Keemia kontekstis

Läbi inimkonna ajaloo on inimesed püüdnud muuta mateeriat millekski kasulikumaks. Meie kiviaja eellased vormisid ränikivist käepäraseid tööriistu ja voolisid puidust kujusid ning mänguasju. Need püüdlused seisnesid eseme kuju muutmises, ilma et oleks muudetud ainet ennast. Teadmiste kogunedes hakati aga muutma ka asjade koostist – savist sai keraamika, nahku pargiti rõivasteks, vasesaadustest valmistati tööriistu ja relvi ning viljast küpsetati leiba. Inimkond astus keemia teele niipea, kui õpiti valitsema tuld ning kasutama seda toiduvalmistamiseks, potikederdamiseks ja metallide sulatamiseks. Seejärel hakati eraldama ja kasutama konkreetseid mateeria liike. Taimedest ammutati mitmesuguseid ravimeid nagu aaloe, mürr ja oopium. Värvaineid, nagu indigo ja Tüürose purpur, saadi taimsest ja loomsest ainest. Metalle liideti sulamiteks – näiteks vase ja tina segamisel saadi pronks – ning nutikamad sulatusmeetodid tõid kaasa raua tootmise. Tuhast saadi leeliseid ning neist koos rasvaga valmistati seepe. Käärimise teel toodeti alkoholi, mida puhastati destilleerimisega. Katsed mõista mateeria käitumist ulatuvad enam kui 2500 aasta taha. Juba kuuendal sajandil eKr arutlesid Kreeka filosoofid süsteemi üle, kus kõige aluseks oli vesi. Võib-olla olete kuulnud Kreeka postulaadist, et mateeria koosneb neljast elemendist: maast, õhust, tulest ja veest. Hiljem levis keemiliste tehnoloogiate ja filosoofiliste spekulatsioonide segu Egiptusest, Hiinast ja Vahemere idaosast alkeemikute kaudu, kes püüdsid muuta „alandlikke metalle“ nagu plii „väärismetallideks“ nagu kuld ning luua eliksiire haiguste ravimiseks ja elu pikendamiseks.

Alkeemiku rituaal Loki juhendamisel

STEM: teadus, tehnoloogia, inseneeria ja matemaatika

Arutelu keemiast kui kesksetest teadustest.

Keemiat nimetatakse mõnikord „keskseks teaduseks“, sest see on seotud tohutu hulga teiste STEM-valdkondadega (teadus, tehnoloogia, inseneeria ja matemaatika). Keemia ja keemikute keelepruuk mängivad elutähtsat rolli bioloogias, meditsiinis, materjaliteaduses, kriminoloogias, keskkonnateaduses ja paljudes muudes valdkondades.

Füüsika aluspõhimõtted on hädavajalikud paljude keemia aspektide mõistmiseks ning kahe valdkonna vahel on tohutu ühisosa, nagu näiteks keemiline füüsika ja tuumakeemia. Matemaatika, arvutiteadus ja infoteooria pakuvad olulisi tööriistu, mis aitavad meil arvutada, tõlgendada, kirjeldada ja üldiselt keemilist maailma mõista.

Bioloogia ja keemia kohtuvad biokeemias, mis on ülioluline mõistmaks keerulisi tegureid ja protsesse, mis hoiavad elusorganisme (nagu meid) elus. Keemiatehnoloogia, materjaliteadus ja nanotehnoloogia ühendavad keemilised põhimõtted ja empiirilised leiud, et luua kasulikke aineid bensiinist ja kangastest kuni elektroonikani.

Põllumajandus, toiduteadus, veterinaarmeditsiin ning pruulimine ja veinivalmistamine aitavad tagada maailma elanikkonnale toitu ja jooki. Meditsiin, farmakoloogia, biotehnoloogia ja botaanika tuvastavad ning toodavad aineid, mis aitavad meil püsida terved. Keskkonnateadus, geoloogia, okeanograafia ja atmosfääriteadus kasutavad rohkeid keemilisi ideid, et aidata meil paremini mõista ja kaitsta oma füüsilist maailma. Isegi astronoomias ja kosmoloogias kasutatakse keemilisi mõisteid universumi mõistmiseks.

Millised mateeria muutused on igapäevaelus hädavajalikud? Toidu seedimine ja omastamine, polümeeride valmistamine rõivaste, anumate, köögiriistade ja krediitkaartide jaoks ning toornafta töötlemine bensiiniks on vaid mõned näited.

