1.2 Hamir og flokkun efnis

Efni er skilgreint sem allt það sem tekur rými og hefur massa, og það er allt í kringum okkur. Föst efni og vökvar eru augljósari dæmi um efni. Við sjáum að þau taka rými og þyngd þeirra sýnir að þau hafa massa. Lofttegundir eru einnig efni. Ef gas tæki ekki rými myndi blaðra ekki blásast upp (auka rúmmál sitt) þegar hún er fyllt af gasi.

Föst efni, vökvar og lofttegundir eru þrír algengustu hamir efnis á jörðinni (mynd 1.6). Fast efni er stíft og hefur ákveðna lögun. Vökvi flæðir og tekur á sig lögun ílátsins, nema að hann myndar flatt eða örlítið bogið yfirborð vegna þyngdaraflsins. (Í þyngdarleysi taka vökvar á sig kúlulögun.) Rúmmál bæði vökva og fastra efna er nánast óháð þrýstingi. Gas tekur á sig bæði lögun og rúmmál ílátsins.

Fjórði hamur efnis, rafgas (plasma), finnst náttúrulega í iðrum stjarna. Rafgas er gaskenndur hamur efnis sem inniheldur umtalsverðan fjölda rafhlaðinna agna (mynd 1.7). Tilvist þessara hlöðnu agna veitir rafgasi einstaka eiginleika sem réttlæta flokkun þess sem sérstakan ham efnis, aðskilinn frá lofttegundum. Auk stjarna finnst rafgas í öðru umhverfi þar sem hiti er hár, bæði náttúrulegu og af mannavöldum. Þar má nefna eldingar, ákveðna sjónvarpsskjái og sérhæfð greiningartæki sem notuð eru til að greina snefilmagn málma.

Sum sýni efnis virðast hafa eiginleika fastra efna, vökva og/eða gass á sama tíma. Þetta getur gerst þegar sýnið samanstendur af mörgum smáum hlutum. Til dæmis getum við hellt sandi eins og hann væri vökvi vegna þess að hann samanstendur af mörgum smáum kornum af föstum sandi. Efni getur einnig haft eiginleika fleiri en eins hams þegar það er blanda, eins og til dæmis ský. Ský virðast hegða sér að hluta til eins og gas, en þau eru í raun blöndur af lofti (gasi) og örsmáum vatnsögnum (vökva eða föstu efni).

Massi hlutar er mælikvarði á það efnismagn sem hann inniheldur. Ein leið til að mæla massa hlutar er að mæla þann kraft sem þarf til að hraða honum. Það krefst mun meiri krafts að hraða bíl en reiðhjóli vegna þess að bíllinn hefur mun meiri massa. Algengari leið til að ákvarða massa hlutar er að nota vog til að bera massa hans saman við staðalmassa.

Þótt þyngd tengist massa er ekki um sama hlut að ræða. Þyngd vísar til þess krafts sem þyngdarafl beitir á hlut. Þessi kraftur er í beinu hlutfalli við massa hlutarins. Þyngd hlutar breytist eftir því sem þyngdaraflið breytist, en massi hans gerir það ekki. Massi geimfara breytist ekki þótt hann fari til tunglsins. Þyngd hans á tunglinu er hins vegar aðeins einn sjötti af þyngd hans á jörðinni, þar sem þyngdarafl tunglsins er aðeins einn sjötti af þyngdarafli jarðar. Hann gæti fundið fyrir „þyngdarleysi“ á ferðalagi sínu þegar hann verður fyrir óverulegum ytri kröftum (þyngdarkröftum eða öðrum). Hann verður þó auðvitað aldrei „massalaus“.

Lögmálið um varðveislu efnis tekur saman margar vísindalegar athuganir á efni. Það segir að engin mælanleg breyting verði á heildarmagni efnis þegar það breytist úr einni gerð í aðra (efnabreyting) eða skiptir um ham milli fasts efnis, vökva og gass (eðlisbreyting). Bjórgerð og virkni rafhlaðna eru dæmi um varðveislu efnis (mynd 1.8). Við bjórgerð breytast hráefnin (vatn, ger, korn, malt, humlar og sykur) í bjór (vatn, alkóhól, kolsýru og bragðefni) án þess að nokkurt efni tapist í raun. Þetta sést hvað skýrast við átöppun, þegar glúkósi breytist í etanól og koldíoxíð, og heildarmassi efnanna helst óbreyttur. Þetta má einnig sjá í blýsýrurafgeymi í bílum. Upphaflegu efnin (blý, blýoxíð og brennisteinssýra), sem geta framleitt rafmagn, breytast í önnur efni (blýsúlfat og vatn) sem framleiða ekki rafmagn, án þess að raunverulegt efnismagn breytist.

