Kemia kontekstissa

Halki ihmiskunnan historian ihmismieli on pyrkinyt muuntamaan ainetta hyödyllisemmiksi asioiksi. Kivikauden esi-isämme iskivät piikivestä käteviä työkaluja ja veistivät puusta patisaita ja leluja. Näissä pyrkimyksissä muutettiin esineen muotoa muuttamatta itse ainetta. Tiedon karttuessa ihmiset alkoivat kuitenkin muuttaa myös aineiden koostumusta – savesta tehtiin keramiikkaa, nahoista muokattiin vaatteita, kuparimalmeista valmistettiin työkaluja ja aseita, ja viljasta leivottiin leipää. Ihmiskunta aloitti taipaleensa kemian parissa opittuaan hallitsemaan tulta ja käyttämään sitä ruoanlaittoon, savenvalantaan ja metallien sulatukseen. Tämän jälkeen opittiin eristämään ja hyödyntämään tiettyjä aineen lajeja. Kasveista uutettiin monenlaisia lääkkeitä, kuten aloeta, mirhaa ja oopiumia. Väriaineita, kuten indigoa ja Tyroksen purppuraa, saatiin kasvi- ja eläinkunnan tuotteista. Metalleja yhdisteltiin seoksiksi – esimerkiksi sekoittamalla kuparia ja tinaa saatiin pronssia – ja kehittyneemmät sulatusmenetelmät mahdollistivat raudan valmistuksen. Tuhkasta saatiin emäksiä, ja saippuaa valmistettiin sekoittamalla näitä emäksiä rasvoihin. Alkoholia valmistettiin käymisteitse ja puhdistettiin tislaamalla. Yritykset ymmärtää aineen käyttäytymistä ulottuvat yli 2500 vuoden taakse. Jo 500-luvulla eaa. kreikkalaiset filosofit pohtivat järjestelmää, jossa vesi oli kaiken perusta. Olet ehkä kuullut kreikkalaisesta postulaatista, jonka mukaan aine koostuu neljästä alkuaineesta: maasta, ilmasta, tulesta ja vedestä. Myöhemmin kemiallisten tekniikoiden ja filosofisten pohdintojen yhdistelmä levisi Egyptistä, Kiinasta ja itäiseltä Välimereltä alkemistien mukana. He pyrkivät muuttamaan ”epäjalot metallit”, kuten lyijyn, ”jaloiksi metalleiksi”, kuten kullaksi, sekä luomaan eliksiirejä sairauksien parantamiseen ja eliniän pidentämiseen.

Alkemistin rituaali Lokin opastuksella

STEM: Tiede, teknologia, insinööritieteet ja matematiikka

Keskustelu kemiasta keskeisenä tieteenä.

Kemiaa kutsutaan toisinaan ”keskeiseksi tieteeksi”, koska se kytkeytyy valtavaan määrään muita STEM-aloja (STEM tarkoittaa tiedettä, teknologiaa, insinööritieteitä ja matematiikkaa). Kemialla ja kemistien kielellä on elintärkeä rooli biologiassa, lääketieteessä, materiaalitieteessä, oikeuslääketieteessä, ympäristötieteessä ja monilla muilla aloilla.

Fysiikan perusperiaatteet ovat välttämättömiä monien kemian osa-alueiden ymmärtämiselle, ja näiden kahden alan välillä on huomattavaa päällekkäisyyttä esimerkiksi kemiallisessa fysiikassa ja ydinkemiassa. Matematiikka, tietojenkäsittelytiede ja informaatioteoria tarjoavat tärkeitä työkaluja, joiden avulla voimme laskea, tulkita, kuvata ja yleisesti ottaen ymmärtää kemiallista maailmaa.

Biologia ja kemia kohtaavat biokemiassa, joka on ratkaisevan tärkeää elävien organismien (kuten meidän) elintoimintoja ylläpitävien monimutkaisten prosessien ymmärtämiseksi. Kemiantekniikka, materiaalitiiede ja nanoteknologia yhdistävät kemian periaatteita ja empiirisiä havaintoja tuottaakseen hyödyllisiä aineita bensiinistä kankaisiin ja elektroniikkaan.

