Grundläggande om kemi

Oavsett om det handlar om vardagskemi där ämnen används som finns i de flesta hem eller om det är kärnkemi på ett kärnkraftverk så handlar kemi om samma sak. Att studera och förstå de allra minsta beståndsdelarna och hur dessa kan förändras av olika faktorer. Kemi kan därmed sägas handla om följande inriktningar:

Grundläggande kemi 2Sammansättning

Alla ämnen är uppbyggda av olika grundämnen som i sin tur är uppbyggda av de allra minsta beståndsdelarna så som atomer, molekyler, elektroner, protoner m.m. Inom kemin studerar man dessa minsta beståndsdelar och dess egenskaper. Det är exempelvis genom sammansättning av atomer som man kan förklara varför stål är betydligt mycket hårdare än järn. I detta fall beror det på att stålets atomer har en kristallstruktur som är betydligt mer stabil än vad det är hos järn. Detta samtidigt som atomerna är hopbundna på ett starkare sätt.

Interaktioner

När vissa kemiska ämnen kommer i kontakt med andra skapas en kemisk reaktion. Förändringar kan ske både till liten och större skala. Inom kemin studerar man dessa förändringar, orsaker till dessa och resultatet som blir till följd av interaktionen. Detta för att sedan kunna applicera det i annan forskning samt utveckling av olika material och ämnen.

Reaktioner

Förändringar i struktur kan även ske genom att ämnet påverkas av exempelvis tryck eller värme. För vissa ämnen resulterar det i att ämnet exempelvis byter aggregationstillstånd. Här kan nämnas vatten som med värme blir gas.

Kemins historia

Rent teoretiskt har forskning kring olika kemiska beståndsdelar och kemiska reaktioner genomförts långt bak i tiden. Målet har alltid varit att skapa nya förutsättningar med ny kunskap om olika material. Men trots detta brukar man säga att kemins historia börjar 1783. Det var då som Antoine Lavoisier lyckades fastställa ”lagen om massans bevarande”. En milstolpe och något som sedan kunde ligga till grund för framtida forskning inom området. I slutet av 1700-talet upptäcktes även en rad nya metaller utöver de sju som länge varit kända.

Under delar av 1700-talet och framförallt på 1800-talet fördes en diskussion hos kemister kring vad som skulle specificeras som organiska ämnen och vilka som skulle vara oorganiska. Från början var grundtanken att organiska ämnen enbart kunde komma från levande materia. Men när Friedrich Wöhler (av misstag) motbevisade detta öppnades en ny tankebana. Detta resulterade i att man under slutet av 1800-talet skapade ett flertal olika organiska föreningar.

Det var även nu som det periodiska systemet utvecklades även om det då bestod avbetydligt färre ämnen än vad det idag består av.

En av de stora förändringarna på 1900-talet var att man började allt mer se kopplingar mellan kemi och fysik. Två ämnen som till dess varit helt frånskilda. Förändringarna kom i mitten av 1800-talet men blommade ut främst under 1900-talet. I mitten av 1900-talet var dessa två ämnen nästan helt förenade då strukturer och förändringar i kemiska processer många gånger både har kemiska och fysiska förklaringar.

Atomer och molekyler

Atom var länge den minsta delen som man ansåg att ett grundämne bestod av. Det är även atomerna som påverkar ämnets olika kemiska egenskaper. Ordet kommer från det grekiska ordet atomos vilket översatt till svenska blir ”odelbar”. Orsaken var att man länge trodde att atomen var den minsta beståndsdelen och därmed odelbar. Idag vet man däremot att en atom är uppbyggd i olika strukturer och därmed har mindre beståndsdelar.

Atomer är uppbyggda av protoner, neutroner samt elektroner. De två första beståndsdelarna finns inne i kärnan av atomen och namnges som nukleoner. Det är här som den absolut största delen av atomens massa befinner sig. Dessa två beståndsdelar har nämligen bägge ca 1800 gånger större massa och tyngd än elektronerna.

Elektronerna hittas i ett elektronmoln som finns runt atomkärnan.

Molekyler är en grupp av atomer som sitter ihop. Det är då minst två atomer och atomerna sitter alltid i ett strukturerat arrangemang samt är bundna till varandra genom kovalenta bindningar. Det finns molekyler som består av tusentals atomer vilka då kallas för makromolekyler. Exempel på dessa är proteiner och naturliga polymerer.

