2.1 Fyrstu hugmyndir í frumeindakenningunni

Elstu skráðu umræðurnar um grundvallarbyggingu efnis koma frá forngrískum heimspekingum, vísindamönnum þeirra tíma. Á fimmtu öld f.Kr. héldu Levkippos og Demókrítos því fram að allt efni væri samsett úr litlum, endanlegum eindum sem þeir kölluðu atomos, hugtak sem er dregið af gríska orðinu yfir „ódeilanlegt“. Þeir hugsuðu sér frumeindir sem hreyfanlegar eindir sem væru mismunandi í lögun og stærð og gætu sameinast. Seinna komust Aristóteles og aðrir að þeirri niðurstöðu að efni samanstæði af ýmsum samsetningum „frumefnanna“ fjögurra – elds, jarðar, lofts og vatns – og væri hægt að skipta því óendanlega. Athyglisvert er að þessir heimspekingar hugsuðu um frumeindir og „frumefni“ sem heimspekileg hugtök, en íhuguðu greinilega aldrei að gera tilraunir til að prófa hugmyndir sínar.

Sýn Aristótelesar á samsetningu efnis var ríkjandi í yfir tvö þúsund ár, þar til enski skólakennarinn John Dalton átti þátt í að gjörbylta efnafræðinni með tilgátu sinni um að hægt væri að útskýra hegðun efnis með frumeindakenningu. Margar af tilgátum Daltons um smásæja eiginleika efnis, sem fyrst voru birtar árið 1807, gilda enn í nútíma frumeindakenningu. Hér eru grundvallarsetningar frumeindakenningar Daltons (e. dalton’s atomic theory).

Efni er samsett úr afar litlum eindum sem kallast frumeindir. Frumeind (e. atom) er minnsta eining frumefnis sem getur tekið þátt í efnabreytingu.
Frumefni (e. element) samanstendur af aðeins einni gerð frumeinda, sem hefur massa sem er einkennandi fyrir frumefnið og er sá sami fyrir allar frumeindir þess frumefnis (Mynd 2.2). Sýni af frumefni sem sést með berum augum inniheldur ótrúlega mikinn fjölda frumeinda, sem allar hafa sömu efnaeiginleika.
Frumeindir eins frumefnis eru ólíkar í eiginleikum frumeindum allra annarra frumefna.
Efnasamband samanstendur af frumeindum tveggja eða fleiri frumefna sem eru sameinuð í litlu heiltöluhlutfalli. Í tilteknu efnasambandi er fjöldi frumeinda hvers frumefnis alltaf í sama hlutfalli (Mynd 2.3).
Frumeindir verða hvorki til né eyðast við efnabreytingu, heldur endurraðast þær til að mynda efni sem eru frábrugðin þeim sem voru til staðar fyrir breytinguna (Mynd 2.4).

The left image shows a photograph of a stack of pennies. The right image calls out an area of one of the pennies, which is made up of many sphere-shaped copper atoms. The atoms are densely organized. — Mynd 2.2 Kopareyrir frá því fyrir 1982 (til vinstri) inniheldur um það bil 3 ${\times}$ 10²² koparfrumeindir (nokkrir tugir eru sýndir sem brúnar kúlur til hægri), sem hver um sig hefur sömu efnaeiginleika. (Heimild: breyting á verki eftir „slgckgc“/Flickr)

The left image shows a container with a black, powdery compound. The right image calls out the molecular structure of the powder which contains copper atoms that are clustered together with an equal number of oxygen atoms. — Mynd 2.3 Kopar(II)oxíð, duftkennt, svart efnasamband, verður til úr samsetningu tveggja gerða frumeinda – kopars (brúnar kúlur) og súrefnis (rauðar kúlur) – í hlutfallinu 1:1. (Heimild: breyting á verki eftir „Chemicalinterest“/Wikimedia Commons)

The left stoppered bottle contains copper and oxygen. There is a callout which shows that copper is made up of many sphere-shaped atoms. The atoms are densely organized. The open space of the bottle contains oxygen gas, which is made up of bonded pairs of oxygen atoms that are evenly spaced. The right stoppered bottle shows the compound copper two oxide, which is a black, powdery substance. A callout from the powder shows a molecule of copper two oxide, which contains copper atoms that are clustered together with an equal number of oxygen atoms. — Mynd 2.4 Þegar frumefnin kopar (glansandi, rauðbrúnt fast efni, sýnt hér sem brúnar kúlur) og súrefni (glært og litlaust gas, sýnt hér sem rauðar kúlur) hvarfast, endurraðast frumeindir þeirra til að mynda efnasamband sem inniheldur kopar og súrefni (duftkennt, svart fast efni). (Heimild kopar: breyting á verki eftir http://images-of-elements.com/copper.php)

