Aineen olomuodot ja luokittelu

Aineen olomuodot

Materia määritellään miksi tahansa, mikä vie tilaa ja jolla on massa, ja sitä on kaikkialla ympärillämme. Kiinteät aineet ja nesteet ovat ilmeisempää materiaa: voimme nähdä niiden vievän tilaa, ja niiden paino kertoo meille, että niillä on massa. Myös kaasut ovat materiaa; jos kaasut eivät viemä tilaa, ilmapallo pysyisi tyhjänä sen sijaan, että se laajenisi täytettäessä.

Kiinteä olomuoto

Metalleilla, kuten kullalla tai plutoniumilla, tämä hila on tyypillisesti kiteinen, mikä mahdollistaa ominaisuudet kuten jäykkyyden, tiheyden ja sähkönjohtavuuden. Energiatasot ovat riittävän alhaiset, jotta atomisidokset pysyvät ehjinä ja kaukajärjestys säilyy.

Nestemäinen olomuoto

Hilastruktuuri luhistuu lähijärjestykseksi: hiukkaset järjestyvät jatkuvasti uudelleen pysyen kuitenkin kosketuksissa toisiinsa. Nesteet virtaavat, välittävät painetta tehokkaasti ja niillä on pintajännitys. Tämä tila syntyy, kun lämpöenergia voittaa kiinteän hilan jäykkyyden, mutta ei hiukkasten välistä koheesiota.

Kaasumainen olomuoto

Atomien väliset voimat ovat mitättömiä verrattuna kineettiseen energiaan. Kaasut laajenevat täyttämään käytettävissä olevan tilan, ne ovat helposti kokoonpuristuvia ja niiden tiheys on alhainen. Tämä tila esiintyy, kun lämpöenergia voittaa täysin koheesiovoimat, sallien hiukkasten käyttäytyä itsenäisesti.

Plasmaolomuoto

Toisin kuin tavalliset kaasut, plasma on sähköä johtavaa, lähettää voimakasta säteilyä ja reagoi voimakkaasti sähkömagneettisiin kenttiin. Kollektiivinen käyttäytyminen hallitsee yksittäisten hiukkasten liikettä. Tässä tilassa tavanomainen kemiallinen rakenne lakkaa olemasta — materiaa hallitsevat ensisijaisesti sähkömagneettiset ja ydinvoimatasoiset vuorovaikutukset.

Plasma edustaa korkeaenergisintä klassista aineen olomuotoa, jota esiintyy yleisesti tähdissä, salamoinnissa sekä korkeaenergisissä astrofysikaalisissa tai laboratorioilmiöissä.

Massa ja paino

Tutkittava materia voi esiintyä erilaisten aineiden monimutkaisena kokonaisuutena. Tällaiset näytteet voivat olla kemiallisia yhdisteitä, homogeenisia liuoksia tai heterogeenisia aggregaatteja, esiintyen usein moninaisten näytteiden kokoelmana. Tarkasteltiinpa yksittäistä ainetta tai monitahoista seosta, tutkimuskohteen ominaisuudet määräytyvät sekä sen kemiallisen koostumuksen että sen rakenneosien fyysisen tilan mukaan.

Tietyt aineet ilmentävät useiden aineen olomuotojen ominaisuuksia samanaikaisesti. Tämä ilmiö havaitaan usein rakeisissa materiaaleissa, joissa kokonaisnäyte koostuu lukemattomista erillisistä hiukkasista. Hiekkaa voidaan esimerkiksi 'kaataa' tavalla, joka muistuttaa nestettä, vaikka se koostuu yksittäisistä jyvistä, jotka pysyvät selvästi kiinteinä. Lisäksi aineella voi olla useamman kuin yhden olomuodon ominaisuuksia, kun se on seos. Huomionarvoinen esimerkki on pilvet; vaikka ne näyttävät käyttäytyvän jossain määrin kaasujen tavoin, ne ovat todellisuudessa aerosoleja — seoksia, jotka koostuvat kaasumaisesta ilmasta ja pienistä vesihiukkasista, jotka voivat olla joko nestemäisiä pisaroita tai kiinteitä jääkiteitä.