Seda kursust läbides avastate palju erinevaid näiteid mateeria koostise ja struktuuri muutuste kohta, õpite neid muutusi klassifitseerima ning saate teada, mis neid põhjustas, millised energiavahetused neiga kaasnevad ning millised põhimõtted ja seadused on sellega seotud.

Neid asju õppides omandate keemiat – teadust mateeria koostisest, omadustest ja vastasmõjudest. Keemiaga tegelemine ei piirdu vaid õpikute või laboritega: see toimub alati, kui keegi on seotud mateeria muutustega või tingimustega, mis võivad nende muutusteni viia.

KÕIK, MIDA TE EELNEVALT LUGESITE, ON TÄIELIK VALE! Tahate näha päriselu voolu? Laske käia!

Talunik

Ahela algataja

See on minu talu

Siin on härjad, lehmad, minu kodu ja kõik, mida ma omand ja armastan.

On lõikusaeg

Näib, et meil on õnne; saak toidab meid aastaringselt, hurraa!

Käes on maksustamisperiood.

Ja siit tulebki hertsogi saadetud maksukoguja.

Järgmine päev näitas, et jumalad on mu unustanud.

Üks kuradi elukas salvas mind ootamatult heinast.

Mu poeg ruttas linna vastumürki otsima.

Ta leidis alkeemiku, kes nimetas end „toksikoloogiks“. Ma ei tea selle sõna tähendust, aga Odin õnnistagu teda!

Ma olen päästetud

Vastumürk toodi just õigel ajal; saatus ei jätnud poega isata. Au jumalatele!

Järgmisel päeval müüsin maha tohutu hulga lõigatud nisu

Kaubahoovis rääkis keegi mulle viisist, kuidas saagikust märkimisväärselt tõsta.

Erakordse nimega mees „Agronoom“ saabus mu tallu järgmisel päeval.

Võõras nimega Agronoom läks seemnepõldudele, et, nagu ta ütles, „uurida olukorda meie ökosüsteemis“ – mida iganes see ka ei tähendaks.

Mind üllatas agronoomi visiit kummalises vankris.

Ta ütles mulle, et pulber suurtes kottides on „väetis“. Ta lubas mu poega õpetada seda kasutama ja ütles, et see aitab järgmisel hooajal saagi peaaegu kahekordistada.

Nii otsustasimegi pakkida poja asjad reisiks koos agronoomiga.

Reis kestab umbes kaks nädalat, kuni poeg naaseb, ja härra lubas talle õpetada palju väga kasulikke asju.

Taluniku poeg saabus koos agronoomiga linna.

Jõudsime linna ja agronoom lubas, et külastame palju huvitavaid paiku.

Esimene peatus oli koht, mida ta nimetas „alma mater“, kuid selle pärisnimi oli futuristlik ülikool.

Agronoom vestles minuga väsimatult teadusest, hariduse tähtsusest elukvaliteedi jaoks ja isiklikust missioonist.

Ta viis mind mükoloogia õppetooli (mida iganes see ka tähendab)

Seal nägin ma kummalist varustust ja lihtsaid seeneraaduseid riiulitel ja laual.

Mulle meenus arst, kes andis mu isale vastumürki.

Kohtasime teda siin ja nad rääkisid minust; siis viitas agronoom härrale kui toksikoloogile ja me külastasime tema ruumi, mida toksikoloog nimetas laboriks.

Seejärel toimus mitmeid visiite nende sõprade juurde, keda nad nimetasid „kolleegideks“.

Külastasime ka farmakoloogi laborit.

Nii me kõndisimegi päev läbi ruumist ruumi.

Lõpuks jõudsime meeldejäävate fotodega paika ja härra Agronoom näitas mulle pilte oma klassikaaslastest, kellest ühte ta nimetas vulkanoloogiks.

Lõpuks tundsin suurt nälga ja rääkisin sellest oma kuraatorile (härra Agronoomile).

Ta viis mind ülikooli toiduteaduse sektorisse ja seal me sõime.

Seejärel külastasime osakonda nimega „anorgaaniline keemia“.

Siin rääkisid agronoom ja härra, keda ta nimetas „Professoriks“, mulle pulbrist, mida agronoom mu isale tarnis – väetisest; nad näitasid mulle, kuidas seda tehakse.

Professor selgitab, et teatud teema on nende protsesside jaoks äärmiselt oluline, ja ta nimetas seda „energiaks“.

