Luomakunnan rakenneosat

SILMÄILEHÄN ympärillesi tämän maan päällä. Mitä voit nähdä? Kukkuloiden ja vuorten ylevä kauneus, kasvien ja puiden mieltäkiehtovat värit ja muodot sekä eläinten, lintujen ja hyönteisten ihastuttavat kyvyt vaikuttavat varmasti jokaiseen. Luomakunnan tavaton monimutkaisuus käy suorastaan yli ymmärryksen.

Ihmetteletkö koskaan, mistä tämä kaikki, mikä on niin kaunista ja kunnioitusta herättävää, tulee? Mitkä ovat luomakunnan rakenneosat? Millaisia nämä rakenneosat ovat koostumukseltaan, niin että ne voivat tuottaa kaiken sen moninaisen aineellisen, mitä meidän ympärillämme on? Me näemme ihmeellisten luomusten paljoutta katsellessamme näennäisesti kiinteää ainetta olevan maailman. Yllättyisitkö saadessasi kuulla, että tämä kaikki on rakennettu perusosista, jotka itsessään ovat 99,9-prosenttisesti olematonta eli tyhjää?

Tuhansia vuosia ihminen on yrittänyt paljastaa sen salaisuutta, mistä aine oikeastaan muodostuu. Eräs sanakirja määrittelee aineen ”siksi, mistä kaikki on tehty”. Mutta mistä se on tehty? Vasta tällä vuosisadalla, todellisuudessa viimeisten 30–40 vuoden aikana tiedemiehet ovat todella alkaneet ymmärtää aineen perusolemusta. Tutkijat sanovat nykyisin, että kaikki aineellinen, olkoonpa kysymyksessä kivet, kasvit, eläimet, joet tai mikä tahansa muu, mihin voimme tutustua elimistömme aisteja käyttäen, koostuu rakenneosista, jotka itse muodostuvat kolmesta perushiukkasesta.

Siitä, kuinka monta kutakin näitä kolmea perushiukkasta rakenneosassa on, riippuu jokaisen rakenneosan eli ”atomin” luonne ja ominaisuudet.a

Selvittäkäämme kuitenkin aluksi määritelmämme. ”Atomilla” tarkoitamme ”alkuaineen pienintä osasta”, ja ”alkuaine” on määritelty ”aineeksi, jota ei kemiallisilla menetelmillä voida jakaa yksinkertaisemmiksi aineiksi”. Jos voisimme esimerkiksi ottaa näytteen kullaksi tuntemaamme alkuainetta ja jakaa sen jatkuvasti pienempiin ja pienempiin osiin, lopulta olisi mahdotonta jakaa sitä pitemmälle sen kadottamatta alkuperäistä kemiallista luonnettaan. Tämä pienin osa on atomi. Mikä tahansa pitemmälle menevä jakaminen olisi atomin hajottamista edellä mainittuihin, protoneiksi, neutroneiksi ja elektroneiksi nimitettyihin osasiin.

Protonit ja neutronit ovat suunnilleen yhtä painavia, mutta ne eroavat toisistaan siinä suhteessa, että kun protonilla on positiivinen sähkövaraus, neutronilla ei ole lainkaan varausta, minkä vuoksi se on neutraali. Elektroneihin verrattuina protonit ja neutronit ovat valtavan suuria, sillä niiden massa on noin 2000 kertaa suurempi kuin elektronien. Pienen pienillä elektroneilla on negatiivinen sähkövaraus, ja koska niiden lukumäärä on aina sama kuin protonien, atomi on sähköisesti neutraali.

Nämä kolme alkeishiukkasta liittyvät toisiinsa kasvavin lukumäärin eri alkuaineiden atomien eli luomakunnan rakenneosien muodostamiseksi. Kuinka monta alkuainetta on olemassa? Kauan aikaa ajateltiin, että alkuaineita on vain neljä, nimittäin ilma, tuli, maa ja vesi, mutta kun tieto lisääntyi, tunnistettiin vähitellen erilaisia alkuaineita. Alkuaineiden luetteloissa esiintyy nykyisin yli sata alkuainetta, joista jotkut ovat ihmisen valmistamia, keinotekoisia ja pysymättömiä.

