Luku 1.1 (Keemia 8. kl)

Keemia areng

  • Mis on kõige olulisemad avastused keemias?
  • Millal need avastused tehti?
  • Kuidas mõjutavad need avastused meie igapäevaelu?

Keemia ja inimkonna areng

Tänapäeva inimene, Homo sapiens, on aasta­tuhandeid oma elu­järge parandanud tööriistu leiutades. Kivi-, pronksi- ja raua­ajal sai inimene kivimeid ja mineraale töödeldes metalle ning puutus nii eneselegi teadmata kokku keemiaga. Metallide kasutusele­võtu ja uute materjalide valmistamise oskusega käsi­käes arenes tsivilisatsioon. Tänapäeval mõjutavad avastused ja leiutised keemias oluliselt meie igapäevaelu ning muudavad ühtlasi meie arusaama maailmast.

Kivi-, raua- ja pronksiaja tööriistade valmistamiseks kasutati keemiaalaseid võtteid, mis on kasutusel praegugi.

Keemia enne esimest aastatuhandet

500 000 eKr

Üks tähtsamaid avastusi läbi aegade on olnud see, et inimene õppis tegema tuld. Põlemine on üks esimesi keemilisi reaktsioone, mida ta rakendas. Tuli võimaldas saada sooja ja toitu küpsetada.

5000 eKr

Inimkonna arengus oluline samm oli see, kui õpiti sulatama maagist vaske (5000 eKr) ja hakati valmistama vastu­pidavamaid esemeid. Aja jooksul tõhusamaks muutunud põllu­harimis­võtted võimaldasid inimestel tegeleda ka mõne teise vald­konnaga, nt metalli­töötlusega. Pronksi hakati valmistama u 3000 aastat eKr. Kuna pronks oli vasest kõvem, sai sellest peamine töö­riistade ja relvade materjal.

Põlemine on keemiline reaktsioon, mille käigus eraldub soojust ja valgust.
Pronksist valmistati peamiselt relvi, sest see on kõva ja vastupidav.

1500–1000 eKr

Raud võeti kasutusele u 1200 aastat eKr Lähis-Idas. Rauamaaki leidus oluliselt rohkem kui vaske ja tina. Raud sobis oma omaduste tõttu töö­riistade ja relvade valmistamiseks paremini kui pronks ja seda hakati rohkem kasutama.

1000–500 eKr

600 aastat eKr arutlesid antiik­filosoofid ainete omaduste üle ning leidsid, et kõik ained koosnevad neljast põhi­elemendist: maast, tulest, õhust ja veest. Vana-Kreeka mõtleja Demokritos jõudis koguni hüpoteesini, et ained koosnevad üli­väikestest nähtamatutest ja jagamatutest osakestest. Hiljem hakati neid nimetama aatomiteks.

Kõrge temperatuurini kuumutatud raud on pehme. Seetõttu on võimalik vormida kuuma rauda soovitud tööriistaks või muuks tarbeesemeks.
Antiikfilosoofid uskusid, et kõik ained koosnevad neljast põhielemendist: maast, tulest, õhust ja veest.

Keemia areng 1. sajandist pKr kuni 18. sajandini

5.–16. sajand

Keskajal (5.–16. saj) levis õpetus alkeemiast, mis oli keemia eelkäijaks. Alkeemikute eesmärk oli leida viis, kuidas vähem väärtuslikest metallidest (nt tinast) kulda või hõbedat saada. Veel püüdsid nad tulutult kokku segada surematuse eliksiiri. Nende panus keemiasse oli lõpuks see, et nad mõtlesid välja mitme­suguseid laborivahendeid ja -tehnikat.

18. sajand

Briti vaimulik Joseph Priestley (1733–1804) avastas 1774. aastal gaasi, mis teeb võimalikuks nii põlemise kui ka elu Maal. Mõni aasta hiljem nimetas Antoine Lavoisier (1743–1794) selle gaasi hapnikuks. Veel avastas Lavoisier fosforit põletades, et õhu mass vähenes ja põlenud fosfori mass suurenes. Ta sõnastas massi jäävuse seaduse, mis ütleb, et mass ei saa tühjusest tekkida ega kaduda.

Alkeemikud hakkasid aineid tähistama sümbolitega. Näiteks pliid kujutati sümboliga ♄ ja elavhõbedat sümboliga ☿.
Hapniku avastaja Joseph Priestley. Tema avastus võimaldas seletada mitmeid seni selgusetuks jäänud protsesse (nt hingamine või põlemine).

Keemia 19. sajandil

19. sajandi algus

Humphry Davy (1778–1829) oli üks elektrokeemia olulisi tee­rajajaid. Ta lagundas elektrivoolu abil keemilisi ühendeid, st rakendas elektrolüüsi, ja eraldas palju uusi elemente. Protsess võimaldas Davyl 19. sajandi algul esimesena eraldada puhtal kujul näiteks kaaliumi, magneesiumi, strontsiumi ja baariumi. Elektro­keemia areng on teinud võimalikuks alumiiniumi, päikese­paneelide, pool­juhtide, LED-ekraanide, taaslaetavate liitium­patareide jms tootmise.

Inglise kooliõpetaja ja keemik John Dalton (1766–1844) kinnitas antiik­filosoofide mõtteid jagamatutest osakestest ning võttis kasutusele aatom­massi mõiste ja seletas selle kaudu reageerivate ainete massi­suhteid. Ta leidis, et keemiline element on aatomite liik ning erinevate elementide aatomite mass on erinev.

