Yleinen kemia/Atomi

Atomi on alkuaineen perusyksikkö. Sana tulee alun perin kreikan sanasta atomos tarkoittaen jakamatonta. Ensimmäisenä nimen atomos otti käyttöön Leukippos (~450 eaa) tarkoittamaan aineen pienintä, jakamatonta osaa. Myös toinen aikalainen Demokritos (460-370 eaa) ehdotti, että kaikki koostuu atomeista ja tyhjyydestä. Koska atomeissa ei ole tyhjyyttä, ne ovat jakamattomia, sillä ainoastaan tyhjyys voi erottaa kappaleet toisistaan. Atomit eivät kuitenkaan ole nykytiedon mukaan jakamattomia vaan koostuvat pienemmistä alkeishiukkasista.

Suurin osa atomista on tyhjää. Atomin keskellä on pieni positiivinen ydin, joka muodostuu nukleoneista: positiivisesti varautuneista protoneista (p+) ja varauksettomista neutroneista (n0). Ytimen hiukkasten lukumäärä on atomin massaluku.

Ytimen ympärillä on negatiivisesti varautuneista elektroneista koostuva elektroniverho. Perustilassaan atomit ovat sähköisesti neutraaleja, jolloin protoneja ja elektroneja on yhtä paljon. Atomit luokitellaan tavallisesti järjestysluvun mukaan, joka vastaa protonien lukumäärää. Eri alkuaineet löytyvät jaksollisesta järjestelmästä. Saman alkuaineen atomeja, joiden järjestysluku on sama mutta joilla on erilainen massaluku, kutsutaan isotoopeiksi. Isotooppien kemialliset ominaisuudet ovat samanlaisia, mutta ne voivat erota toisistaan esimerkiksi radioaktiivisuutensa puolesta.

Atomin ydin määrittää mistä alkuaineesta ja sen isotoopista on kyse. Elektroniverho puolestaan on atomin kemiallisesti reagoiva osa. Elektroniverholla on oma rakenteensa joka yhdessä ydinvarauksen kanssa määrittää minkälaisia reaktioita kyseiselle atomille voi tapahtua. Elektroniverhossa ovat mahdollisia vain tietyt muutokset, jotka määräytyvät elektronien energiatilan mukaan.

Yksinkertaisin atomi on vetyatomi, jonka järjestysluku on 1 ja jossa on yksi protoni ja yksi elektroni. Vetyioni on yhtä kuin protoni.

Ioneja muodostuu, kun atomi tai kemiallinen yhdiste luovuttaa tai ottaa vastaan yhden tai useamman elektronin. Ioni on varauksellinen hiukkanen.

Protoni

Protoni on alkeishiukkanen, jolla on positiivinen 1,602 × 10^-19 coulombin sähkövaraus. Sen massa on 938 MeV (1.6726231 × 10^-27 kg, mikä on noin 1836 kertaa elektronia suurempi). Protoni on havaintojen mukaan hyvin stabiili, sen puoliintumisaika on vähintään 10³² vuotta. Atomien ytimet muodostuvat protoneista ja varauksettomista neutroneista. Vetyioni on protoni, sillä normaali vetyatomi H (eli ei deuterium tai tritium) pääsee oktettiin luovuttamalla ainoan elektroninsa pois.

Neutroni

Neutroni on sähkövaraukseton alkeishiukkanen, jonka massa on 940 MeV. Useimpien atomien ydin muodostuu protoneista ja neutroneista. Neutronien määrä vaikuttaa atomin massaan ja stabiilisuuteen. Neutronit ovat ytimen ulkopuolella epävakaita, jolloin niiden puoliintumisaika on noin 15 minuuttia. Hajoamistuotteena syntyy elektroni ja antineutriino. Neutroni on eräs baryoneista, ja muodostuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista.

Elektroni

Elektronin massa on 9,10938188*10^-31kg

Alkuaine

Alkuaine määritellään aineeksi, jota ei kemiallisessa prosessissa voida jakaa tai muuttaa toiseksi aineeksi. Virallisesti varmennettuja alkuaineita tunnetaan nykyään 112 erilaista.

Alkuaineet koostuvat atomeista, joiden ytimissä on yhtä monta protonia ja joita kiertää yhtäläinen määrä elektroneja. Protonien määrä kertoo atomin järjestysluvun eli niin kutsutun atomiluvun. Saman alkuaineen atomeilla on siten sama järjestysluku. Maankuoren atomien määrästä arvioidaan olevan happiatomeja n.60 %, joten massan perusteella se on maapallolla yleisin alkuaine.

Massaluku on atomin ytimessä olevien nukleonien lukumäärä eli protonien ja neutronien lukumäärien summa. Massaluku ilmoitetaan alkuaineen nimen jälkeen tai merkitään yläindeksillä kemiallisen merkin vasemmalle puolelle. Esimerkiksi hiili-12:ssa (12C) on 6 protonia ja 6 neutronia.

Järjestysluku Kemiassa ja fysiikassa järjestysluku (Z) on atomin ytimessä olevien protonien lukumäärä. Esimerkiksi hiilen järjestysluku on kuusi (Z = 6), koska hiiliatomin ytimessä on kuusi protonia. Jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet on järjestetty kasvavan järjestysluvun mukaisesti.

Isotooppi

Alkuaineita joiden atomeissa on sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja sanotaan kyseisen alkuaineen isotoopeiksi. Alkuaineilla on yleensä vain hyvin pieni määrä vakaita isotooppeja eikä lyijyä raskaammilla aineilla ole yhtäkään. Liian raskas tai kevyt isotooppi hajoaa radioaktiivisesti. Nimitys isotooppi on laina "samanpaikkaista" tarkoittavasta kreikankielisestä sanasta ja viittaa siihen, että saman alkuaineen isotoopit ovat alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä samassa paikassa.

Kaikilla alkuaineilla on useampia isotooppeja. Hyvä esimerkki on kloori, joka esiintyy luonnostaan seoksena, jossa noin 3/4 atomeista on atomimassaltaan 35 ja 1/4 on massaa 37. Keskimääräinen atomimassa on siis 35,5 g/mol. Alkuaineilla on yleensä vain hyvin pieni määrä vakaita isotooppeja eikä lyijyä raskaammilla aineilla ole yhtäkään. Liian raskas tai kevyt isotooppi hajoaa radioaktiivisesti. Ns. isotooppisäteilylähteet sisältävät jotain vakaaksi liian raskasta isotooppia alkuaineesta, jonka luonnossa esiintyvät isotoopit ovat vakaita. Esimerkiksi koboltin luonnolliset isotoopit ovat vakaita aineita, mutta sen epävakaita isotooppeja käytetään sädehoidossa.

Yhdiste

Vain harvat alkuaineet esiintyvät luonnossa vapaina aineina vaan yleensä ne ovat erilaisina yhdisteinä. Yhdisteet ovat kahdesta tai useammasta alkuaineesta koostuva aine, jolla on tietty koostumus. Esimerkiksi vesi on yhdiste, jossa on vetyatomeja kaksi kertaa niin paljon kuin happiatomeja.