Kappaleen massa on sen sisältämän aineen määrän mitta. Eräs perustavanlaatuinen tapa selvittää kappaleen massa on mitata voima, joka tarvitaan antamaan kappaleelle tietty kiihtyvyys; esimerkiksi auton kiihdyttämiseen tarvitaan paljon enemmän voimaa kuin polkupyörän, koska autolla on huomattavasti suurempi massa. Yleisessä käytössä massa määritetään kuitenkin useimmiten vaa'alla, jolla verrataan kappaleen tuntematonta massaa standardoituun vertailumassaan.

Vaikka paino liittyy läheisesti massaan, on välttämätöntä erottaa nämä kaksi käsitettä. Paino viittaa gravitaatiovoimaan, jota painovoima kohdistaa kappaleeseen, ja tämä suuruus on suoraan verrannollinen kappaleen massaan. Näin ollen kappaleen paino vaihtelee paikallisen gravitaation voimakkuuden mukaan, mutta sen massa pysyy muuttumattomana ominaisuutena. Ajatellaanpa esimerkiksi astronauttia: hänen massansa ei muutu kuun pinnalle saavuttaessa, mutta hänen painonsa putoaa vain kuudesosaan maanpäällisestä arvostaan, koska kuun painovoima on vain murto-osa maan painovoimasta. Vaikka hän saattaa kokea 'painottomuuden' tunteen silloin, kun ulkoiset voimat ovat mitättömiä, hän ei ole fyysisessä mielessä koskaan 'massaton', sillä hänet muodostavan aineen määrä pysyy vakiona.

Aineen häviämättömyyden laki

Tämä laki vetää yhteen monia tieteellisiä havaintoja materiasta: se toteaa, ettei aineen kokonaismäärässä tapahdu havaittavaa muutosta, kun materia muuttuu tyypistä toiseen (kemiallinen muutos) tai siirtyy kiinteän, nesteen tai kaasun välillä (fyysinen muutos). Oluen paneminen ja akkujen toiminta tarjoavat esimerkkejä aineen säilymisestä.

Eristettyyn astiaan asetamme useita ainesosia; kokeemme tarkoitusta varten olkoon lopullinen sisältö vehnää, vettä, sokeria, kananmunaa, suolaa ja oliiviöljyä. Tämä astia altistetaan tärisevälle sekoittimelle tasaisen koostumuksen saavuttamiseksi. Tämän jälkeen astia asetetaan uuniin ja paistetaan 200°C (400°F) lämpötilassa kolmenkymmenen — kolmenkymmenenviiden minuutin ajan.

Itse astia on suunniteltu erillisellä toissijaisella osalla, jossa on takaiskuventtiilimekanismi ja lämmönkestävästä kumista valmistettu kammio. Ennen paistoprosessin alkua astia punnitaan ja kokonaisbruttopaino kirjataan huolellisesti ylös.

Aineen häviämättömyyden koe

Tämä koe osoittaa, että alkuperäinen, muuttumaton materia ja sitä seuraava paiston jälkeinen 'tuoteseos' pysyvät painoltaan samoina. Tämän seurauksena myös niiden massan osoitetaan olevan yhtä suuri, koska mittaukset suoritettiin samassa paikassa ja samoissa ympäristöolosuhteissa.

Vaikka tämä säilymislaki pätee kaikkiin aineen muutoksiin, vakuuttavat osoitukset ovat arkikokemuksessa huomattavan harvinaisia. Tämä niukkuus johtuu siitä, että laboratorion tarkoin valvottujen olosuhteiden ulkopuolella onnistutaan harvoin keräämään talteen kaikki tietyn muutoksen aikana syntyvät aineet. Ajatellaanpa esimerkiksi ravinnon nauttimisen ja ruoansulatuksen biologisia prosesseja: vaikka kaikki alkuperäisestä ruoasta peräisin oleva aine säilyy tarkasti, merkittävä osa siitä sulautuu kehon omaan rakenteeseen, kun taas loput poistuvat erilaisina jätteinä. Tämän seurauksena tämän lain empiirinen todentaminen suoralla mittauksella säilyy valtavana haasteena näin monimutkaisissa järjestelmissä.