Mutta entä se 99,9 prosenttia tyhjää? Jos voisimme nähdä minkä tahansa ympärillämme olevan ihmeellisen aineen yhden yksityisen atomin, niin miltä se näyttäisi? Millainen sen rakenne olisi?

Atomin rakenne

Kaikilla atomeilla on protonien ja neutronien yhdistelmän muodostama ydin, jota ympäröivät rataansa kiertävät elektronit. Tästä on ainoa poikkeus yksinkertaisimman alkuaineen vedyn atomi, jolla on ytimenään vain yksi protoni sekä sitä kiertävällä radalla yksi ainoa elektroni.

Saamme täten mielikuvan eräänlaisesta pienoisaurinkokunnasta, jossa elektronit liikkuvat verrattain laajoilla radoilla pienen tiiviin ytimen ympärillä samaan tapaan kuin kiertotähdet liikkuvat radallaan auringon ympäri. Tämä mikroskooppinen planetaarinen järjestelmä on jokaisella alkuaineella erilainen ja toistuu kunkin alkuaineen jokaisessa atomissa. Mikä voima ja tarkkuus synnytti kaiken tämän? Tarkastelkaamme esimerkiksi alkuaine hiilen atomia, jota seuraava kaavio esittää:

Emme tietenkään voi nähdä yksityistä atomia, koska se on niin äärettömän pieni. Jokaisen tällaisen pikkuruisen ’planetaarisen järjestelmän’ halkaisija olisi vähemmän kuin miljoonasosa millimetriä! Ja keskellä oleva ydin eli ’aurinko’ on läpimitaltaan ainoastaan noin yksi sadastuhannesosa koko atomin halkaisijasta!

Koska atomin elektronien lukumäärä tarkasteltavan alkuaineen mukaan voi vaihdella yhdestä yli sataan, niin eikö olekin kunnioitusta herättävää harkita jokaisen atomin uskomattoman pieneen tilaan sisällytettyä suurenmoisen mutkikasta järjestelmää?

On mieltä kiehtovaa todeta, että kaikki aineellinen, mikä on näennäisesti tiivistä, vihreästä ruohosta lehmän häntään ja vuoriin saakka, on tehty miljoonista ja taas miljoonista tällaisista pienen pienistä atomeista, joista jokainen itsessään on valtaosaltaan ytimen ja sitä kiertävien elektronien välistä tyhjyyttä ja autiutta. Niin, atomi on enimmäkseen tyhjää tilaa. Life Science Library -kirjasarjan osa Matter [Aine] sanookin: ”Jos jokainen atomi kutistuisi palloksi, joka ei olisi sen omaa ydintä suurempi, niin Washingtonin muistomerkin [korkeus 169 m] koko massa voitaisiin sulloa lyijykynän päässä olevaa kumia pienempään tilaan.”

Jokaisen atomin elektronit kiertävät radoillaan, joita nimitetään ”elektronikuoriksi”, ja jokaisella ”kuorella” on oma etäisyytensä ytimestä. Kun atomeista tulee mutkikkaampia perushiukkasten lisääntyessä, lisääntynyt määrä elektroneja kiertää näillä ”kuorilla”.

Esimerkiksi hiiliatomia esittävässä kuvassa on kaksi elektronia sen sisemmällä kuorella ja neljä seuraavalla kuorella. Alumiiniatomissa on kaksi elektronia sen ensimmäisellä kuorella, kahdeksan seuraavalla ja kolme uloimmalla kuorella. Toisin sanoen elektronit eivät ole epäjärjestyksessä, vaan tässä kaikessa vallitsee pikemminkin hyvin säntillinen järjestys.

Koska olemme kiinnostuneet siitä, miten nämä rakenneosat on koottu kaiken sen suurenmoisen muodostamiseksi, mikä meitä niin suuresti ilahduttaa, niin me olemme erityisesti kiinnostuneet näistä pikkuruisista hiukkasista, elektroneista. Kuinka niin? Koska näiden elektronien järjestely radoilleen määrää jokaisen atomin yhtymiskyvyt. Tätä yhtymiskykyä nimitetään ”valenssiksi”.