Maatalous, elintarviketiede, eläinlääketiede sekä panimo- ja viiniteollisuus auttavat turvaamaan maailman väestön ravinnon ja juoman. Lääketiede, farmakologia, bioteknologia ja kasvitiede tunnistavat ja tuottavat aineita, jotka auttavat meitä pysymään terveinä. Ympäristötiede, geologia, oseanografia ja ilmakehätiede hyödyntävät monia kemiallisia ideoita auttaakseen meitä ymmärtämään ja suojelemaan fyysistä maailmaamme paremmin. Jopa tähtitieteessä ja kosmologiassa käytetään kemiallisia käsitteitä maailmankaikkeuden ymmärtämiseen.

Mitkä aineen muutokset ovat välttämättömiä jokapäiväisessä elämässä? Ruoan sulatus ja imeytyminen, polymeerien valmistus vaatteita, astioita ja luottokortteja varten sekä raakaöljyn jalostus bensiiniksi ja muiksi tuotteiksi ovat vain muutamia esimerkkejä.

Tämän kurssin edetessä löydät monia erilaisia esimerkkejä aineen koostumuksen ja rakenteen muutoksista. Opit luokittelemaan näitä muutoksia, ymmärtämään niiden syitä, niihin liittyviä energianmuutoksia sekä niihin vaikuttavia periaatteita ja lakeja.

Opiskelemalla näitä asioita opiskelet kemiaa – tiedettä aineen koostumuksesta, ominaisuuksista ja vuorovaikutuksista. Kemian harjoittaminen ei rajoitu vain kirjoihin tai laboratorioihin: sitä tapahtuu aina, kun joku on tekemisissä aineen muutosten tai niihin johtavien olosuhteiden kanssa.

KAIKKI, MITÄ LUIT AIEMMIN, ON TÄYSIN VALETTA! Haluatko nähdä todellisen elämän virran? Siitä vain!

Maanviljelijä

Ketjun aloittaja

Tämä on minun maatilani

Täällä ovat härkäni, lehmäni, kotini ja kaikki mitä omistan ja rakastan.

On sadonkorjuun aika

Näyttää siltä, että olemme onnekkaita; sato ruokkii meidät koko vuoden, huraa!

Verotuksen aika.

Ja sieltä saapuu herttuan lähettämä veronkerääjä.

Seuraava päivä osoitti, että jumalat olivat hylänneet minut.

Paholaisen luontokappale puraisi minua yllättäen heinikosta.

Poikani riensi kaupunkiin etsimään vastamyrkkyä.

Hän löysi alkemistin, joka kutsui itseään ”toksikologiksi”. En tunne sanan merkitystä, mutta Odinin siunaus hänelle!

Olen pelastunut

Vastamyrkky tuotiin juuri ajoissa; kohtalo ei vienyt pojalta isää. Kunnia jumalille!

Seuraavana päivänä myin valtavan määrän korjattua vehnää

Kauppahuoneella joku kertoi minulle tavasta kasvattaa sadon määrää merkittävästi.

Mies, jolla oli erikoinen nimi ”Agronomi”, saapui tilalleni seuraavana päivänä.

Muukalainen nimeltä Agronomi käveli kylvömaille, kuten hän sanoi, ”tutkimaan ekosysteemimme tilannetta” – mitä se ikinä tarkoittaakaan.

Yllätyin agronomin vierailusta kummallisissa vaunuissa.

Hän kertoi minulle, että suurissa säkeissä oleva jauhe oli ”lannoitetta”. Hän sanoi opettavansa poikaani käyttämään sitä ja että tämä auttaisi lähes kaksinkertaistamaan satomme ensi kaudella.

Niinpä päätimme pakata pojan tavarat matkaa varten agronomin mukaan.

Matka kestää noin kaksi viikkoa ennen kuin poikamme palaa, ja herra lupasi opettaa hänelle monia hyödyllisiä asioita.

