På många sätt är civilisationens historia kemins historia – studiet av materia och dess egenskaper. Människor har alltid försökt identifiera, använda och förändra materialen i vår omgivning. Tidiga krukmakare hittade vackra glasyrer för att dekorera och bevara sina varor. Herdmän, bryggare och vinodlare använde jäsningstekniker för att framställa ost, öl och vin. Husmödrar lakar ut lut från träaska för att tillverka tvål. Smeder lärde sig att kombinera koppar och tenn för att göra brons. Hantverkare lärde sig att tillverka glas och läderarbetare garvade hudar.
På åttonde århundradet e.Kr. blev Jābir ibn Hayyān, en muslimsk astronom, filosof och vetenskapsman, en av de första som använde vetenskapliga metoder för att studera material. Han är även känd under sitt latiniserade namn Geber och kallas ”kemins fader”. Han tros vara författare till 22 skriftrullar som beskriver metoder för destillation, kristallisering, sublimering och avdunstning. Han uppfann alembolen, en anordning som användes för att destillera och studera syror. Han utvecklade också ett tidigt kemiskt klassificeringssystem med hjälp av egenskaperna hos de material han studerade. Hans kategorier var:
- ”Spirits” – material som skulle förångas vid upphettning.
- ”Metaller” – bland annat järn, tenn, koppar och bly.
- Inte-malbara ämnen – material som kunde göras till pulver, till exempel sten.
I dag skulle vi kunna kalla liknande material för ”flyktiga kemikalier, metaller och icke-metaller.”
Klassisk kemi
I Europa bedrevs studiet av kemi av alkemister med målen att förvandla vanliga metaller till guld eller silver och uppfinna ett kemiskt elixir som skulle förlänga livet. Även om dessa mål aldrig uppnåddes gjordes några viktiga upptäckter i försöket.
Robert Boyle(1627-1691) studerade gasers beteende och upptäckte det omvända förhållandet mellan volym och tryck hos en gas. Han konstaterade också att ”all verklighet och förändring kan beskrivas i termer av elementarpartiklar och deras rörelse”, en tidig förståelse av atomteorin. År 1661 skrev han den första läroboken i kemi, ”The Sceptical Cymist”, som förflyttade studiet av ämnen bort från mystiska associationer med alkemi och mot vetenskapliga undersökningar.
På 1700-talet hade upplysningstiden slagit rot i hela Europa. Joseph Priestley (1733-1804) motbevisade idén att luft var ett odelbart element. Han visade att den i stället var en kombination av gaser när han isolerade syre och fortsatte att upptäcka sju andra diskreta gaser. Jacques Charles fortsatte Boyles arbete och är känd för att ha fastställt det direkta sambandet mellan temperatur och tryck hos gaser. År 1794 studerade Joseph Proust rena kemiska föreningar och fastställde lagen om bestämda proportioner – en kemisk förening kommer alltid att ha sitt eget karakteristiska förhållande mellan elementära komponenter. Vatten har till exempel alltid ett förhållande mellan väte och syre på två till ett.
Antoine Lavoisier (1743-1794) var en fransk kemist som gjorde viktiga bidrag till vetenskapen. Medan han arbetade som skatteindrivare hjälpte Lavoisier till att utveckla det metriska systemet för att säkerställa enhetliga vikter och mått. Han upptogs i den franska vetenskapsakademin 1768. Två år senare, vid 28 års ålder, gifte han sig med en kollegas 13-åriga dotter. Marie-Anne Lavoisier är känd för att ha hjälpt sin man i hans vetenskapliga studier genom att översätta engelska artiklar och göra många teckningar för att illustrera hans experiment.
Lavoisiers insisterande på noggranna mätningar ledde till hans upptäckt av lagen om massans bevarande. År 1787 publicerade Lavoisier ”Methods of Chemical Nomenclature”, som innehöll de regler för namngivning av kemiska föreningar som fortfarande används idag. Hans ”Elementary Treatise of Chemistry” (1789) var den första moderna läroboken i kemi. Den definierade tydligt ett kemiskt grundämne som ett ämne som inte kan minskas i vikt genom en kemisk reaktion, och förtecknade syre, järn, kol, svavel och nästan 30 andra grundämnen som man då visste att de existerade. Boken hade dock några få fel; den listade ljus och värme som grundämnen.
Amedeo Avogadro (1776-1856) var en italiensk advokat som började studera vetenskap och matematik år 1800. Han utökade Boyles och Charles arbete och klargjorde skillnaden mellan atomer och molekyler. Han fortsatte med att konstatera att lika stora volymer gas vid samma temperatur och tryck har samma antal molekyler. Antalet molekyler i ett prov med en molekylvikt på 1 gram (1 mol) av ett rent ämne kallas Avogadrokonstant till hans ära. Den har experimentellt bestämts till 6,023 x 1023 molekyler och är en viktig omräkningsfaktor som används för att bestämma massan av reaktanter och produkter i kemiska reaktioner.