Yhtyminen vastaanottamalla elektroneja

Atomitutkimuksen edistyessä havaittiin, että mikä tahansa alkuaine, jonka valenssikuorella oli täysi määrä (tavallisesti kahdeksan) elektroneja, oli erittäin pysyvä, ts. se ei helposti yhtynyt toisiin atomeihin. Nämä pysyvät eli tehottomat alkuaineet tunnetaan jalokaasuina, ja ne ovat helium, neon, argon, krypton, ksenon ja radon.

Kaikkien alkuaineiden elektronikuorien kuva rakentui vähitellen. Atomien havaittiin pyrkivän muodostamaan pysyvän ulkoisen elektronikuoren. Valenssiteoria selittää tämän osoittamalla, miten atomit tekevät tämän joko vastaanottamalla tai luovuttamalla elektroneja tai pitämällä niitä yhteisinä toisten atomien kanssa. Alkuaine, jolla on ulkokuorellaan seitsemän elektronia, esimerkiksi kloori, ottaa elektronin alkuaineelta, jolla on ulkokuorellaan yksi elektroni, esimerkiksi natriumilta. Katso seuraavaa kaaviota nähdäksesi, miten se tapahtuisi:

Pehmeä, hopeanvalkoinen metalli natrium, joka keksittiin vuonna 1807, on hyvin aktiivinen alkuaine, joka reagoi kiivaasti veden kanssa. Sillä on yhteensä 11 elektronia; sen elektronikuorilla on elektroneja järjestyksessä kaksi, kahdeksan ja yksi. Vuonna 1774 keksitty kloori on vihertävänkeltainen kaasu. Sitä on käytetty valkaisu- ja desinfiointiaineena ja myrkkykaasunakin. Klooriatomilla on 17 elektronia, sen elektronikuorilla on järjestyksessä kaksi, kahdeksan ja seitsemän elektronia. Kaaviossa näkyy ainoastaan uloin elektronikuori ja siinä kuvataan, kuinka nämä rakenneosat yhtyvät ja mikä on tuloksena tästä yhtymisestä.

Klooriatomi ottaa natriumatomilta yhden elektronin ja tulee tämän ylimääräisen elektronin lisäämisen johdosta negatiivisesti varautuneeksi, kun natriumatomi sitä vastoin tulee positiivisesti varautuneeksi. Nämä nyt ”ioneiksi” nimitetyt varautuneet atomit vetävät toisiaan puoleensa vastakkaisten varaustensa vuoksi, ja ne takertuvat toisiinsa ja muodostavat yhdisteen, joka tunnetaan natriumkloridina eli ruokasuolana.

Kahdesta näennäisesti erilaisesta rakenneosasta, joilla on omat tunnusomaiset piirteensä, saadaan elämälle niin ensiarvoisen tärkeää ruokasuolaa. Tämä vain yhden elektronin uudelleen ”paikoittaminen” muodostaa täysin uuden aineen! Tämänkaltaista yhtymistä nimitetään elektrovalenttiseksi sidokseksi.

Yhtyminen yhteisten elektronien välityksellä

Erästä toisenlaista yhtymistä nimitetään kovalenttiseksi sidokseksi. Tällaisessa sidoksessa eri atomit pitävät yhteisiä elektroneja muodostaakseen tarvittavat pysyvät uloimmat elektronikuoret. Tästä on esimerkkinä kahden hiiliatomin, kuuden vetyatomin ja yhden happiatomin yhtyminen, jotta muodostuisi molekyyli etyylialkoholia, joka on monien juomien päihdyttävänä aineosana. Jokaisen yhteisen elektroniparin kovalenttiset sidokset on seuraavassa rakennekaavassa osoitettu viivalla:

Pitämällä täten yhteisiä elektronipareja hiiliatomit ja happiatomi saavat pysyvän kahdeksan elektronin uloimman elektronikuoren, kun vetyatomit taas saavat kaksi elektronia sisältävän uloimman elektronikuoren.