Maanviljelijän poika saapui kaupunkiin agronomin kanssa.

Saavuimme kaupunkiin, ja agronomi lupasi, että vierailisimme monissa mielenkiintoisissa paikoissa.

Ensimmäinen pysähdyksemme oli paikassa, jota hän kutsui nimellä ”alma mater”, mutta sen oikea nimi oli futuristinen yliopisto.

Agronomi puhui minulle väsymättä tieteestä, koulutuksen merkityksestä elämänlaadulle ja henkilökohtaisesta kutsumuksesta.

Hän vei minut mykologian laitokselle (mitä se ikinä tarkoittaakaan)

Siellä näin kummallisia laitteita ja yksinkertaisia sienimäisiä aineita pinoissa hyllyillä ja pöydällä.

Muistan lääkärin, joka antoi vastamyrkyn isälleni.

Tapasimme hänet täällä, ja he puhuivat minusta; sitten agronomi kutsui herraa toksikologiksi, ja vierailimme hänen huoneessaan, jota toksikologi kutsui laboratorioksi.

Sitten teimme useita vierailuja heidän ystäviensä luo, ja he kutsuivat toisiaan ”kollegoiksi”.

Vierailimme myös farmakologin laboratoriossa.

Niin me kävelimme huoneesta toiseen koko päivän.

Lopulta tulimme paikkaan, jossa oli ikimuistoisia valokuvia, ja herra Agronomi näytti minulle kuvia luokkatovereistaan, joista yhtä hän kutsui vulkanologiksi.

Lopulta minulla tuli kova nälkä ja kerroin siitä kuraattorilleni (herra Agronomille).

Hän vei minut yliopiston elintarviketieteen osastolle, ja siellä söimme hieman purtavaa.

Sitten vierailimme osastolla nimeltä ”epäorgaaninen kemia”.

Täällä agronomi ja herra, jota hän kutsuu ”Professoriksi”, kertoivat minulle jauheesta, jota agronomi toimitti isälleni – lannoitteesta; he näyttivät minulle, miten sitä valmistetaan.

Professori selittää, että tietty asia on erittäin tärkeä näille prosesseille, ja hän kutsui sitä ”energiaksi” – mitä se ikinä tarkoittaakaan.

Hän näytti meille lyhyitä, erittäin realistisia kohtauksia nimeltä ”elokuva” energian voimasta ja siitä, mistä nykytiede etsii energianlähteitä.

Vierailuja oli useita, ja aloin ymmärtää, mitä vierailut tarkoittivat; levottomuuteni kasvoi jokaisella pysähdyksellä, mutta samalla mielenkiintoni heräsi.

Lopulta agronomi kysyi minulta, oliko tarkoitukseni tutustua tieteeseen paremmin ja auttaa isääni kasvattamaan satoja merkittävästi tämän tiedon avulla.

Seuraavana päivänä ratsastimme takaisin kotiin päin, mutta pyysin saada vierailla setäni pajalla.

Siellä setäni näytti agronomille perinteisen työtavan, ja agronomi kertoi meille paljon siitä, miten ihmiskunta on kerännyt ja kehittänyt tietoa saavuttaakseen kaikki nykyajan saavutukset.

Niinpä heräsin aamulla ja arvelin, että se kaikki oli unta, mutta...

Löysin kutsukirjeen tyynyn alta!

Seuraavat useat vuodet omistin koko elämäni kemian opiskelulle. Kiitos, herra Agronomi.

Ja nyt ymmärrän, että tiede – samoin kuin tiedemiehet – palvelee ihmiskuntaa tavoitteenaan ymmärtää luontoa, parantaa elämänlaatua, vähentää sairauksien riskejä, poistaa köyhyyttä ja monia muita sovelluksia.