Frumeindakenning Daltons gefur smásæja skýringu á mörgum þeirra eiginleika efnis sem sjást með berum augum og þú hefur lært um. Til dæmis, ef frumefni eins og kopar samanstendur af aðeins einni tegund frumeinda, þá er ekki hægt að brjóta það niður í einfaldari efni, það er að segja í efni sem eru samsett úr færri tegundum frumeinda. Og ef frumeindir verða hvorki til né eyðast við efnabreytingu, þá helst heildarmassi efnisins óbreyttur þegar efni breytist úr einni tegund í aðra (lögmálið um varðveislu efnis).

Dæmi 2.1

Prófun á frumeindakenningu Daltons

Á eftirfarandi teikningu tákna grænu kúlurnar frumeindir ákveðins frumefnis. Fjólubláu kúlurnar tákna frumeindir annars frumefnis. Ef kúlurnar snertast eru þær hluti af einni einingu efnasambands. Brýtur eftirfarandi efnabreyting, sem táknuð er með þessum táknum, í bága við einhverjar af hugmyndum frumeindakenningar Daltons? Ef svo er, hverja?

Lausn

Hvarfefnin samanstanda af tveimur grænum kúlum og tveimur fjólubláum kúlum. Myndefnin samanstanda af aðeins einni grænni kúlu og einni fjólublárri kúlu. Þetta brýtur í bága við grundvallarsetningu Daltons um að frumeindir verði hvorki til né eyðist við efnabreytingu, heldur sé þeim aðeins endurraðað. (Í þessu tilfelli virðist frumeindum hafa verið eytt.)

Skoðaðu þekkingu þína

Dalton þekkti til tilrauna franska efnafræðingsins Joseph Proust, sem sýndi fram á að öll sýni af hreinu efnasambandi innihalda sömu frumefnin í sömu massahlutföllum. Þessi staðhæfing er þekkt sem lögmálið um föst massahlutföll (e. law of definite proportions) eða lögmálið um fasta samsetningu (e. law of constant composition). Sú tillaga að fjöldi frumeinda frumefnanna í tilteknu efnasambandi sé alltaf í sama hlutfalli er í samræmi við þessar athuganir. Til dæmis, þegar mismunandi sýni af ísóoktani (sem er hluti af bensíni og einn af stöðlunum sem notaðir eru í oktanmælingakerfinu) eru greind, kemur í ljós að þau hafa massahlutfall kolefnis á móti vetni sem er 5,33:1, eins og sýnt er í Tafla 2.1.

Tafla 2.1
Föst samsetning ísóoktans
Sýni	Kolefni	Vetni	Massahlutfall
A	14,82 g	2,78 g	${\frac{{\text{14,82 g carbon}}}{{\text{2,78 g hydrogen}}}\, =\, \frac{{\text{5,33 g carbon}}}{{\text{1,00 g hydrogen}}}}$
B	22,33 g	4,19 g	${\frac{{\text{22,33 g carbon}}}{{\text{4,19 g hydrogen}}}\, =\, \frac{{\text{5,33 g carbon}}}{{\text{1,00 g hydrogen}}}}$
C	19,40 g	3,64 g	${\frac{{\text{19,40 g carbon}}}{{\text{3,63 g hydrogen}}}\, =\, \frac{{\text{5,33 g carbon}}}{{\text{1,00 g hydrogen}}}}$

Það er rétt að hafa í huga að þótt öll sýni af tilteknu efnasambandi hafi sama massahlutfall, þá er hið gagnstæða almennt ekki satt. Það er að segja, sýni sem hafa sama massahlutfall eru ekki endilega sama efnið. Til dæmis eru mörg önnur efnasambönd en ísóoktan sem hafa einnig massahlutfall kolefnis á móti vetni sem er 5,33:1,00.