Þótt þetta varðveislulögmál gildi um allar efnabreytingar eru sannfærandi dæmi sjaldgæf. Ástæðan er sú að utan stýrðra aðstæðna á rannsóknarstofu söfnum við sjaldnast öllu því efni sem verður til við tiltekna breytingu. Þegar þú til dæmis borðar, meltir og nýtir fæðu varðveitist allt efnið úr upphaflegu fæðunni. Þar sem hluti efnisins verður hluti af líkamanum og stór hluti skilst út sem ýmiss konar úrgangur er hins vegar erfitt að sannreyna þetta með mælingum.

Flokkun efnis

Efni má flokka á nokkra vegu. Tveir stórir flokkar eru blöndur og hrein efni. Hreint efni hefur fasta samsetningu. Öll sýni af hreinu efni hafa nákvæmlega sömu samsetningu og eiginleika. Hvert sýni af súkrósa (borðsykri) samanstendur af 42,1% kolefni, 6,5% vetni og 51,4% súrefni miðað við massa. Hvert sýni af súkrósa hefur einnig sömu eðliseiginleika, svo sem bræðslumark, lit og sætleika, óháð því hvaðan það er unnið.

Hreinum efnum má skipta í tvo flokka: frumefni og efnasambönd. Hrein efni sem ekki er hægt að brjóta niður í einfaldari efni með efnabreytingum kallast frumefni. Járn, silfur, gull, ál, brennisteinn, súrefni og kopar eru þekkt dæmi um þau rúmlega 100 frumefni sem þekkt eru. Af þeim finnast um 90 í náttúrunni á jörðinni, en um tveir tugir hafa verið búnir til á rannsóknarstofum.

Hrein efni sem samanstanda af tveimur eða fleiri frumefnum kallast efnasambönd. Efnasambönd má brjóta niður með efnabreytingum til að mynda annaðhvort frumefni, önnur efnasambönd eða hvort tveggja. Kvikasilfurs(II)oxíð, sem er appelsínugult, kristallað fast efni, má brjóta niður með hita í frumefnin kvikasilfur og súrefni (mynd 1.9). Þegar efnasambandið súkrósi er hitað í loftleysi brotnar það niður í frumefnið kolefni og efnasambandið vatn. (Upphafsstig þessa ferlis, þegar sykurinn brúnast, kallast karamellun — það er hún sem gefur karamellueplum, karamelluðum lauk og karamellu sitt einkennandi sæta og hnetukennda bragð). Silfur(I)klóríð er hvítt fast efni sem má brjóta niður í frumefni sín, silfur og klór, með ljósgleypni. Þessi eiginleiki er grundvöllur þess að efnasambandið er notað í ljósmyndafilmur og ljóslitandi gleraugu (þau sem dökkna í birtu).

Eiginleikar frumefna í efnasamböndum eru ólíkir eiginleikum þeirra í frjálsu eða óbundnu ástandi. Til dæmis er hvítur, kristallaður sykur (súkrósi) efnasamband sem verður til við efnafræðilega sameiningu frumefnisins kolefnis, sem er svart fast efni í einu af óbundnum formum sínum, og frumefnanna tveggja vetnis og súrefnis, sem eru litlausar lofttegundir í óbundnu ástandi. Frjálst natríum, sem er mjúkur, gljáandi málmur í föstu ástandi, og frjálst klór, sem er gulgræn lofttegund, sameinast og mynda natríumklóríð (matarsalt), efnasamband sem er hvítt, kristallað fast efni.

Blanda samanstendur af tveimur eða fleiri tegundum efnis sem geta verið til staðar í mismiklu magni og hægt er að aðskilja með eðlisfræðilegum breytingum, svo sem uppgufun (nánar verður fjallað um þetta síðar). Blanda þar sem samsetningin er breytileg frá einum stað til annars kallast misleit blanda. Ítölsk salatsósa er dæmi um misleita blöndu (mynd 1.10). Samsetning hennar getur verið breytileg þar sem hún er oft búin til úr mismiklu magni af olíu, ediki og kryddjurtum. Hún er ekki eins alls staðar í blöndunni — einn dropi gæti verið að mestu leyti edik, en annar dropi að mestu leyti olía eða kryddjurtir vegna þess að olían og edikið skilja sig og kryddjurtirnar setjast til botns. Önnur dæmi um misleitar blöndur eru súkkulaðibitakökur (við sjáum aðskilda bita af súkkulaði, hnetum og kökudeigi) og granít (við sjáum kvars, glimmer, feldspat og fleira).

Einsleit blanda, einnig kölluð lausn, hefur jafna samsetningu og lítur eins út alls staðar. Dæmi um lausn er íþróttadrykkur sem samanstendur af vatni, sykri, litarefnum, bragðefnum og rafvökum sem er blandað jafnt saman (mynd 1.10). Hver dropi af íþróttadrykk bragðast eins vegna þess að hver dropi inniheldur sama magn af vatni, sykri og öðrum innihaldsefnum. Athugið að samsetning íþróttadrykkjar getur verið breytileg — hann gæti verið búinn til með aðeins meiri eða minni sykri, bragðefnum eða öðrum innihaldsefnum, en samt verið íþróttadrykkur. Önnur dæmi um einsleitar blöndur eru andrúmsloft, hlynsíróp, bensín og lausn af salti í vatni.

