Kjemi

Kjemi - læren om atomene, og de strukturene de kan danne.

«Kjemi» har flere betydninger.

Kjemi er vitenskapen om stoffenes egenskaper, sammensetting og reaksjoner. Kjemi slik vi kjenner det i dag, oppsto som en eksakt vitenskap på 1600- og 1700-tallet da alkymien la grunnlaget for utviklingen av kjemisk vitenskap.

Kjemi blir ofte kalt «den sentrale vitenskap» fordi den fletter sammen andre grener fra naturvitenskapen som astronomi, fysikk, materialteknologi, biologi og geologi. Denne sammenflettingen har blitt formet av underemner innen kjemi som belyser konsepter fra mange naturvitenskapelige grener. Fysikalsk kjemi inkluderer for eksempel prinsipper innen fysikk på atom- og molekylnivå.

Historie

Robert Boyle, grunnleggeren av moderne kjemi

Se også: Kjemiens historie

Kjemiens røtter kan spores tilbake til oppdagelsen av ild. Med ild kunne man forandre et stoff til et annet under tilføring av varme. Denne kunnskapen førte videre til metallurgi. Først ble metallene utvunnet fra malm, senere ble legeringer utviklet for å oppnå bedre og sterkere metall. Denne prosessen ble utviklet over flere tusen år.

Gull ble foredlet lenge før de første legeringene kom. De hadde imidlertid liten forståelse av foredlingsprosessen som skjedde. Prosessen ble sett på som en forvandling, heller enn en foredling. Mange lærde på den tiden mente at det ville være fornuftig å finne en måte å forvandle billige metaller til gull. Dette var opptrinnet til alkymi, og letingen av de vises sten, som de mente skulle hjelpe dem til en slik forvandling.

Pestene som herjet Europa i middelalderen, gav ytterlige oppgang for alkymistene. Etterspørselen etter medisin økte. De mente at det kanskje fantes en eliksir som kunne kurere alle slags sykdommer. I likhet med de vises sten ble det imidlertid aldri funnet noen slik eliksir, og moderne kjemi slår også fast at det ikke er mulig med en slik medisin.

Mange alkymister så sin snitt til å drive med kvakksalveri og pengeforfalskning. For andre var det en intellektuell beskjeftigelse hvor man ikke greide å skille overtro fra vitenskapelig arbeid. Over tid ble praktiserende alkymister bedre på å skille disse. Paracelsus (1493–1541) forkastet læren om de fire elementer, og med bare en helt elementær forståelse av kjemi og medisin, smeltet han sammen alkymi og vitenskap i noe som ble kalt iatrokjemi.

Starten for kjemi som vitenskap kan spores tilbake til flere muslimske kjemikere. Da er arbeider av Geber (ca. 725 -815), Al-Kindi (ca. 801- ca. 873), Al-Razi (865-925) og Abu Rayhan Biruni (973-1048) av særlig betydning. Gebers arbeid skulle bli mere kjent i Europa gjennom oversettelser til latin utarbeidet i det 14. århundre av en Pseudo-Geber (falske-Geber), som også skrev bøker på egen hånd under pseudonymet «Geber».

En virkelig vitenskapelig revolusjon startet under innflytelse av filosofer som Francis Bacon (1561–1626) og René Descartes (1596–1650). De krevde mer nøyaktighet i matematikk og nytenkning på måten vitenskapelige observasjoner ble utført på. I kjemi startet det med Robert Boyle (1627–1692), som oppdaget gasser, og presenterte ligningen som i dag er kjent som Boyle-Mariottes lov. Antoine Lavoisier (1743–1794), også kalt den moderne kjemis far, utarbeidet teorien om massens konstans i 1783. Vel så viktig var atomteorien, som kom rundt 1800, utarbeidet primært av John Dalton (1766–1844).

Oppdagelsen av de forskjellige grunnstoffene har en lang historie, fra før alkymiens dager og fram til i dag, og kulminerer i utarbeidelsen av det Periodiske system som ble gjort av Dmitrij Mendelejev (1834–1907). Nobelprisen i kjemi, stiftet 1901, gir et utmerket overblikk over viktige oppdagelser innen kjemi de siste 100 årene.

Beskrivelse av materie

Kjemi - studium av atomer og de strukturene som de kan danne, slik som Paclitaxel, som er vist her.

Atomer

Utdypende artikkel: Atom

Et atom er en materie bestående av en positivt ladd kjerne (atomkjernen), og negativt ladde elektroner. Atomkjernen består igjen av protoner, som er positivt ladde, og nøytroner, som er nøytralt ladde. Atomer er de grunnleggende byggeklossene i kjemi, og de bevares ved kjemiske reaksjoner.

Grunnstoffer

Utdypende artikkel: Grunnstoff

Et grunnstoff består av atomer, som har samme antall protoner i atomkjernen. Dette antallet er også følgelig grunnstoffets atomnummer. For eksempel har alle karbonatomer seks protoner i atomkjernen, og alle atomer med 92 protoner i kjernen er uranatomer. Hvis antall nøytroner varier innen et grunnstoff, får man varianter av grunnstoffet som kalles isotop.