Dalton notaði einnig gögn frá Proust, auk niðurstaðna úr eigin tilraunum, til að setja fram annað áhugavert lögmál. Lögmálið um margfeldnishlutföll (e. law of multiple proportions) segir að þegar tvö frumefni hvarfast og mynda fleiri en eitt efnasamband, mun fastur massi annars frumefnisins hvarfast við massa hins frumefnisins í hlutfalli lítilla, heilla talna. Til dæmis geta kopar og klór myndað grænt, kristalkennt fast efni með massahlutfallið 0,558 g af klór á móti 1 g af kopar, auk brúns kristalkennds fasts efnis með massahlutfallið 1,116 g af klór á móti 1 g af kopar. Þessi hlutföll í sjálfu sér virðast kannski ekki sérstaklega áhugaverð eða upplýsandi; hins vegar, ef við tökum hlutfall þessara hlutfalla, fáum við gagnlega og hugsanlega óvænta niðurstöðu: lítið heiltöluhlutfall.

\frac{\frac{1,116 g Cl}{1 g Cu}}{\frac{0,558 g Cl}{1 g Cu}} = \frac{2}{1}

Þetta 2-á-móti-1 hlutfall þýðir að brúna efnasambandið hefur tvöfalt meira magn af klór á hvert magn af kopar en græna efnasambandið.

Þetta má útskýra með frumeindakenningunni ef hlutfall kopars og klórs í brúna efnasambandinu er 1 koparfrumeind á móti 2 klórfrumeindum og hlutfallið í græna efnasambandinu er 1 koparfrumeind á móti 1 klórfrumeind. Hlutfall klórfrumeinda (og þar með hlutfall massa þeirra) er því 2 á móti 1 (Mynd 2.5).

Figure A shows a pile of green powder. A callout shows that the green powder is made up of a lattice of copper atoms interspersed with chlorine atoms. The atoms are color coded brown for copper and green for chlorine. The number of copper atoms is equal to the number of chlorine atoms in the molecule. Figure B shows a pile of brown powder. A callout shows that the brown powder is also made up of copper and chlorine atoms similar to the molecule shown in figure A. However there appears to be two chlorine atoms for every copper atom in this molecule. The copper atoms in figure B bond with both the chlorine atoms and the other copper atoms. The copper atoms in figure A only bond with the chlorine atoms. — Mynd 2.5 Í samanburði við koparklórsambandið í (a), þar sem kopar er táknaður með brúnum kúlum og klór með grænum kúlum, hefur koparklórsambandið í (b) tvöfalt fleiri klórfrumeindir á hverja koparfrumeind. (heimild a: breyting á verki eftir „Benjah-bmm27“/Wikimedia Commons; heimild b: breyting á verki eftir „Walkerma“/Wikimedia Commons)

Dæmi 2.2

Lögmálin um föst massahlutföll og margfeldnishlutföll

Sýni af efnasambandi A (glært, litlaust gas) er greint og reynist innihalda 4,27 g af kolefni og 5,69 g af súrefni. Sýni af efnasambandi B (einnig glært, litlaust gas) er greint og reynist innihalda 5,19 g af kolefni og 13,84 g af súrefni. Eru þessi gögn dæmi um lögmálið um föst massahlutföll, lögmálið um margfeldnishlutföll eða hvorugt? Hvað segja þessi gögn þér um efnin A og B?

Lausn

Í efnasambandi A er massahlutfall súrefnis á móti kolefni:

\frac{1,33 g O}{1 g C}

Í efnasambandi B er massahlutfall súrefnis á móti kolefni:

\frac{2,67 g O}{1 g C}

Hlutfall þessara hlutfalla er:

\frac{\frac{1,33 g O}{1 g C}}{\frac{2,67 g O}{1 g C}} = \frac{1}{2}

Þetta styður lögmálið um margfeldnishlutföll. Þetta þýðir að A og B eru mismunandi efnasambönd, þar sem A hefur helmingi minna súrefni á hvert magn kolefnis (eða tvöfalt meira kolefni á hvert magn súrefnis) en B. Hugsanlegt par efnasambanda sem myndi passa við þetta samband væri A = CO og B = CO₂.

Skoðaðu þekkingu þína

Sýni af efnasambandi X (glær, litlaus, eldfimur vökvi með áberandi lykt) er greint og reynist innihalda 14,13 g af kolefni og 2,96 g af vetni. Sýni af efnasambandi Y (glær, litlaus, eldfimur vökvi með áberandi lykt sem er örlítið frábrugðin lykt X) er greint og reynist innihalda 19,91 g af kolefni og 3,34 g af vetni. Eru þessi gögn dæmi um lögmálið um föst massahlutföll, lögmálið um margfeldnishlutföll eða hvorugt? Hvað segja þessi gögn þér um efnin X og Y?

Námsmarkmið