Þótt frumefnin séu aðeins rúmlega 100 talsins, verða til tugir milljóna efnasambanda við mismunandi samsetningar þessara frumefna. Hvert efnasamband hefur ákveðna samsetningu og býr yfir ákveðnum efna- og eðliseiginleikum sem greina það frá öllum öðrum efnasamböndum. Og auðvitað eru til óteljandi leiðir til að sameina frumefni og efnasambönd til að mynda mismunandi blöndur. Yfirlit yfir hvernig greina má á milli helstu flokka efnis er sýnt á mynd 1.11.

Ellefu frumefni mynda um 99% af jarðskorpunni og andrúmsloftinu (tafla 1.1). Súrefni er tæplega helmingur og kísill um fjórðungur af heildarmagni þessara frumefna. Meirihluti frumefna á jörðinni finnst í efnasamböndum við önnur frumefni; um fjórðungur frumefnanna finnst einnig í frjálsu ástandi.

Frumeindir og sameindir

Fyrsta tillagan um að efni sé gert úr frumeindum er eignuð grísku heimspekingunum Levkippusi og Demókrítosi, sem þróuðu hugmyndir sínar á 5. öld f.Kr. Það var þó ekki fyrr en í byrjun 19. aldar að John Dalton (1766–1844), breskur skólakennari með brennandi áhuga á vísindum, studdi þessa tilgátu með magnbundnum mælingum. Síðan þá hafa endurteknar tilraunir staðfest marga þætti tilgátunnar og hún er nú ein af meginkenningum efnafræðinnar. Aðrir þættir frumeindakenningar Daltons eru enn notaðir, en með smávægilegum breytingum (nánar er fjallað um kenningu Daltons í kaflanum um frumeindir og sameindir).

Frumeind er svo smá að erfitt er að ímynda sér stærð hennar. Eitt af því smæsta sem við getum séð með berum augum er stakur þráður í kóngulóarvef. Þessir þræðir eru um einn tíuþúsundasta hluta úr sentímetra (0,0001 cm) í þvermál. Þótt þversnið eins þráðar sé nánast ósýnilegt án smásjár er það risastórt á mælikvarða frumeinda. Ein kolefnisfrumeind í vefnum hefur um það bil 0,000000015 sentímetra þvermál og það þyrfti um 7000 kolefnisfrumeindir til að spanna þvermál þráðarins. Til að setja þetta í samhengi má nefna að ef kolefnisfrumeind væri á stærð við tíkall væri þversnið eins þráðar stærra en fótboltavöllur, og það þyrfti um 150 milljónir slíkra „kolefnistíkalla“ til að þekja hann. Mynd 1.13 sýnir sífellt nákvæmari smásjár- og frumeindamyndir af venjulegri bómull.

Frumeind er svo létt að einnig er erfitt að ímynda sér massa hennar. Milljarður blýfrumeinda (1.000.000.000 frumeindir) vegur um 3 × 10⁻¹³ grömm, sem er massi sem er allt of lítill til að hægt sé að vigta hann á næmustu vogum heims. Það þyrfti yfir 300.000.000.000.000 blýfrumeindir (300 billjónir, eða 3 × 10¹⁴) til að hægt væri að vigta þær, og þær vægju aðeins 0,0000001 grömm.

Sjaldgæft er að finna söfn stakra frumeinda. Aðeins fáein frumefni, eins og lofttegundirnar helíum, neon og argon, samanstanda af safni stakra frumeinda sem hreyfast óháð hver annarri. Önnur frumefni, eins og lofttegundirnar vetni, köfnunarefni, súrefni og klór, eru gerð úr einingum sem samanstanda af pörum frumeinda (mynd 1.14). Eitt form frumefnisins fosfórs samanstendur af einingum úr fjórum fosfórfrumeindum. Frumefnið brennisteinn er til í ýmsum formum og eitt þeirra samanstendur af einingum úr átta brennisteinsfrumeindum. Þessar einingar kallast sameindir. Sameind samanstendur af tveimur eða fleiri frumeindum sem tengjast með sterkum kröftum sem kallast efnatengi. Frumeindirnar í sameind hreyfast sem ein heild, líkt og gosdósir í kippu eða lyklar á einum lyklahring. Sameind getur verið gerð úr tveimur eða fleiri eins frumeindum, eins og í sameindum frumefnanna vetnis, súrefnis og brennisteins, eða hún getur verið gerð úr tveimur eða fleiri mismunandi frumeindum, eins og í vatnssameindum. Hver vatnssameind er eining sem inniheldur tvær vetnisfrumeindir og eina súrefnisfrumeind. Hver glúkósasameind er eining sem inniheldur 6 kolefnisfrumeindir, 12 vetnisfrumeindir og 6 súrefnisfrumeindir. Líkt og frumeindir eru sameindir ótrúlega smáar og léttar. Ef venjulegt vatnsglas væri stækkað upp í stærð jarðarinnar yrðu vatnssameindirnar í því á stærð við golfkúlur.