Kemia

Perusteita

Atomit ja molekyylit

Kemiassa perushiukkasia ovat atomit, jotka koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Kemiallisten aineiden moninaisuus pohjautuu atomien kykyyn yhdistyä elektronien välityksellä molekyyleiksi. Yhdistävää voimaa sanotaan kemialliseksi sidokseksi. Voima on sähkömagneettinen. Sidos voi olla ionisidos, kovalenttinen sidos tai metallisidos. Raja ionisidoksen ja kovalenttisen sidoksen välillä on liukuva. Ionisidoksessa atomit luovuttavat ja vastaanottavat elektroneja, jolloin syntyy positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita hiukkasia eli ioneja, jotka vetävät toisiaan puoleensa. Kovalenttisessa sidoksessa atomit jakavat yhden tai useamman elektroniparin. Metallisidoksessa elektronit liikkuvat vapaasti paikallaan olevien metalliytimien välissä. Molekyylien sisäisten ja niiden välisten sidosten luonne vaikuttaa aineiden ominaisuuksiin.

Molekyylin sisältämät aineet ilmoitetaan alkuaineet listaavassa kemiallisessa kaavassa. Esimerkiksi vesiatomista, jonka kaava on H₂O, koostuu kahdesta vety ja yhdestä happiatomista. Alkuainekaava ei yksilöi molekyyliä: C₂H₆O voi olla joko etanoli tai dimetyylieetteri. Atomien järjestyksen kertoo rakennekaava. Etanoli merkitään C₂H₅OH tai lyhyemmin EtOH ja dimetyylieetteri (CH₃)₂O tai lyhyemmin Me₂O.

Atomit, joissa on yhtä monta protonia, ovat samaa alkuainetta. Alkuaineet on järjestetty rakenteen perusteella jaksolliseen järjestelmään, jossa toisiaan kemiallisesti muistuttavat alkuaineet ovat samassa ryhmässä.

Koska pienissäkin määrissä kemiallisia yhdisteitä on valtavasti molekyylejä, on otettu käyttöön ainemäärän yksikkö mooli. Esimerkiksi 50 grammassa metanoliksia on noin 940 000 000 000 000 000 000 000 molekyyliä eli 1,6 moolia. Aineiden määriä ja suhteita sekä näiden muuttumista tutkivaa kemian osa-aluetta kutsutaan stoikiometria.

Seokset

Aineet jaetaan puhtaisiin aineisiin ja seoksiin. Seosten tärkeä erityistapaus on liuos. Seosten osia voidaan erottaa esimerkiksi suodattamalla, tislaamalla, dekantoimalla, sentrifugoimalla, sublimoimalla, kromatograafisilla menetelmillä, kiteyttämällä, haihduttamalla tai uuttamalla.

Reaktiot

Aineiden muuttumista toisiksi aineiksi sanotaan kemiassa reaktioksi. Olomuodon vaihtumista ei pidetä kemiallisena reaktiona vaan fysikaalisena prosessina, koska siinä ei synny uusia sidoksia. Reaktiota voidaan nopeuttaa lisäämällä reagoivia aineita, nostamalla lämpötilaa, sekoittamalla, hienontamalla lähtöaineita tai käyttämällä sopivaa katalyyttiä. Reaktiossa joko sitoutuu tai vapautuu lämpönä. Reaktion tapahtuminen voidaan havaita kaasu vapautumisena, lämpötilan muutoksena, liuoksen värin muuttumisena tai sakan muodostumisena.

Nimeäminen

Kemian alkuaikoina yhdisteitä ei nimetty minkään järjestelmän mukaan. Siksi vieläkin puhutaan triviaalinimin ilokaasusta tai muurahaishapostaaa, kun tarkoitetaan dityppimonoksidi tai metaanihappoa. Systemaattisen nimeämisen tavoitteena on, että jokainen yhdiste voidaan nimetä yksikäsitteisesti ja että jokaisesta nimestä selviää, miten yhdisteen atomit ovat järjestyneet. Systemaattisen nimistön pohjana ovat kemian järjestö IUPAC:n suositukset.

Mutkikkaiden yhdisteiden systemaattiset nimet ovat pitkiä, jota paitsi monet niistä sulkumerkkeineen ja numeroineen soveltuvatkin vain painettuun tekstiin mutta tuskin puhekieleen. Sen vuoksi uusillekin yhdisteille keksitään myös triviaalinimiä. Esimerkiksi ibuprofeeni, englanniksi ibuprofen, on saanut nimensä osiensa mukaan isobutyylistä (ibu), propaanihaposta (pro) ja fenyylistä (fen). Sen systemaattinen nimi on 2-(p-isobutyylifenyyli)propaanihappo.