Lisäksi, kuten on saattanut käydä ilmi, olemme kehittäneet tiettyjä hienostuneita laitteita — erityisesti dynaamisen tilavuuden mahdollistavan kammion ja muut kokeellisessa kuvauksessamme yksilöidyt hienosäädöt — tehdäksemme havainnoistamme läpinäkyviä. Nämä innovaatiot osoittavat, että fyysisten järjestelmien todellisuus on monitahoinen asia, joka on usein riippuvainen ympäröivän maailman monimutkaisuudesta, joka toimii avoimena järjestelmänä.

On myös tunnustettava ankaran tieteellisen lähestymistavan ensisijainen tärkeys: millä tahansa tieteellisen toiminnan vaiheessa on välttämätöntä ottaa huomioon sekä teoreettinen, idealisoitu eristetty ympäristö että luonnossa kohdattavat avoimet järjestelmät.

Atomit ja molekyylit

Atomi edustaa alkuaineen hienojakoisinta osasta, joka säilyttää kyseisen aineen luontaiset ominaisuudet ja kykenee muodostamaan kemiallisia yhdisteitä. Tarkastelkaamme havainnollistamiseksi alkuainetta kulta. Kuvitelkaamme kultahipun halkaisemista ja siitä seuraavien osien toistuvaa jakamista, kunnes jäljellä on niin vähäinen kultahiukkanen, että se uhmaa kaikkea edelleen jakamista, riippumatta käytetyn välineen hienoudesta. Tämä perimmäinen, jakamaton osa muodostaa atomin — termin, joka juontuu kreikan sanasta atomos, tarkoittaen ’jakamatonta’. Tämä osanen ei olisi enää kultaa, jos se jaettaisiin vielä pidemmälle.

Alkuperäinen postulaatti siitä, että aine koostuu atomeista, luetaan kreikkalaisten filosofien Leukippoksen ja Demokritoksen ansioksi, jotka muotoillun oppinsa viidennellä vuosisadalla eaa. Siitä huolimatta kului aina yhdeksännellätoista vuosisadalle saakka, ennen kuin John Dalton (1766–1844), brittiläinen koulumestari ja syvästi tieteelliselle tutkimukselle omistautunut tiedemies, vahvisti tämän hypoteesin tarkoin määrällisin mittauksin.

Tuosta ajasta lähtien toistuvat kokeet ovat vahvistaneet useita tämän hypoteesin osa-alueita, ja siitä on sittemmin tullut yksi kemian tieteenalan kulmakiviteorioista. Tietyt muut Daltonin atomiteorian opinkappaleet ovat käytössä vielä tänäkin päivänä, vaikkakin niihin on tehty vähäisiä tarkennuksia; kattava esitys näistä periaatteista tarjotaan seuraavassa atomeja ja molekyylejä käsittelevässä tekstissä.

Makroskooppinen valokuva: kultahippu (Au).

Mikroskooppinen kuva kullan rakenteesta kiinteässä tilassa.

Atomi on kooltaan niin häviävän pieni, että sen mittasuhteiden käsittäminen on ihmismielelle äärimmäisen vaikeaa. Pienimpiä paljain silmin erotettavia kohteita on hämähäkinseitin yksittäinen lanka; tällaisten säikeiden halkaisija on noin cm (0,0001 cm). Vaikka yksittäisen säikeen poikkileikkausta on lähes mahdotonta havaita ilman mikroskoopin apua, on se atomiasteikolla mitattuna valtava. Yksittäisen hiiliatomin halkaisija mainitussa seitissä on noin cm (0,000000015 cm); tästä johtuen vaadittaisiin noin 7 000 hiiliatomia kattamaan yhden ainoan säikeen halkaisija. Jotta oppilas saisi asiasta selkeämmän käsityksen: jos hiiliatomi suurennettaisiin pienen kolikon kokoiseksi, hämähäkinseitin säikeen poikkileikkaus ylittäisi tällöin jalkapallokentän mitat, ja sen pinnan peittämiseen tarvittaisiin noin 150 miljoonaa tällaista ”kolikkoa”.