Den mest anvendte oversikten over kjemiske grunnstoff er det periodiske system, som setter opp alle grunnstoffene i henhold til deres atomnummer. I periodesystemet er alle grunnstoffene satt opp i grupper (kolonner) og perioder (rader). Der sorteres grupper av grunnstoff etter kjemiske egenskaper, og andre karakteristikker som atomradius, elektronegativitet og så videre.

Kjemiske forbindelser

Vannmolekyl

Utdypende artikkel: Kjemiske forbindelser

En kjemisk forbindelse er et substans med et bestemt forhold av kjemiske grunnstoff, satt opp på en bestemt måte. Dette forholdet blir vanligvis uttrykt gjennom en kjemisk formel. Et eksempel på en kjemisk forbindelse er vann, som inneholder hydrogen og oksygen, i et forhold på 2 til 1. I et vannmolekyl befinner oksygenatomet seg mellom hydrogenatomene, med en vinkel på 104,45°. Kjemiske forbindelser blir dannet og oppløst gjennom kjemiske reaksjoner.

Substans

Utdypende artikkel: Kjemisk substans

Et kjemisk substans er et generelt begrep som blir brukt om rene grunnstoff, kjemiske forbindelser, og blandinger av disse. Det meste vi omgir oss med til daglig, er en eller annen type blanding, for eksempel luft, legeringer, organisk materiale osv.

Molekyler

Utdypende artikkel: Molekyl

Et molekyl er den minste enheten av en kjemisk forbindelse eller et grunnstoff som innehar dets egenskaper. Molekyler avviker fra andre kjemiske enheter ved at de kan eksistere som selvstendige elektrisk nøytrale enheter. Salter vil for eksempel ikke framstå som molekyler, men som mange kationer og anioner i krystallstruktur. Molekyler er typisk et sett med atomer bundet sammen gjennom valensbindinger, slik at de blir elektrisk nøytrale og alle elektronene er paret med andre elektroner enten i binding (med elektroner fra et annet atom i samme molekyl), eller med hverandre i frie elektronpar.

Saltkrystall av natriumklorid

Ioner og salter

Utdypende artikkel: Ion

Se også: Salt

Et ion er et ladd element, eller et atom eller molekyl som har mistet eller tatt opp et eller flere elektroner. Positivt ladde ioner kalles kationer, mens de negativt ladde kalles anioner. De positivt ladde kationene (for eksempel natrium-ionet Na⁺) og de negativt ladde ionene (for eksempel klorionet Cl^-) kan danne salter (i dette eksemplet natriumklorid NaCl).

Aggregattilstandene

Utdypende artikkel: Aggregattilstand

Se også: Allotropi

I tillegg til de spesifikke kjemiske egenskapene som skiller de forskjellige kjemiske forbindelsene, kan stoffene opptre i ulike aggregattilstander. Stort sett er de kjemiske egenskapene uavhengige av aggregattilstandene, men unntaksvis er det enkelte aggregattilstander som ikke er forenelige med visse kjemiske egenskaper. En aggregattilstand er en betegnelse for de egenskapene et stoff har innen struktur, form og hardhet, innenfor et sett med bestemte fysiske forhold som temperatur og trykk. Fysiske egenskaper, som densitet og brytningsindeks, er som regel innenfor verdier som er karakteristiske for aggregattilstanden. Aggregattilstanden for et kjemisk stoff blir bestemt av energimengden i stoffet. Når energi tilføres eller fjernes, så energimengden i stoffet går utenfor grensene til stoffets aggregattilstand, restruktureres atomstrukturen i stoffet. Hvis energimengden endres innenfor grensene for stoffets aggregattilstand, er det vanligvis bare en volumendring som skjer.

De tre mest kjente aggregattilstandene er fast form, flytende form og gass. Under bestemte trykk og temperaturer kan et stoff framstå i flere aggregattilstander samtidig. Det punkt hvor et kjemisk stoff er både i fast form, flytende form og i gassform samtidig, er kjent som et trippelpunkt, og siden trippelpunktet ikke er variabelt, men alltid det samme, er det en anvendelig måte å definere fysiske tilstander.

Mange stoffer kan framstå i flere tilstander, eller faser, innenfor en aggregattilstand. Disse fasene kalles allotropiske tilstander. Det er for eksempel tre tilstander av jern i fast form (alfa, gamma og delta), avhengig av temperatur og trykk, og karbon kan framstå både som grafitt og diamant i fast form. En forskjell innenfor ulike faser av stoffer i fast form kan skyldes krystallstrukturen, eller oppsettet, av atomene. Mindre kjente faser innbefatter plasmaer, Bose-Einstein-kondensat, fermionisk kondensat og de paramagnetiske og ferromagnetiske tilstandene av magnetisk materiale.

