytetty” elektroni pakotetaan vaihtamaan energiatasoa.
Elektronit ensimmäisellä energiatasolla, joka on lähimpänä ydintä, ovat tiukasti sidottuja ytimeen ja niillä on suhteellisen pieni energia. Ytimestä kauempana olevilla tasoilla elektroneilla on kasvava energia. Ytimestä kauimpana sijaitsevan energiatason elektronit eivät ole yhtä tiukasti sidottuja, ja ne ovat elektroneja, jotka osallistuvat atomien sitoutumiseen toisiinsa yhdisteiksi. Alkuaineiden ominaisuuksien jaksollinen luonne johtuu siitä, kuinka monta elektronia ulommalla energiatasolla voi olla mukana kemiallisissa sidoksissa. Vaikka Bohrin mallit on korvattu tarkemmilla atomimalleilla, taustalla olevat periaatteet ovat vakaita, ja Bohrin malleja käytetään edelleen yksinkertaistettuina kaavioina kemiallisten sidosten esittämiseen.
Ymmärryksemme atomista on edelleen tarkentunut. Vuonna 1935 James Chadwick sai Nobelin palkinnon löydöstään, jonka mukaan atomin ytimessä on yhtä monta sähköisesti neutraalia hiukkasta. Koska neutronit ovat sähköisesti neutraaleja, elektronit ja protonit eivät poikkeuta niitä. Lisäksi neutroneilla on enemmän massaa kuin protoneilla. Nämä seikat yhdessä mahdollistavat sen, että neutronit voivat tunkeutua atomeihin ja hajottaa ytimen, jolloin vapautuu valtavia määriä energiaa. Viime vuosina on käynyt yhä selvemmäksi, että klassisen kemian protonit, neutronit ja elektronit koostuvat vielä pienemmistä subatomisista hiukkasista. Kemian ja fysiikan tieteet kietoutuvat yhä tiiviimmin toisiinsa, ja teoriat menevät päällekkäin ja ovat ristiriidassa keskenään, kun jatkamme niiden materiaalien tutkimista, joista maailmankaikkeutemme on tehty.
Uutisimmat uutiset