Kypsä puuvillakota

Rakenteellinen taso

Puuvillasolukon rakenteen solutaso

Puuvillankukan kuitumaisten orgaanisten solukoiden molekyylirakenne

Yksittäisen orgaanisen molekyylin kaavio puuvillasolukossa

Atomi on painoltaan niin vähäinen, että sen massan hahmottaminen on niin ikään vaikeaa. Miljardi lyijyatomia (1 000 000 000 atomia) painaa noin grammaa – massa, joka on tyystin liian kevyt punnittavaksi edes maailman hienovaraisimmilla vaaoilla. Vaadittaisiin yli 300 000 000 000 000 lyijyatomia (300 biljoonaa eli ), jotta punnitseminen olisi mahdollista, ja silloinkin ne painaisivat ainoastaan 0,0000001 grammaa.

Yksittäisten atomien esiintyminen luonnossa on harvinaista. Vain harvat valitut alkuaineet, kuten jalokaasut helium, neon ja argon, koostuvat yksittäisistä atomeista, jotka liikkuvat toisistaan riippumatta. Muut alkuaineet, kuten kaasut vety, typpi, happi ja kloori, koostuvat erillisistä yksiköistä, jotka muodostuvat atomipareista.

Yksittäisten atomien kokoelmien löytäminen on epätavallista. Vain muutamat alkuaineet, kuten kaasut helium, neon ja argon, koostuvat kokoelmasta yksittäisiä atomeja, jotka liikkuvat toisistaan riippumatta. Muut alkuaineet, kuten kaasut vety, typpi, happi ja kloori, koostuvat yksiköistä, jotka muodostuvat atomipareista.

Eräs fosfori-alkuaineen muoto koostuu yksiköistä, joissa on neljä fosforiatomia. Rikkiä esiintyy eri muodoissa, joista yksi koostuu kahdeksasta rikkiatomista muodostuvista yksiköistä. Näitä yksiköitä kutsutaan molekyyleiksi. Molekyyli koostuu kahdesta tai useammasta atomista, joita liittävät toisiinsa voimakkaat voimat, joita kutsutaan kemiallisiksi sidoksiksi.

Molekyylin atomit liikkuvat yhtenä yksikkönä, paljolti kuten virvoitusjuomatölkit kuuden kappaleen pakkauksessa tai avainnippu, jonka avaimet on liitetty samaan avainrenkaaseen. Molekyyli voi koostua kahdesta tai useammasta identtisestä atomista, kuten alkuaineiden vety, happi ja rikki molekyyleissä; tai se voi koostua kahdesta tai useammasta eri atomista, kuten veden molekyyleissä.

Jokainen vesimolekyyli on yksikkö, joka sisältää kaksi vetyatomia ja yhden happiatomin. Jokainen glukoosimolekyyli on yksikkö, joka sisältää kuusi hiiliatomia, kaksitoista vetyatomia ja kuusi happiatomia. Atomien tavoin molekyylit ovat uskomattoman pieniä ja kevyitä. Jos tavallinen vesilasi suurennettaisiin Maapallon kokoiseksi, sen sisällä olevat vesimolekyylit olisivat suunnilleen golfpallojen kokoisia.

Vety

Happi

Fosfori

Rikki

Vesi

Hiilidioksidi

Glukoosi

Aineen luokittelu

Alun yksinkertaistamiseksi esitämme tässä aineen luokittelun määritelmän sekä sen erottelutavan tavalla, joka on selkeä ja vaivatta ymmärrettävissä.

Tämä on luonnollisesti vain yksinkertaistettu johdanto kemiallisiin luokittelumenetelmiin, mutta jostakin on aloitettava, ja tämä paikka on siihen mitä otollisin!

Aine voidaan jakaa useisiin eri luokkiin, joista kaksi ovat seokset ja puhtaat aineet. Puhtaalla aineella on vakioinen koostumus; täten kaikki puhtaan aineen näytteet ilmentävät täsmälleen samaa rakennetta ja samoja ominaisuuksia.

Esimerkiksi mikä tahansa sakkaroosinäyte (ruokosokeri) koostuu massaltaan 42,1 % hiilestä, 6,5 % vedystä ja 51,4 % hapesta. Kaikki sakkaroosiyksilöt osoittavat myös samoja fysikaalisia ominaisuuksia — kuten sulamispistettä, väriä ja makeutta — riippumatta siitä lähteestä, josta ne on eristetty.