LED-ekraan koosneb paljudest dioodidest, mis kiirgavad kas sinisele, punasele või rohelisele valgusele vastava lainepikkusega kiirgust. Kiirguse intensiivsust reguleerides on võimalik luua erinevaid kujutisi.
Aatomi ehitust kirjeldav tänapäevane mudel.

19. sajandi keskpaik

Kui Vene keemik Dmitri Mendelejev (1834–1907) oma tudengitele 1869. aastal õpikut kirjutas, üritas ta luua süsteemi tol ajal teada oleva 63 keemilise elemendi jaoks. Ta reastas elemendid nende aatommassi järgi, rühmitas omaduste põhjal ja lõi elementide perioodilisussüsteemi. Kusjuures Mendelejev jättis tabelisse tühjad kohad veel avastamata elementide jaoks ning ennustas vägagi täpselt nende omadusi.

Tänapäevane versioon Dmitri Mendelejevi alustatud perioodilisustabelist.

19. sajandi lõpp

19. sajandi lõpul uuris Inglise füüsik Jospeh J. Thomson (1856–1940) elektri­voolu tühja klaas­toru sees ning leidis, et tegemist on väga väikeste osakeste vooga. Need osakesed olid palju väiksemad kui aatomid. Täna­päeval nimetatakse neid elektronideks.

Elektroniteooria oli aluseks ka Ameerika teadlase Gilbert Lewise (1875–1946) teooriale, mis käsitles keemilise sideme teket erinevate aatomite vahel. Keemilise sideme olemuse mõistmine võimaldas luua uusi ühendeid.

Elektronide suunatud liikumine ehk elektrivool on teinud inimkonna elu oluliselt mugavamaks ning on muutunud igapäevaelu lahutamatuks osaks.

Radioaktiivsuse avastas 1896. aastal Prantsuse teadlane Antoine Henri Becquerel (1852–1908), kes uraani­soolade ja fotoplaatidega eksperimenteerides märkas intensiivset kiirgust, mis oli tekkinud uraani aatomituumade lagunemise käigus. Becquereli tööd jätkas Marie Curie (1867–1934), kes koos abikaasaga avastas teisigi radio­aktiivseid elemente. Radio­aktiivsuse ohtlikkust siis aga veel ei teatud ja ennast selle eest ei kaitstud. Seetõttu arvatakse, et Marie Curie suri leukeemiasse ehk verevähki just radio­aktiivsuse pärast. Tema labori­päevik, mis sisaldab märkmeid eksperimentide kohta, on veel praegugi ohtlikult radioaktiivne. Avastused selles vallas on oluliselt mõjutanud meditsiini arengut, näiteks on võimalik uurida luustikku ja organite talitlust, avastada vähirakke ja ravida vähki.

Pärast radioaktiivsuse avastamist on võimalik teha röntgenipilte, et leida inimese sisemisi vigastusi või avastada haigusi.

Keemia 20. sajandil

20. sajandi algus

Kui Leo Baekeland (1863–1944) leiutas 1907. aastal sünteetilise ehk tehisliku plasti, muutis ta sellega jäädavalt 20. sajandi eluolu. Kuna plasti on lihtne ja odav toota ning sellel on palju häid omadusi (nt tugevus, elastsus, kergesti töödeldavus), on see nii mitmeski rakenduses traditsioonilised materjalid (nt puit, metall) kasutusest kõrvale tõrjunud.

Plast on tänapäeval väga levinud materjal.

20. sajandi lõpp

Fullereenid on erilised pallikujulised seest tühjad süsinikumolekulid, mille olemasolu tõestasid esimest korda Ameerika keemikud 1985. aastal. Mõne aasta pärast (1991) avastati fullereenide sünteesil moodustunud ime­pisikesed süsinikuaatomitest torukesed – nanotorud –, mille läbi­mõõt võib olla isegi alla nano­meetri (1 nm = 10–9 m). Süsinik­nano­torusid kasutatakse nende unikaalsete omaduste tõttu näiteks materjali­teaduses, elektroonikas ja meditsiinis. Süsinik­nano­toru on väga tugev. Need ime­pisikesed struktuurid on ka eri­päraste elektriliste omadustega ja pakuvad huvi elektroonika­seadmetes (nt nuti­telefonides) kasutamiseks. Teaduse ja tehnika haru, mis tegeleb nano­osakeste ja -materjalidega, nimetatakse nano­tehnoloogiaks.​

Fullereenid on seest tühjad pallikujulised süsiniku­molekulid.
Nanotorud on teinud võimalikuks nanotehnoloogia.​

                      Ma tean, et

                      • Esimesed avastused keemias pärinevad juba aastast 500 000 eKr. Tähtsaim neist avastustest oli tule tegemine, mis võimaldas inimestel sooja saada ja toitu valmistada.
                      • Vask ja raud olid esimesed metallid, millest õpiti tööriistu ja relvi valmistama.
                      • Plast on tugev ja lihtsasti töödeldav ning odav, mistõttu on see paljud teised materjalid kasutusest kõrvale tõrjunud.

                      Küsimused ja ülesanded

                      1. Millised avastused olid inimkonna arengu alguses kõige olulisemad?
                      2. Kirjelda erinevate materjalide (puit, plast, pronks jms) omadusi.
                      3. Too kolm näidet keemias tehtud avastuste või leiutiste kohta, milleta sa oma elu ette ei kujuta.
                      Odota