De tre aggregationstillstånden

Inom kemin talar man om aggregationstillstånd eller aggregationsform.Det handlar förenklat om vilka olika former ett ämne kan vara i beroende om man påverkar det med exempelvis värme eller tryck. Ett enkelt exempel är vatten som blir till ånga när det är varmt, is (fast form) vid kyla och är flytande i sin ursprungliga form.

De tre aggregationstillstånden är just de ovan nämnda formerna, gas, fast och flytande form.

Utöver dessa tre grundtillstånd finns även ytterligare former. Men då dessa uppstår betydligt mindre sällan talar man oftast just om ”de tre aggregationstillstånden”. Utöver dessa tre finns plasma som kan uppstå vid höga temperaturer samt degenererad materia som i vissa situationer kan uppstå om materian utsätts för extremt tryck. Utöver det finns även Bose-Einstein-kondensat. Tillståndet nås för vissa ämnen när de utsätts för extremt låg temperatur. Det kan resultera i interferensmönster eller diffraktionsmönster vilket till viss del kan jämföras med olika slags laserljus.

För att visa hur ett ämne förekommer markeras detta efter den kemiska beteckningen. För att markera att det är flytande (liquid), fast (solid) eller gas (gas) markeras detta efter beteckningen i en parantes. Med vatten kan det därmed vara H2O(l), H2O(s) och H2O(g)

I vissa fall blandas aggregationstillstånd ihop med ämnens olika faser. I vissa fall kan det vara samma sak men inte alltid. Ett exempel är diamant samt grafit. Bägge dessa ämnen är faser hos grundämnet kol. Men de är bägge i fast form trots att det är olika faser.

Periodiska systemet

Periodiska systemet är en uppställning av samtliga grundämnen utifrån både dess kemiska egenskaper samt fysiska egenskaper. Det som exempelvis skiljer ämnena åt är hur många protoner som finns i atomkärnan samt hur elektronkonfiguration är uppbyggd i de elektronskal som är bland de yttre på atomen.  Redan 1869 byggdes det första periodiska systemet upp men genom att man upptäckt en rad olika grundämnen sedan dess har systemet reviderats rejält med åren.

Det periodiska systemet är systematiserat på flera olika sätt. Det nummer som varje grundämne har (ex väte har 1 och helium 2) talar om hur många protoner som finns i atomens kärna.  Alla står även i kolumner som består av olika grupper. De ämnen som finns i en grupp har liknande egenskaper.

Varje ämne har även en förkortning (ex Litium förkortas Li och Magnesium Mg) och en färg. Färgen talar om grundämnets ämnesklass. Det kan då vara metaller, halvmetaller eller icke-metaller. Även inom dessa färger finns färgskiftningar. Inom metaller finns exempelvis Alkalisk jordartsmetall och Övergångsmetall.

Genom att alla grundämnen är uppdelade på ett flertal olika sätt i det periodiska systemet kan man därmed snabbt se vad för slags ämne det är, vilka andra ämnen som har liknande egenskaper, vad det är för slags metall m.m.Periodiska systemet

Kemiska reaktioner

Med en kemisk reaktion menas en process som gör att ett kemiskt ämne förändras till något annat ämne. Man brukar skilja på spontana och icke-spontana kemiska reaktioner.

Spontan kemisk reaktion kan ske utan att energi tillsätts. Därmed kan reaktionen skapas bara genom att exempelvis två kemiska substanser kommer i kontakt med varandra. För att en icke-spontan kemisk reaktion ska uppstå behövs däremot tillförsel av energi. Detta kan då exempelvis ske genom elektricitet, värme, ljus m.m.

Det som sker i en kemisk reaktion är att elektronerna omfördelas, att elementarpartiklar omvandlas samt att reaktioner kan ske i atomkärnan. Denna förändring går alltid att illustreras med en så kallad reaktionsformel. Denna förklarar vilka ämnen som var med i reaktionen och vad resultatet blev. Detta likt en matematisk formel som visar att 3+4=7. Även om formlerna kan vara betydligt mer avancerade än så.

Förändringarna sker även stegvis vilket kallas för denna reaktions reaktionsmekanism.