Tästä eteenpäin koko loppuopas keskittyy kemian oppimiseen – tutkimukseen siitä, mistä aine koostuu, miten se käyttäytyy ja miten se reagoi. Älä luule, että kemian harjoittaminen kuuluu vain pölyisiin kirjoihin tai hienoihin laboratorioihin: sitä tapahtuu kaikkialla, missä joku on tekemisissä aineen muutosten tai niihin johtavien olosuhteiden tutkimisen kanssa.

Tieteellinen menetelmä

Kemia on havainnointiin ja kokeisiin perustuva tiede. Kemian harjoittaminen tarkoittaa pyrkimystä vastata kysymyksiin ja selittää havaintoja kemian lakien ja teorioiden avulla käyttäen tiedeyhteisön hyväksymiä menetelmiä. Ei ole olemassa yhtä ainoaa reittiä kysymykseen vastaamiseksi tai havainnon selittämiseksi, mutta kaikille lähestymistavoille on yhteistä yksi piirre: jokainen niistä käyttää tietoa, joka perustuu kokeisiin, jotka voidaan toistaa tulosten todentamiseksi. Jotkut reitit sisältävät hypoteesin, alustavan selityksen havainnoille, joka toimii oppaana tiedon keräämisessä ja tarkistamisessa. Testaamme hypoteesia kokeilla, laskelmilla ja/tai vertailemalla muiden tekemiin kokeisiin, ja muokkaamme sitä sitten tarpeen mukaan.

Jotkut hypoteesit ovat yrityksiä selittää käyttäytymistä, joka on tiivistetty laeiksi. Tieteen lait tiivistävät valtavan määrän kokeellisia havaintoja ja kuvaavat tai ennustavat jotakin luonnonilmiötä. Jos tällainen hypoteesi osoittautuu kykeneväksi selittämään laajan joukon kokeellista dataa, se voi saavuttaa teorian aseman. Tieteelliset teoriat ovat hyvin perusteltuja, kattavia ja testattavia selityksiä tietyille luonnon osa-alueille. Teoriat hyväksytään, koska ne tarjoavat tyydyttäviä selityksiä, mutta niitä voidaan muuttaa, jos uutta tietoa tulee saataville. Löytöretkeä, joka johtaa kysymyksestä ja havainnosta lakiin tai hypoteesiin ja edelleen teoriaan, yhdistettynä hypoteesin kokeelliseen todentamiseen ja teorian mahdolliseen muuttamiseen, kutsutaan tieteelliseksi menetelmäksi.

Kemian maailmat: kolme ulottuvuutta

Ymmärtääkseen aineen ja energian kiehtovaa käytöstä, kemistit tarkastelevat maailmaa kolmen eri ulottuvuuden kautta: makroskooppisen, mikroskooppisen ja symbolisen. Nämä viitekehykset tarjoavat erilaisia näkökulmia kemiallisten ilmiöiden analysointiin.

Makroskooppinen maailma:

Kreikan kielen sanasta „suuri“ juontuva makroskooppinen maailma sijoittuu arkikokemustemme piiriin. Se kattaa kaiken, mikä on tarpeeksi suurta ihmisen aistein suoraan havaittavaksi — nauttimastamme ruoasta aina kasvoilla tuntuvaan tuulenvireeseen. Niin arkielämässä kuin laboratoriossa tämä on se taso, jolla havaitsemme ja mittaamme aineen fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia — kuten tiheyttä, liukoisuutta ja syttyvyyttä — sekä todistamme näkyviä muutoksia aineen tilassa.

Mikroskooppinen maailma:

Mikroskooppinen ulottuvuus (kreikan sanasta „pieni“) vaatii usein mielikuvitusta tai erikoistyökaluja. Vaikka jotkin asiat, kuten bakteerit tai grafiitin pinta, voidaan nähdä tavallisella mikroskoopilla, kemian varsinainen ydin on vieläkin pienemmässä mittakaavassa.

Näkyvä mikroskooppinen: Oliot, kuten virukset tai solut, jotka vaativat suurennusta tullakseen nähdyiksi.

Submikroskooppinen: Suurin osa kemiallisista rakennusosista — mukaan lukien atomit, molekyylit, ionit ja subatomiset hiukkaset (protonit, neutronit ja elektronit) — ovat liian pieniä nähtäväksi edes parhailla perinteisillä mikroskoopeilla.