Puhtaat aineet voidaan edelleen jakaa kahteen erilliseen luokkaan: alkuaineisiin ja yhdisteisiin.

Niitä puhtaita aineita, joita ei voida hajottaa yksinkertaisemmiksi aineiksi kemiallisen muutoksen avulla, kutsutaan alkuaineiksi. Tunnettuja esimerkkejä yli sadan tunnetun alkuaineen joukossa ovat rauta, hopea, kulta, alumiini, rikki, happi ja kupari.

Näistä alkuaineista noin yhdeksänkymmentä esiintyy luonnossa Maan päällä, kun taas noin kaksi tusinaa on luotu keinotekoisesti laboratorioissa.

Puhtaita aineita, jotka voidaan hajottaa kemiallisilla muutoksilla, nimitetään yhdisteiksi. Tämä hajottaminen voi tuottaa joko alkuaineita, muita yhdisteitä tai kumpaakin. Elohopea(II)oksidi, oranssi ja kiteinen kiinteä aine, voidaan hajottaa lämmön avulla alkuaineikseen: elohopeaksi ja hapeksi.

Kun yhdistettä nimeltä sakkaroosi kuumennetaan ilman puuttuessa, se hajoaa alkuaineeksi hiileksi ja yhdisteeksi vedeksi. (Tämän prosessin alkuvaihe, jolloin sokeri muuttuu ruskeaksi, tunnetaan karamellisoitumisena — juuri se antaa karamelliomenoille, karamellisoidulle sipulille ja itse karamellille sille ominaisen makean ja pähkinäisen maun).

Hopea(I)kloridi on valkoinen kiinteä aine, joka voidaan hajottaa alkuaineikseen, hopeaksi ja klooriksi, valon absorption avulla. Tämä ominaisuus on perustana kyseisen yhdisteen käytölle valokuvafilmeissä ja fotokromaattisissa silmälaseissa (niissä, joiden linssit tummuvat valolle altistuessaan).

Elohopea(II)oksidi (HgO)

Yhdiste hajoaa nestemäisen elohopean hopeisiksi pisaroiksi ja näkymättömäksi happikaasuksi.

Yhdistyneiden alkuaineiden ominaisuudet poikkeavat niistä, joita niillä on vapaassa tahi yhdistymättömässä tilassaan. Esimerkiksi valkoinen kiteinen sokeri (sakkaroosi) on yhdiste, joka syntyy hiili-alkuaineen — joka yhdessä yhdistymättömässä muodossaan on musta kiinteä aine — sekä kahden muun alkuaineen, vedyn ja hapen, jotka vapaassa tilassaan ovat värittömiä kaasuja, kemiallisesta yhdistymisestä. Vapaa natrium, alkuaineena pehmeä, kiiltävä ja metallinen kiinteä aine, sekä vapaa kloori, alkuaineena keltavihreä kaasu, yhdistyvät muodostaakseen natriumkloridia (ruokasuolaa), joka on valkoinen, kiteinen kiinteä aine.

Seos muodostuu kahdesta tahi useammasta ainelajista, joita voi olla läsnä vaihtelevia määriä ja jotka voidaan erottaa toisistaan fysikaalisilla muutoksilla, kuten haihduttamisella (josta lukija on saava tarkempaa opetusta myöhemmin). Seosta, jonka koostumus vaihtelee kohdasta toiseen, kutsutaan heterogeeniseksi eli epätasa-aineiseksi seokseksi. Italialainen salaatinkastike tarjoaa oivallisen esimerkin epätasa-aineisesta seoksesta.

Sen kokoonpano saattaa vaihdella, sillä voimme valmistaa sen käyttäen vaihtelevia määriä öljyä, etikkaa ja yrttejä. Se ei ole kaikkialta samanlaista — yksi pisara saattaa koostua pääasiallisesti etikasta, kun taas toinen pisara saattaa sisältää enimmäkseen öljyä tahi yrttejä, sillä öljy ja etikka erottuvat toisistaan ja yrtit painuvat pohjaan. Muita epätasa-aineisten seosten esimerkkejä ovat suklaakeksit (joissa voimme nähdä erilliset suklaan, pähkinöiden ja keksitaikinan palaset) sekä graniitti (jossa havaitsija saattaa erottaa kvartsin, kiilteen, maasälvän ja muita mineraaleja).

