Skapelsens byggstenar

SE DIG omkring på jorden. Vad ser du? Ingen kan undgå att bli hänförd över bergens och kullarnas storslagna skönhet, örternas och trädens fascinerande färg och form och djurens, fåglarnas och insekternas förtjusande egenskaper. Skapelsens invecklade beskaffenhet slår oss verkligen med häpnad.

Undrar du någonsin vad som är källan till all denna ymnighet av vackra och häpnadsväckande skapelser? Vilka är skapelsens byggstenar? Hur sätts dessa byggstenar samman för att frambringa de oräkneliga materiella ting vi har omkring oss? När vi betraktar denna mångfald av underbara skaparverk ser vi en skenbart massiv värld. Skulle du bli förvånad över att få veta att allt detta är uppbyggt av grundläggande byggstenar, som själva består av 99,9 procent ingenting eller tomrum?

I tusentals år har människan försökt avslöja hemligheten med vad materien egentligen består av. Ordböcker definierar materia som ”det som allting består av”. Men vad består materien av? Inte förrän under detta århundrade, ja, inte ens förrän under de senaste trettio eller fyrtio åren, har vetenskapsmännen verkligen börjat förstå de materiella tingens egentliga väsen. Nu säger oss forskarna att alla materiella ting, vare sig det är stenar, växter, djur, floder eller något annat som vi kan göra oss förtrogna med genom att använda våra sinnesorgan, består av byggstenar som själva är uppbyggda av tre olika huvudpartiklar.

Beroende på hur många av dessa tre olika huvudpartiklar som de olika byggstenarna eller ”atomerna” består av får de olika egenskaper och förmågor.a

Men låt oss först reda ut begreppen ordentligt. Med ”atom” menar vi ”den minsta beståndsdelen av ett grundämne”, och ett ”grundämne” har definierats som ”ett ämne, som inte med kemiska medel kan sönderdelas till enklare ämnen”. Om vi till exempel skulle ta ett stycke av det grundämne vi kallar guld och hela tiden dela det i mindre och mindre bitar, skulle det till slut bli omöjligt att dela det ytterligare utan att det förlorade sin ursprungliga kemiska identitet. Denna minsta beståndsdel är atomen. Ytterligare delning av atomen skulle splittra den i de förut nämnda delarna, som kallas protoner, neutroner och elektroner.

Protonen och neutronen har ungefär samma vikt, men skillnaden ligger i att protonen har en positiv elektrisk elementarladdning, medan neutronen inte har någon laddning och således är neutral. Relativt sett är protonen och neutronen ofantligt stora, om man jämför dem med elektronen, eftersom deras massa är omkring 2.000 gånger större än elektronens. De små elektronerna har en negativ elektrisk elementarladdning, och eftersom de alltid förekommer i samma antal som protonerna, är atomen som helhet elektriskt neutral.

Dessa tre huvudpartiklar sätts samman i ökande antal och bildar de olika grundämnenas atomer, eller med andra ord skapelsens byggstenar. Hur många grundämnen finns det? Under lång tid trodde man att det bara fanns fyra element; nämligen luft, eld, jord och vatten, men allteftersom kunskapen skred framåt upptäckte man så småningom andra element, som kom att kallas grundämnen. Nu upptar denna lista mer än hundra olika grundämnen, av vilka några framställts på konstgjord väg och är instabila.

Men hur är det då med dessa 99,9 procent tomrum? Om vi kunde se en enskild atom i ett av de underbara ting som omger oss, hur skulle den då se ut? Vilken struktur skulle den ha?

Atomens uppbyggnad

Alla atomer har i mitten en kärna, som består av protoner och neutroner och omges av kretsande elektroner. Det enda undantaget från detta är det enklaste grundämnets atom, väteatomen, som bara har en ensam proton som kärna och en ensam elektron som kretsar kring denna kärna.

Vi kan alltså föreställa oss atomen som ett slags solsystem i miniatyr, med elektronerna i jämförelsevis vidsträckta banor runt den lilla, kompakta kärnan, på i stort samma sätt som planeterna kretsar kring solen. Detta mikroskopiska planetsystem är olika hos vart och ett av de olika grundämnena och har samma utseende i alla atomerna hos ett speciellt grundämne. Vilken kraft och precision är det som ligger bakom allt detta? Ta som exempel en atom av grundämnet kol, som visas i följande schematiska figur:

Vi kan naturligtvis inte se en enskild atom, eftersom en atom är så oerhört liten. Vart och ett av dessa ”planetsystem” i miniatyr mäter inte mer än tjugo milliarddelar av en centimeter i diameter! Och den centrala kärnans eller ”solens” diameter är bara omkring en hundratusendel av hela atomens diameter!