Tämä maailma keskittyy näkymättömiin vuorovaikutuksiin, jotka ohjaavat havaittavia muutoksia: esimerkiksi siihen, miten metalliatomit järjestyvät johdossa, miten suolaionit muodostavat kiderakenteen tai miten kemialliset sidokset katkeavat ja muodostuvat, aiheuttaen lämmön vapautumista tai värinmuutoksia.

Symbolinen maailma:

Symbolinen maailma sisältää sen erikoiskielen, jolla kuvataan makro- ja mikromaailman osasia. Kemialliset merkit (kuten jaksollisen järjestelmän symbolit), kemialliset kaavat ja yhtälöt ovat osa symbolista maailmaa, kuten myös graafit ja piirrokset. Voimme lukea myös laskutoimitukset osaksi tätä symbolista kieltä.

Nämä symbolit ovat kemiassa elintärkeitä, sillä ne auttavat tulkitsemaan makroskooppista käyttäytymistä mikroskooppisten osien kautta. Yksi kemian opiskelun haasteista on ymmärtää, että samat symbolit voivat tarkoittaa eri asioita riippuen siitä, tarkastellaanko niitä makro- vai mikromaailman kautta. Kemian kiehtovuus piileekin juuri siinä, että käytämme mielikuvitusta vaativaa maailmaa selittämään ilmiöitä, jotka voimme nähdä omin silmin.

Vesi, tuo elintärkeä ja kaikkialla läsnä oleva aine, on erinomainen esimerkki näiden kolmen ulottuvuuden ymmärtämiseen.

Makroskooppinen maailma: Havainnot siitä, että vesi on nestemäistä kohtuullisessa lämpötilassa, jäätyy kiinteäksi pakkasella ja höyrystyy kaasuksi kiehuessaan, ovat makroskooppisia.

Mikroskooppinen maailma: Jotkin veden ominaisuudet kuuluvat mikroskooppiseen maailmaan — siihen, mitä emme näe paljain silmin. Tähän kuuluu veden kuvaaminen kahden vetyatomin ja yhden happiatomin muodostamaksi kokonaisuudeksi sekä jäätymisen ja kiehumisen selittäminen molekyylien välisillä vetovoimilla.

Symbolinen maailma: Kaava H2O, joka voi kuvata vettä sekä makro- että mikrotasolla, on esimerkki symbolisesta maailmasta. Lyhenteet (g) kaasulle, (s) kiinteälle aineelle ja (l) nesteelle ovat myös osa tätä merkistöä.

Kaava H2O symboloi vettä, ja merkinnät (g), (s) ja (l) symboloivat sen eri olomuotoja eli faaseja.

Vesi kaasuna

On hyvä muistaa, että pilvet koostuvat todellisuudessa joko hyvin pienistä nestemäisistä vesipisaroista tai kiinteistä jääkiteistä; vesi kaasuna on näkymätöntä paljaalle silmälle, vaikka voimmekin aistia sen ilmankosteutena. Tässä olemme kuvanneet kaasumaisen veden höyrynä; kuva on itsessään hyvin symbolinen.

Vesi nesteenä

Jumalatar Styks kaataa vettä nestemäisessä muodossaan jokeen; osoittakaamme hänelle kunnioitusta.

Jää on veden kiinteä olomuoto

Ja Boreas työskentelee ahkerasti näyttääkseen teille veden kiinteän olomuodon; osoittakaamme kunnioitusta myös hänelle.

Tieteellinen menetelmä noudattaa tässä kaaviossa esitetyn kaltaista prosessia. Kaikki keskeiset osatekijät on esitetty suunnilleen oikeassa järjestyksessä. Tieteellinen edistys on harvoin suoraviivaista ja siistiä: se vaatii avointa tutkimustiedon etsintää sekä kysymysten ja ideoiden jatkuvaa muokkaamista saatujen tulosten perusteella.