Monimutkaisempi vuorovaikutus

Eri atomien välinen vuorovaikutus ja vetovoima tulevat tietysti paljon mutkikkaammiksi, kun syntyy paljon monimutkaisempia molekyylejä, jotka muodostavat hiiltä molekyyleissään sisältäviä orgaanisia yhdisteitä. Esimerkki yhdestä näistä orgaanisista aineista sopii valaisemaan tätä. Alla oleva rakennekaava esittää hämmästyttävän lehtivihreäksi eli klorofylliksi nimitetyn aineen molekyyliä:

Ajattelehan tätä: tässä 72 vetyatomia, 55 hiiliatomia, 5 happiatomia, 4 typpiatomia ja 1 magnesiumatomi, joista jotkin ovat jo yhtyneet ikään kuin ennalta kootuiksi yksiköiksi, on rakennettu yhdeksi molekyyliksi lehtivihreää, joka on kasvillisuuden tärkeimpiä väriaineita. Tämä on aine, jonka ansiota on maaseudun vihreys ja joka antaa kasveille ihmeellisen kyvyn muuntaa auringon säteilyenergiaa kemialliseksi energiaksi kasvien käytettäväksi.

Voitko kuvitella elektronien välisen uskomattoman vuorovaikutuksen niiden kieppuessa radoillaan eri atomien yhdistämiseksi, jotta muodostuisi vain yksi molekyyli lehtivihreää? Kun ottaa huomioon, että tarvittaisiin miljoonia ja taas miljoonia sellaisia molekyylejä tämän virkkeen lopussa olevan pisteen peittämiseksi, ihailu sellaisen järjestelyn Suunnittelijaa kohtaan voi vain kasvaa ja syvetä.

Tiedemiehet ovat vasta alkaneet selvittää sitä koskevia tosiasioita, miten ja miksi eri rakenneosat yhtyvät, mutta he tietävät varmasti, että näitä yhtymisiä hallitsevat pysyvät ja järjestykselliset lait. He tuntevat kunnioittavaa pelkoa sitä käsittämättömän monisyistä tapaa kohtaan, jolla nämä suunnattoman monimutkaiset kaikenmuotoisen elämän elävät solut rakentavat näistä itsessään mutkikkaista aineista maan elollisen runsauden.

Tämä rakentuminen huomaamattoman pienistä atomeista luomakunnan koko suurenmoiseksi työsaavutukseksi on esitetty seuraavassa kaaviossa:

Silmäile ympärillesi ja harkitse sitä viisautta ja älyä, joka on mestarillisesti aivoitellut kaikkien tuntemiemme aineellisten kappaleiden tuottamisen pikkuruisimmasta siemenestä rajattomaan kaikkeuteen – ja kaiken tämän rakenneosista, jotka itsessään ovat 99,9-prosenttisesti tyhjää.

[Alaviitteet]

[Kaavio s. 18]

(Ks. painettu julkaisu)

Hiiliatomissa on 6 protonin ja 6 neutronin muodostama ydin ja 6 elektronia, joista kaksi on sisemmällä kuorella ja neljä ulommalla

[Kaavio s. 19]

(Ks. painettu julkaisu)

Natrium- ja klooriatomien yhtyminen

Natrium Kloori + –

Atomit (vain uloimmat Ionit, jotka muodostavat

elektronikuoret näkyvissä) natriumkloridin

[Kaavio s. 19]

(Ks. painettu julkaisu)

Etyylialkoholimolekyyli

C = hiiliatomi

H = vetyatomi

O = happiatomi

[Kaavio s. 20]

(Ks. painettu julkaisu)

Klorofylli a:n molekyyli

H = vetyatomi (72)

C = hiiliatomi (55)

O = happiatomi (5)

N = typpiatomi (4)

Mg = magnesiumatomi (1)

[Kaavio s. 20]

(Ks. painettu julkaisu)

Kolme perushiukkasta

protonit

neutronit

elektronit

Atomit Yhdisteet Kaikki aine