Homogeeninen eli tasa-aineinen seos, jota nimitetään myös liuokseksi, osoittaa kauttaaltaan yhdenmukaista koostumusta ja näyttää silmämääräisesti samankaltaiselta koko massassaan. Liuoksesta käy esimerkiksi urheilujuoma, joka koostuu veteen tasaisesti sekoitetusta sokerista, väriaineista, aromiaineista ja elektrolyyteistä.

Jokainen urheilujuoman pisara on maultaan samanlainen, koska jokainen pisara sisältää samat määrät vettä, sokeria ja muita ainesosia. Huomattakoon kuitenkin, että urheilujuoman koostumus voi vaihdella — se voitaisiin valmistaa käyttäen hieman enemmän tahi vähemmän sokeria, aromiaineita tahi muita osasia, ja se pysyisi silti urheilujuomana. Muita tasa-aineisten seosten esimerkkejä ovat ilma, vaahterasiirappi, bensiini sekä suolaliuos.

Vaikka alkuaineita on vain runsaat sata, kymmenet miljoonat kemialliset yhdisteet syntyvät näiden alkuaineiden erilaisista yhdistelmistä. Jokaisella yhdisteellä on erityinen kokoonpanonsa ja tietyt kemialliset ja fysikaaliset ominaisuutensa, joiden perusteella voimme erottaa sen kaikista muista yhdisteistä. Ja on tietenkin olemassa lukemattomia tapoja yhdistää alkuaineita ja yhdisteitä erilaisten seosten muodostamiseksi. Yhteenveto siitä, kuinka tehdä ero materian eri pääluokkien välillä, on esitetty seuraavassa kaaviossa:

Yksitoista alkuainetta muodostavat likipitäen yhdeksänkymmentäyhdeksän sadasosaa maankuoresta sekä ilmakehästä. Tästä kokonaismäärästä happi käsittää liki puolet, kun taas piin osalle lankeaa suunnilleen neljännes. Suurin osa maapallon alkuaineista tavataan kemiallisina yhdisteinä muiden kanssa; kuitenkin on noin neljäsosa alkuaineista löydettävissä myös vapaassa tilassa.

Veden hajottaminen: koe vs. todellisuus

Vesi koostuu vety- ja happialkuaineista suhteessa 2:1. Vesi voidaan hajottaa vety- ja happikaasuiksi lisäämällä energiaa. Yksi tapa tehdä tämä on käyttää akkua tai virtalähdettä.

Veden hajottaminen käsittää vesimolekyylien atomien uudelleenjärjestäytymisen eri molekyyleiksi, jotka koostuvat vastaavasti kahdesta vetyatomista ja kahdesta happiatomista. Kaksi vesimolekyyliä muodostaa yhden happimolekyylin ja kaksi vetymolekyyliä.

Tapahtuman esitystapaa, , tarkastellaan syvällisemmin myöhemmissä luvuissa.

Veden hajottaminen / Vedyn tuotanto

Kahdella syntyvällä kaasulla on selvästi erilaiset ominaisuudet. Happi ei ole syttyvää, mutta se on välttämätöntä polttoaineen palamiselle, ja vety on erittäin syttyvää ja tehokas energianlähde. Miten tätä tietoa voitaisiin soveltaa maailmassamme? Yksi sovellus liittyy polttoainetehokkaamman liikenteen tutkimukseen. Polttokennoautot (FCV) kulkevat vedyllä bensiinin sijaan.

Ne ovat tehokkaampia kuin polttomoottoriajoneuvot, ne eivät saastuta ja ne vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä, mikä tekee meistä vähemmän riippuvaisia fossiilisista polttoaineista. Polttokennoautot eivät kuitenkaan ole vielä taloudellisesti kannattavia, ja nykyinen vedyn tuotanto riippuu maakaasusta. Jos voimme kehittää prosessin veden taloudelliseen hajottamiseen tai tuottaa vetyä muulla ympäristön kannalta kestävämmällä tavalla, polttokennoautot voivat olla tulevaisuuden suunta.

Konsepti energian tuotannosta vedyn ja hapen kemiallisen reaktion avulla