År 1803 började en engelsk meteorolog spekulera om fenomenet vattenånga. John Dalton (1766-1844) var medveten om att vattenånga är en del av atmosfären, men experiment visade att vattenånga inte skulle bildas i vissa andra gaser. Han spekulerade i att detta hade något att göra med antalet partiklar som fanns i dessa gaser. Kanske fanns det inget utrymme i dessa gaser för partiklar av vattenånga att tränga igenom. Antingen fanns det fler partiklar i de ”tyngre” gaserna eller så var partiklarna större. Med hjälp av sina egna uppgifter och lagen om bestämda proportioner fastställde han den relativa massan av partiklar för sex av de kända grundämnena: väte (det lättaste och tilldelas massan 1), syre, kväve, kol, svavel och fosfor. Dalton förklarade sina resultat genom att ange principerna för den första atomteorin om materia.
- Elementen består av extremt små partiklar som kallas atomer.
- Atomer av samma grundämne är identiska i storlek, massa och andra egenskaper. Atomer av olika grundämnen har olika egenskaper.
- Atomer kan inte skapas, delas upp eller förstöras.
- Atomer av olika grundämnen kombineras i enkla heltalsförhållanden för att bilda kemiska föreningar.
- I kemiska reaktioner kombineras, separeras eller omorganiseras atomer för att bilda nya föreningar.
Dmitri Mendelejev (1834-1907) var en rysk kemist som var känd för att ha utvecklat det första periodiska systemet för grundämnen. Han listade de 63 kända grundämnena och deras egenskaper på kort. När han ordnade grundämnena i ordning efter ökande atommassa kunde han gruppera grundämnen med liknande egenskaper. Med några få undantag hade vart sjunde grundämne liknande egenskaper (den åttonde kemiska gruppen – ädelgaserna – hade ännu inte upptäckts). Mendelejev insåg att om han lämnade utrymmen för de platser där inget känt grundämne passade in i mönstret så blev det ännu mer exakt. Genom att använda de tomma utrymmena i sin tabell kunde han förutsäga egenskaperna hos grundämnen som ännu inte hade upptäckts. Mendelejevs ursprungliga tabell har uppdaterats för att inkludera de 92 naturligt förekommande grundämnena och 26 syntetiserade grundämnen.
Beskrivningen av atomen
År 1896 upptäckte Henri Becquerel strålning. Tillsammans med Pierre och Marie Curie visade han att vissa grundämnen avger energi med fasta hastigheter. År 1903 delade Becquerel Nobelpriset med Curies för upptäckten av radioaktivitet. År 1900 upptäckte Max Planck att energi måste avges i diskreta enheter som han kallade ”kvanta” (sedan dess benämnda fotoner) och inte i kontinuerliga vågor. Det visade sig att atomer bestod av ännu mindre partiklar, av vilka en del kunde förflytta sig.
1911 visade Ernst Rutherford att atomer bestod av ett litet tätt positivt laddat område omgivet av relativt stora områden med tomt utrymme där ännu mindre, negativt laddade partiklar (elektroner) rör sig. Rutherford antog att elektronerna kretsar kring kärnan i separata, snygga banor, precis som planeterna kretsar kring solen. Men eftersom kärnan är större och tätare än elektronerna kunde han inte förklara varför elektronerna inte helt enkelt drogs in i kärnan och därmed förstörde atomen.
Niels Bohrs (1885-1962) atommodell löste detta problem genom att använda Plancks information. Fotoner avges från en elektriskt stimulerad atom endast vid vissa frekvenser. Han ställde som hypotes att elektroner bor i olika energinivåer och att ljus endast avges när en elektriskt ”exciterad” elektron tvingas byta energinivå.
Elektroner i den första energinivån, närmast kärnan, är tätt bundna till kärnan och har relativt låg energi. I nivåer som ligger längre bort från kärnan har elektronerna ökande energi. Elektronerna i energinivån längst bort från kärnan är inte lika hårt bundna och är de elektroner som är inblandade när atomer binder ihop sig för att bilda föreningar. De periodiska egenskaperna hos grundämnena är ett resultat av antalet elektroner i den yttre energinivån som kan vara inblandade i kemiska bindningar. Även om Bohr-modellerna har ersatts av mer exakta atommodeller är de underliggande principerna sunda och Bohr-modellerna används fortfarande som förenklade diagram för att visa kemiska bindningar.
Vår förståelse av atomen har fortsatt att förfinas. År 1935 fick James Chadwick Nobelpriset för sin upptäckt att det finns lika många elektriskt neutrala partiklar i atomkärnan. Eftersom neutroner är elektriskt neutrala avböjs de inte av vare sig elektroner eller protoner. Dessutom har neutroner mer massa än protoner. Dessa fakta sammantaget gör det möjligt för neutroner att tränga in i atomer och bryta sönder atomkärnan och frigöra enorma mängder energi. Under de senaste åren har det blivit alltmer uppenbart att de protoner, neutroner och elektroner som finns i den klassiska kemin består av ännu mindre subatomära partiklar. Kemi- och fysikvetenskaperna blir alltmer sammanflätade och teorierna överlappar och strider mot varandra när vi fortsätter att undersöka de material som vårt universum är gjort av.
Relevanta nyheter
.