Ta näitas meile lühikesi, väga realistlikke stseene, mida nimetati „filmiks“, energia jõust ja sellest, kust tänapäeva teadus energiaallikaid otsib.

Visiite oli veelgi ja ma hakkasin mõistma, mida see kõik tähendab; mu ärevus asendus iga peatusega kasvava huviga.

Lõpuks küsis agronoom minult, kas mul on kavatsust teadusega lähemalt tuttavaks saada ja aidata oma isal saagikust nende teadmiste abil oluliselt tõsta.

Järgmisel päeval ratsutasime tagasi kodu poole, kuid ma palusin luba külastada oma onu sepikoda.

Seal näitas mu onu agronoomile vana kooli lähenemist ja agronoom rääkis meile palju sellest, kuidas inimkond on teadmisi kogunud ja arendanud, et jõuda kõigi kaasaegsete saavutusteni.

Nii ma siis ärkasin hommikul ja arvasin, et see kõik oli vaid uni, aga...

Leidsin padja alt kutsekirja!

Järgmised mitu aastat pühendasin ma kogu oma elu keemia õppimisele. Aitäh, härra Agronoom.

Ja nüüd ma mõistan, et teadus – nagu ka teadlased – teenib inimkonda eesmärgiga mõista loodust, parandada elukvaliteeti, vähendada haiguste riske, kaotada vaesus ja palju muud.

Nüüdsest peale keskendub kogu ülejäänud juhend keemia õppimisele – uurime seda, millest mateeria koosneb, kuidas see käitub ja kuidas kõik omavahel reageerib. Ärge arvake, et keemia praktiseerimine piirdub vaid tolmuste raamatute või peenete laboritega: see toimub igal pool, kus keegi on seotud mateeria muutustega või tingimustega, mis võivad nende muutusteni viia.

Teaduslik meetod

Keemia on vaatlusel ja eksperimentidel põhinev teadus. Keemiaga tegelemine tähendab katset vastata küsimustele ja selgitada vaatlusi keemia seaduste ja teooriate kaudu, kasutades teadusringkondades tunnustatud protseduure. Küsimusele vastamiseks või vaatluse selgitamiseks ei ole ühte ainust teed, kuid igal lähenemisviisil on ühine aspekt: igaüks neist kasutab teadmisi, mis põhinevad eksperimentidel, mida saab tulemuste kontrollimiseks korrata. Mõned teed hõlmavad hüpoteesi – vaatluste esialgset selgitust, mis on juhiseks teabe kogumisel ja kontrollimisel. Me testime hüpoteesi eksperimentide, arvutuste ja/või teiste eksperimentidega võrdlemise kaudu ning täiustame seda vastavalt vajadusele.

Mõned hüpoteesid on katsed selgitada käitumist, mis on kokku võetud seadustes. Teadusseadused võtavad kokku suure hulga eksperimentaalseid vaatlusi ning kirjeldavad või ennustavad mõnda loodusmaailma tahku. Kui selline hüpotees osutub võimeliseks selgitama suurt hulka eksperimentaalseid andmeid, võib see saavutada teooria staatuse. Teaduslikud teooriad on hästi põhjendatud, põhjalikud ja testitavad selgitused looduse teatud aspektide kohta. Teooriaid aktsepteeritakse, kuna need pakuvad rahuldavaid selgitusi, kuid neid saab uute andmete ilmnemisel muuta. Avastusteed, mis viib küsimusest ja vaatlusest seaduse või hüpoteesini ning sealt edasi teooriani, kombineerituna hüpoteesi eksperimentaalse kontrollimise ja teooria vajaliku muutmise eeldustega, nimetatakse teaduslikuks meetodiks.

Teaduslik meetod järgib protsessi, mis sarnaneb sellel joonisel näidatule. Kõik põhikomponendid on esitatud ligikaudu õiges järjekorras. Teaduse areng on harva selgepiiriline ja sirgjooneline: see nõuab avatust uurimistööle ning küsimuste ja ideede ümberkujundamist vastavalt saadud tulemustele.

Keemia maailmad: kolm tunnetustasandit

Selleks, et kirjeldada aine ja energia käitumist, kasutavad keemikud kolme eraldiseisvat valdkonda ehk domeeni: makroskoopilist, mikroskoopilist ja sümboltasandit. Need raamistikud pakuvad keemiliste nähtuste analüüsimiseks erinevaid vaatenurki.