Eftersom antalet elektroner i atomen kan variera från en till över hundra, beroende på vilket grundämne det gäller, är det verkligen häpnadsväckande att tänka på den underbart invecklade struktur man finner inom det otroligt lilla utrymme som en atom upptar.

Det är fascinerande att tänka sig att alla de materiella tingen, alla de skenbart massiva tingen — det gröna gräset, kons svans, de blånande bergen — alltsammans består av milliontals millioner av dessa små atomer, vilka var och en till övervägande del består av tomrum mellan den centrala kärnan och de kretsande elektronerna. Ja, en atom är till största delen tomrum. Sålunda sägs det i Life Science Library, bandet om Materien: ”Om varje atom trycktes ihop till ett klot, som inte var större än dess egen kärna, skulle allt materialet i Washingtonmonumentet [som är 167 meter högt] kunna trängas ihop till en volym som är mindre än radergummit på en penna.”

Elektronerna i varje atom kretsar i vad som kallas ”elektronskal”. Varje ”skal” representerar ett bestämt avstånd från kärnan. Allteftersom atomerna blir mer och mer sammansatta genom att fler av de tre huvudpartiklarna läggs till, kommer elektronerna att kretsa i olika ”skal” utanpå varandra.

Illustrationen av kolatomen avbildar den till exempel med två elektroner i det innersta skalet och fyra i nästa skal. En aluminiumatom har två elektroner i det första skalet, åtta i nästa skal och tre i det yttersta skalet. Atomen kännetecknas alltså inte av någon obehärskad svärm av elektroner, som saknar ett bestämt mönster, utan i stället av en mycket noggrann anordning.

Eftersom vi är intresserade av hur dessa byggstenar sätts samman för att frambringa alla de underbara ting som tjusar oss så mycket, måste vi särskilt intressera oss för dessa små partiklar som kallas elektroner. Varför det? Därför att det är anordningen av dessa elektroner i deras banor som bestämmer varje atoms bindningsegenskaper. Denna bindningsförmåga kallas atomens ”valens”.

Bindning genom lånade elektroner

Allteftersom atomforskningen fortskred fann man att alla grundämnen med fullständigt antal elektroner (vanligen åtta) i yttersta elektronskalet var oerhört stabila, dvs. de förenade sig inte gärna med andra atomer. Dessa stabila eller inerta grundämnen utgörs av ädelgaserna — helium, neon, argon, krypton, xenon och radon.

Så småningom kunde man göra sig en bild av alla de olika grundämnenas elektronskal. Man fann att atomerna försökte skaffa sig ett stabilt yttre elektronskal. Valensteorin ger en förklaring när den visar hur atomerna åstadkommer detta genom att låna och låna ut elektroner eller genom att dela elektroner med andra atomer. Ett grundämne som har sju elektroner i yttersta skalet, till exempel klor, lånar en elektron från ett grundämne som har endast en elektron i yttersta skalet, till exempel natrium. Betrakta följande diagram för att se hur detta fungerar:

Natrium, en mjuk, silvervit metall, som upptäcktes år 1807, är ett mycket reaktivt grundämne, som reagerar våldsamt med vatten. Det har sammanlagt elva elektroner. Antalet elektroner i de olika skalen är två, åtta respektive en. Klor, som upptäcktes år 1774, är en gröngul gas. Det har använts som blekmedel, som desinfektionsmedel men också som stridsgas. Kloratomen har sjutton elektroner. Skalen innehåller två, åtta respektive sju elektroner. Diagrammet visar bara det yttersta elektronskalet och åskådliggör hur dessa byggstenar förenas och vad som blir resultatet av denna förening.

Kloratomen lånar en elektron från natriumatomen och blir negativt laddad genom att den får en extra elektron, medan natriumatomen å andra sidan blir positivt laddad. Dessa laddade atomer, som kallas ”joner”, dras till varandra på grund av den motsatta laddningen, och när de fogas samman bildas den förening som kallas natriumklorid eller vanligt koksalt.