Kemia tieteenalana

Kemian lähimmät naapurit ovat fysiikka ja biologia. Kemian rajoja ja muita kemiaan liittyviä filosofisia kysymyksiä tutkii kemian filosofia. Kemiaan liittyi läheisesti insinööritieteen ala kemiantekniikka. Kemia jaetaan yleensä viiteen alaan, joiden väliset rajat ovat väljät:

Orgaaninen kemia tutkii orgaanisia yhdisteitä eli lähes kaikkia hiilen yhdisteitä. Tällä hetkellä tunnetaan yli 20 miljoonaa yhdistettä, joista suurin osa on orgaanisia.
Epäorgaaninen kemia tutkii epäorgaanisia yhdisteitä kuten suoloja, metalleja, metallikompleksejajaja sekä monia happo ja emäksiä. Orgaaninen ja epäorgaaninen kemia yhdistyvät organometalliyhdisteiden tutkimuksessa.
Fysikaalinen kemia toimii kemian ja fysiikan rajalla. Se tutkii muun muassa kemian teoreettista perustaa, spektroskooppisia menetelmiä sekä reaktioiden nopeuksia ja syntyehtoja.
Analyyttinen kemia tutkii aineiden koostumuksia ja menetelmiä niiden määrittämiseksi.
Biokemia tutkii eliöissä havaittavia kemiallisia yhdisteitä ja reaktioita.

Muita, pienempiä aloja ovat lääkekemia, fytokemia, ympäristökemia, materiaalikemia, polymeerejä tutkiva polymeerikemia sekä radioaktiivisia aineita tutkiva radiokemia.

Opiskelu Suomessa

Suomessa kemiaa voi opiskella pääaineenaan Helsingin, Joensuun, Jyväskylän, Kuopion, Oulun ja Turun yliopistoissa sekä Åbo Akademissa.

Historia

Pääartikkeli: Kemian historia

Varhainen kemia

Ensimmäinen kemiallinen reaktio, jota ihminen oppi hyödyntämään, oli palaminen. Varhaisia keksintöjä olivat myös lasin, keramiikan, väriaineiden ja metallien valmistus. Metalleista puhtaana esiintyy kulta ja joskus myös hopea ja kupari. Joissakin meteoriiteissa on puhdasta rautaa. Kuparia ja lyijyä valmistettiin malmeista Egyptissä ja Kaksoisvirranmaaassa vuonna 4000 eaa., pronssi vuonna 3000 eaa. Rautaa alettiin tuottaa suuria määriä vuoden 1000 eaa. paikkeilla, kun kehitettiin suuret lämpötilat mahdollistanut ahjo.

Antiikin Kreikan filosofit kehittivät teorioita aineiden rakenteista. Empedokles (noin 490-luku eaa.–430 eaa.) väitti, että maailma koostuu neljästä perusaineesta: tulesta, vedestä, maasta ja ilmasta. Leukippoksen oppilas Demokritos (noin 460-luku eaa.–370 eaa.) esitti aineen koostuvan atomeista, joita ei voi jakaa pienempiin osiin. Hänen mukaansa uudet aineet syntyvät, kun atomit järjestyvät uudelleen. Aristoteles (384 eaa.–322 eaa.) rakensi oman teoriansa neljän alkuaineen pohjalle, mutta hän ei hyväksynyt atomioppia. Aristoteleen näkemyksiä pidettiin valtaosin oikeina 1500-luvulle saakka.

Alkemia

Kreikkalaisia käytännönläheisemmin kemiaan suhtautuivat Aleksandrian alkemistitssassa. Heidän tavoitteenaan oli muuttaa halvat metallit kullaksi. Myös Kiina harjoitettiin alkemiaa ainakin vuosina 175 eaa.–1000 jaa. Aleksandrian alkemia muuttui islamilaiseksi noin 600-luvulla ja islamilainen taas eurooppalaiseksi 1100-luvulla. Kullan tavoittelu osoittautui myöhemmin turhaksi, mutta alkemian aikana myös kehitettiin laboratoriovälineitä ja eristettiin monia tärkeitä kemiallisia yhdisteitä kuten etanoli ja typpihappo.

Alkemia alkoi muuttua kemiaksi 1600-luvulla. Jan Baptist van Helmont (1577–1644) oli vielä alkemisti, mutta hän myös tutki kemiallisia reaktioita vaa’an avulla ja tunnisti kaasut omaksi aineluokaksi. Ensimmäiset selvästi kvantitatiiviset kemialliset kokeet teki Robert Boyle (1627–1691). Boyle hylkäsi neljän alkuaineen teorian ja ravisteli muutenkin vanhoja ajattelutapoja.