Elementære konsepter og teorier

Nomenklatur

Utdypende artikkel: IUPAC nomenklatur

Standard nomenklatur innen kjemi bestemmes av International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (på norsk: Internasjonalt forbund for ren og anvendt kjemi). Nomenklatur er et standardiseringssystem for navnsetting av kjemiske forbindelser. Det finnes i dag veldefinerte systemer for navnsetting av kjemiske enheter. Organiske forbindelser blir navnsatt i henhold til det organiske numenklatursystem, mens uorganiske forbindelser blir navnsatt i henhold til det uorganiske numenklatursystem. Nomenklatur er en avgjørende del av "språket" kjemikere imellom, og IUPACs system for kjemisk nomenklatur gjør det mulig for kjemikere å spesifisere med navn en bestemt kjemisk forbindelse ut av utallige mulige kjemikalier.

Kjemisk reaksjon

Utdypende artikkel: Kjemisk reaksjon

En kjemisk reaksjon er en prosess som resulterer i endringer i kjemiske stoffer. Slike reaksjoner kan resultere i at molekyler bindes sammen og danner større molekyler, at molekyler deles opp i to eller flere mindre molekyler, eller at atomene restruktureres innenfor eller på tvers av molekyler. Kjemiske reaksjoner resulterer som regel i at kjemiske bindinger dannes eller brytes. Om kjemiske stoffer som reagerer med oksygen for å danne nye kjemiske stoffer sier vi at de gjennomgår en oksidasjon; på lignende måte kan syrer og baser reagere med hverandre gjennom en prosess som kalles nøytralisering. Stoffer kan også bli brutt ned eller framstilt gjennom et utall forskjellige kjemiske prosesser.

Kjemiske lover

Utdypende artikkel: Kjemiske lover

Det mest grunnleggende prinsippet i kjemi er loven om massens konstans, som slår fast at det ikke er noen målbar forskjell på massemengden før og etter en kjemisk reaksjon. Moderne fysikk viser oss at energien blir lagret, og at det er en sammenheng mellom kjemi og masse. Forholdet mellom energi og masse er viktig innen kjernekjemi. Opplagring av energi leder oss til viktige prinsipper innen loven om kjemisk likevekt, termodynamikk og kinetikk.

Kjemiske bindinger

Utdypende artikkel: Kjemiske bindinger

En kjemisk binding er den flerpolede balansen mellom de positive ladningene i atomkjernene, og de negative ladningene som roterer rundt dem. Energien og den måten den fordeles på, er mere enn bare tiltrekning og frastøting. Den karakteriseres av tilgjengeligheten til elektroner, og de bindingene det gir til andre atomer. Disse ... som binder sammen atomer i molekyler og krystaller. I mange av de enklere kjemiske forbindelsene kan 'Valence Bond Theory', (VSEPR)-modellen og grunnstoffenes oksidasjonstall brukes for å forutsi molekylstruktur og sammensetning. På lignende måte kan lover fra klassisk fysikk benyttes for å forutsi ionestruktur i krystaller. I mere komplekse molekyler kan man ikke benytte 'Valence Bond Theory', så man benytter da prinsipper fra kvantekjemi.

Kvantekjemi

Utdypende artikkel: Kvantekjemi

Kvantekjemi beskriver matematisk massens framtreden på molekylnivå. I prinsippet er det mulig å beskrive alle kjemiske system på denne måten. I praksis er det bare de enkleste kjemiske systemene som blir undersøkt og beskrevet ved hjelp av kvantemekaniske termer, og da bare til utvalgte formål. En omfattende forståelse av kvantemekanikk er derfor overflødig innen det meste i kjemi, siden det som gjør teorien så omfattende og innviklet, kan bli forstått og anvendt med enklere termer.

Se også

Lister

• Liste over grunnstoffene etter nummer
• Det periodiske system, i stor utgave
• Samleside for kjemiske forbindelser
• Samleside for kjente kjemikere
• Tidslinje for kjemi

Beslektede emner

• Alkymi
• Biokjemi
• Organisk kjemi
• Uorganisk kjemi
• IUPAC
• Kjemisett

Litteratur

• Chang, Raymond (2008). General chemistry : the essential concepts (5 utg.). Boston. McGraw-Hill. ISBN 9780071102261. 
• Chang, Raymond; Goldsby, Kenneth A. (2014). General chemistry : the essential concepts (7 utg.). New York. McGraw-Hill. ISBN 9781259060427. 
• Mostad, Arvid (2011). Alt er kjemi. Oslo. Universitetsforlaget. ISBN 9788215018829. 
• Stockley, Corinne (2007). The Usborne illustrated dictionary of science. London. Usborne Publishing. ISBN 9781409535652. 

Eksterne lenker

• Utdanning.no sin yrkesbeskrivelse av kjemiker
• Utdanning.no sin yrkesbeskrivelse av kjemiingeniør
• International Union of Pure and Applied Chemistry IUPACs hjemmeside Arkivert 31. oktober 2007 hos Wayback Machine.
• IUPACs nomenklaturs hjemmeside, legg spesielt merke til "Gold Book", som inneholder mange gode definisjoner på vanlige uttrykk innen kjemi
• Norsk Kjemisk Selskaps hjemmeside
• Tidsskriftet Kjemis hjemmeside
• Hett og tett - multimedia fra forskning.no 27.10.04