Av dessa båda mycket olika byggstenar, som var och en har sina karakteristiska egenskaper, får vi vanligt koksalt, som är så nödvändigt för livet. Denna omflyttning av en enda elektron åstadkommer ett helt nytt ämne! En sådan förening hålls samman med en så kallad elektrovalent bindning.

Bindning genom gemensamma elektroner

Ett annat slags bindning kallas kovalent bindning. Vid detta slags bindning samsas de olika atomerna om elektronerna för att få de stabila yttre elektronskal som krävs. Ett exempel på detta är när två kolatomer, sex väteatomer och en syreatom förenar sig till en molekyl etylalkohol, den berusande ingrediensen i många rusdrycker. De kovalenta bindningarna för varje gemensamt elektronpar visas med ett streck i strukturformeln i följande diagram:

Genom att på detta sätt dela elektronpar får kolatomerna och syreatomen stabila yttre skal med åtta elektroner, medan väteatomerna får stabila yttre elektronskal med två elektroner.

Mera komplex växelverkan

Växelverkan och attraktionskraften mellan de olika atomerna blir naturligtvis mycket mer komplicerade vid uppbyggnaden av de långt mer komplexa molekyler som finns bland de organiska föreningarna, dvs. de föreningar som har kol i molekylen. Ett exempel på en sådan komplicerad organisk förening kan belysa detta. Följande diagram visar strukturformeln för en molekyl av det förunderliga ämne som kallas klorofyll:

Tänk bara! Här finns 72 atomer väte, 55 atomer kol, 5 atomer syre, 4 atomer kväve och 1 atom magnesium, av vilka några redan förenats till färdigmonterade enheter, så att säga, varefter alltsammans sätts ihop till en molekyl klorofyll, ett av de viktigaste färgämnena i växtriket. Det är detta ämne som ger upphov åt landskapets grönska och ger växterna den underbara förmågan att förvandla solens strålningsenergi till kemisk energi, som växterna kan göra bruk av.

Kan du föreställa dig den otroliga växelverkan mellan elektronerna när de virvlar fram i sina banor för att binda samman de olika atomerna, så att en molekyl klorofyll kan existera? När man tänker på att det skulle krävas milliontals millioner sådana molekyler för att täcka punkten i slutet av denna mening, kommer den beundran man känner inför upphovsmannen till detta byggnadsverk oundvikligen att tillväxa och fördjupas.

Vetenskapsmännen har bara börjat lyfta på slöjan till det som finns att lära känna om hur och varför de olika byggstenarna förenas, men så mycket vet de att det finns noggranna och orubbliga lagar som styr allt detta. De står mållösa inför det ofattbart invecklade sätt på vilket de oerhört komplicerade levande cellerna hos alla livsformer bygger upp dessa redan komplicerade ämnen till den överflödande mängd levande organismer som finns på jorden.

Denna uppbyggnad, från ofattbart små atomer till alla de storslagna skaparverk som finns i naturen, åskådliggörs i följande diagram:

Se dig omkring och begrunda den vishet och intelligens som är uppenbar bakom alla de materiella ting vi lärt känna, från det minsta sädeskorn till det oändliga universum — och alltsammans av byggstenar som själva består av 99,9 procent tomrum.

[Fotnoter]

[Diagram på sidan 9]

(För formaterad text, se publikationen)

Kolatomen har en kärna med 6 protoner och 6 neutroner och har dessutom 6 elektroner, två i det inre skalet och fyra i det yttre

[Diagram på sidan 10]

(För formaterad text, se publikationen)

Förenande av natrium- och kloratom

Natrium Klor + —

Atomer (med bara yttre Joner — som bildar

elektronskalet utritat) natriumklorid

[Diagram på sidan 10]

(För formaterad text, se publikationen)

En molekyl etylalkohol

C: kolatom

H: väteatom

O: syreatom

[Diagram på sidan 11]

(För formaterad text, se publikationen)

En molekyl klorofyll A

H: väteatom (72)

C: kolatom (55)

O: syreatom (5)

N: kväveatom (4)

Mg: magnesiumatom (1)

[Diagram på sidan 11]

(För formaterad text, se publikationen)

Tre huvudpartiklar

protoner

neutroner

elektroner

Atomer Föreningar All materia

över 100 oorganiska levande

grundämnen och organiska och livlös