Palamisen selittäminen

Georg Ernst Stahl esitti vuonna 1703 Johann Joachim Becheriain teorian pohjalta, että aineen palaessa siitä vapautuu flogiston. Suljetussa astiassa palaminen loppui siinä vaiheessa, kun astia kyllästyi flogistonilla.

Flogistonin avulla pystyttiin selittämään monia reaktioita. Koska metallit muuttuivat hapettuessaan ”kalkiksi”, niiden täytyi koostua ”kalkista” ja flogistonista. Toisaalta kuumentamalla ”kalkkia” yhdessä hiilen kanssa saatiin jälleen metallia, minkä oletettiin johtuvan siitä, että hiili sisälsi runsaasti flogistonia, joka yhtyi ”kalkin” kanssa metalliksi. (Todellisuudessa tällöin hiili yhtyy metallioksidissa olevien hapen kanssa hiilidioksidiksi, jolloin metalli pelkistyy. Samaan reaktioon perustuu myös esimerkiksi rautamalmin pelkistys hiilen avulla). Flogistonteoria menestyi 1700-luvun jälkipuoliskolle asti, mutta osoittautui lopulta täysin virheelliseksi.

Nykyaikaisen kemian perustajana pidetään Antoine Lavoisier’ta (1743–1794). Lavoisier osoitti kokeillaan, että palaminen merkitsee aineen yhtymistä happeen. Hän myös muotoili aineen häviämättömyyden lain, julkaisi alkuainetaulukon ja uudisti kemian käsitteitä.

1800- ja 1900-luku

Kemia alkoi erottua fysiikasta omaksi tieteenalakseen 1800-luvulla. John Dalton julkaisi vuonna 1808 atomiteoriansa. Teoria hyväksyttiin yleisesti vasta vuosisadan loppupuolella. Jöns Jakob Berzelius otti käyttöön nykyisen kaltaiset kemialliset merkit 1813. Dmitri Mendelejev ja Lothar Meyer kehittivät jaksollisen järjestelmän lähes samanaikaisesti 1860-luvun lopussa.

1900-luvulta alkaen kemia on kehittynyt nopeasti. Kemian teoreettista pohjaa on vahvistanut kvanttimekaniikkaan perustuva kvanttikemia. Tietotekniikan kehityksen ansiosta laskennallinen kemia saavuttaa yhä parempia tuloksia. Monet analyysimenetelmät, erityisesti spektreihin tukeutuvat, ovat nykyään tarkkoja ja automaattisia.

Suomi

Suomessa on valmistettu tervaa suuressa mitassa 1500-luvulta lähtien. Suomalaisen kemianteollisuuden panivat alulle apteekkarit. Johan Jacob Julin (1787–1853) perusti typpihappotehtaan Turkuun ja metalliyrityksen Fiskaritehdasin. Ensimmäinen paperi perustettiin 1667. Se käytti raaka-aineena lumppuja. Nokiallelle perustettiin sulfiittiselluloosatehdas vuonna 1885.

Nykyään kemianteollisuus on Suomen kolmanneksi suurin teollisuuden ala. Se valmistaa muun muassa muoveja, lannoitteita, väriaineita, lääkkeitä, metalleja, puun- ja öljynjalostustuotteita sekä peruskemikaaleja kuten rikkihappoa.

Suomen ensimmäinen kemian professori Pehr Adrian Gaddn (1727–1797) paransi salpietari valmistusmenetelmää. Varsinaisen kemiantutkimuksen Suomessa aloitti Gaddin seuraaja, alkuaine yttriumin löytänyt Johan Gadolin (1760–1852). Hänen jälkeensä professorina toimi Pehr Adolf von Bonsdorff, joka muun muassa valmisti 80 erilaista kaksoissuolaa. Suomalaisista Nobelin kemianpalkinnon on saanut biokemisti A. I. Virtanen (1895–1973). Palkinto myönnettiin erityisesti tuorerehun säilöntämenetelmän kehittämisestä.

Kemia-sanan alkuperä

Sanat kemia ja alkemia tulevat arabian sanasta al-kimiya, joka tarkoittaa viisasten kiveä. Arabian sana perustuu mahdollisesti varhaisen kiinan kultaa merkitsevään sanaan kim tai Egyptin muinaiseen nimeen Khem. Sanaa khemeia käytetään keisari Diocletianuksen vuonna 296 antamassa mahtikäskyssä, jossa määrätään egyptiläiset kemiaa käsittelevät kirjoitukset poltettaviksi.