Makroskoopiline maailm:

Nimetus tuleneb kreekakeelsest sõnast, mis tähendab „suur“. Makroskoopiline valdkond hõlmab meie igapäevast kogemusteraamistikku. Siia kuulub kõik, mis on piisavalt suur, et seda saaks vahetult tajuda inimmeeltega — alates toidust, mida me sööme, kuni tuuleiili puudutuseni näol. Nii igapäevaelus kui ka laboris on see tasand paik, kus me vaatleme ja mõõdame füüsikalisi ja keemilisi omadusi — nagu tihedus, lahustuvus ja süttivus — ning oleme tunnistajaks aine nähtavatele muutustele.

Mikroskoopiline maailm:

Mikroskoopiline valdkond (kreeka keelest „väike“) nõuab meilt sageli kujutlusvõimet või spetsiaalseid seadmeid. Kuigi teatud aspekte, nagu baktereid või grafiidi pinda, saab näha traditsioonilise mikroskoobi abil, eksisteerivad keemia põhiosakesed märksa väiksemas skaalas.

Nähtav mikroskoopiline: Üksused nagu viirused või rakud, mille nägemiseks on vaja suurendust.

Submikroskoopiline: Enamik keemilisi üksusi — sealhulgas aatomid, molekulid, ioonid ja subatomaarsed osakesed (prootonid, neutronid ja elektronid) — on liiga väikesed, et neid näha isegi parimate mikroskoopide abil.

See maailm keskendub nähtamatutele vastasmõjudele, mis kutsuvad esile vaadeldavaid muutusi: näiteks sellele, kuidas paiknevad metalliaatomid traadis, milline on soolaioonide kristallstruktuur või kuidas katkevad ja tekivad keemilised sidemed, mis põhjustavad soojuse eraldumist või värvuse muutust.

Sümboltasand:

Sümbolite maailm sisaldab erikeelt, mida kasutatakse makroskoopilise ja mikroskoopilise maailma komponentide esitamiseks. Keemilised sümbolid (nagu need, mida kasutatakse perioodilisustabelis), keemilised valemid ja reaktsioonivõrrandid on osa sümboltasandist, nagu ka graafikud ja joonised. Sümboltasandi hulka võime arvata ka arvutused.

Need sümbolid mängivad keemias otsustavat rolli, kuna aitavad tõlgendada makroskoopilise maailma käitumist mikroskoopiliste komponentide kaudu. Üks suurimaid väljakutseid keemiaõpilastele on mõista, et samad sümbolid võivad tähistada erinevaid asju makroskoopilisel ja mikroskoopilisel tasandil. Keemia teeb lummavaks just asjaolu, et me kasutame maailma, mida peame vaid ette kujutama, selgitamaks nähtusi maailmas, mida me vahetult tajume.

Abistav viis neist kolmest tasandist aru saada on vaadelda elutähtsat ja kõikjalviibivat ainet: vett.

Makroskoopiline maailm: Vaatlused, et vesi on mõõdukal temperatuuril vedelik, külmub madalal temperatuuril tahkeks jääks ja keeb kõrgel temperatuuril gaasiks, kuuluvad makroskoopilisse valdkonda.

Mikroskoopiline maailm: Mõned vee omadused kuuluvad mikroskoopilisse valdkonda — see on midagi, mida palja silmaga ei näe. See hõlmab vee kirjeldamist ühendina, mis koosneb kahest vesinikuaatomist ja ühest hapnikuaatomist, samuti külmumise ja keemise selgitamist molekulidevaheliste tõmbejõudude kaudu.

Sümboltasand: Valem H2O, mis võib kirjeldada vett nii makroskoopilisel kui ka mikroskoopilisel tasandil, on näide sümboltasandist. Lühendid (g) gaasi, (s) tahke aine ja (l) vedeliku kohta on samuti sümbolid.

Valem H2O sümboliseerib vett ning tähised (g), (s) ja (l) sümboliseerivad selle olekuid ehk faase.

Vesi gaasilises olekus

Pange tähele, et pilved koosnevad tegelikult kas väga väikestest vedelatest veepiiskadest või tahketest jääkristallidest; vesi gaasilises olekus on paljale silmale nähtamatu, kuigi seda võib tajuda õhuniiskusena. Siin oleme kujutanud vee gaasifaasi auruna; see kujutis on samuti sümboolne.

Vesi vedelas olekus

Jumalanna Styx valab jõkke vett selle vedelas olekus; austagem tema väge.

Jää on vee tahke olek

Ja Boreas näeb vaeva, et näidata teile vee tahket olekut; austagem ka tema tööd.