Mikä on alkuaine?

Kemiallisista käsitteistä alkuaine on perustavanlaatuisin. Se on yksi ensimmäisistä ideoista, joihin kemian opiskelija törmää, usein näiden luonnon perusainesten ikonisessa taulukoinnissa, jonka Dmitri Mendelejev kuvasi ensimmäisen kerran 150 vuotta sitten ja jota juhlitaan tänä vuonna. Kukaan ei kuitenkaan osaa sanoa, mikä alkuaine on. Kysymyksestä keskusteltiin vilkkaasti ja ajoittain intohimoisesti kansainvälisen kemian filosofian seuran kokouksessa Bristolissa heinäkuussa 2018 – mutta silti ilman, että siitä päästiin yhteisymmärrykseen.

Se ei ole yllätys. Jotkut kemian parhaista mielistä, kuten Antoine Lavoisier, itse Mendelejev ja ydinkemian pioneeri Frederick Soddy, ovat pohtineet sitä, mutta silti tiivis ja kattava määritelmä on edelleen saavuttamatta. Ja jotkut kokouksen osanottajista antoivat ymmärtää, että tämä saattaa olla parasta.

Toisille se on osoitus siitä, että kemialla on vakavia filosofisia pohdintoja tehtävänä. ”Kemia ei ymmärrä itseään tieteenalana”, sanoo filosofi Farzad Mahootian New Yorkin yliopistosta Yhdysvalloista. Kyse ei ole vain alkuaineen määritelmästä, vaan myös sellaiset käsitteet kuin molekyylit, sidokset ja jopa jaksollisen järjestelmän luonne ovat edelleen epäselviä: ne ovat harhaanjohtavan tuttuja, koska niitä käytetään säännöllisesti, mutta niillä ei ole kaikkien hyväksymää merkitystä. ”Tarvitaan filosofista pohdintaa kemian osa-alueista, joita meillä on tapana opettaa melko mekaanisesti”, sanoo Eric Scerri yhdysvaltalaisesta Kalifornian Los Angelesin yliopistosta, joka on Foundations of Chemistry -tieteenfilosofian aikakauslehden päätoimittaja.

Tuntuu kohtuulliselta olettaa, että kemian pitäisi tarjota yksiselitteinen määritelmä

Elementin merkitys on vapaa-ajan kemiantehtävissä toimivien kemianteoreettisten tutkijoiden suosima kiistanaihe. Olemme yhtä mieltä (eikö niin?) siitä, että vety on alkuaine – mutta mitä tarkoitamme sillä? Onko molekyylinen vetykaasu alkuaine? Vai yksittäinen vetyatomi? Vai viittaammeko me johonkin todelliseen aineeseen vaan ”transsendentaaliseen” käsitykseen vedystä, jonka varsinaiset atomit ja molekyylit ovat vain aineellisia edustajia?

Jotkut saattaisivat sanoa: ketä kiinnostaa? Me tiedämme, mitä tarkoitamme käytännössä. Jos sanon: ”Rikki on alkuaine, joka muodostaa keltaisen kiinteän aineen, jolla on pistävä haju”, en odota vastalauseita. Samoin jos sanon ”Rikki on jaksollisen järjestelmän ryhmän 16 toinen alkuaine”. Mutta nämä ovat kaksi melko erilaista asiaa.

Saksassa Siegenin yliopistossa toimivan teoreettisen kemistin Eugen Schwarzin mukaan tyypillinen asenne on sanoa: ”Tiedän, että se, miten puhun alkuaineista, ei ole oikeastaan oikein, mutta kaikki tekevät niin, ja opiskelijat tajuavat sen lopulta”. Mutta ”henkilökohtainen käsitykseni kemistinä on, että tällaista tapaa ei pitäisi omaksua”, hän lisää.

Elena Ghibaudi Torinon yliopistosta Italiasta on huolissaan siitä, että alkuaineen määrittelemättä jättäminen täsmällisesti aiheuttaa ymmärtämis-, viestintä- ja luottamusongelmia opetuksessa. Kun kaksi kemian asiantuntijaa keskustelee alkuaineista, he pystyvät erottamaan merkityksen asiayhteydestä, mutta näin ei ole luokkahuoneessa, hän sanoo.

Kemian yleiseen ymmärtämiseen voi liittyä myös ongelmia. Schwarz huomauttaa, että koska jotkin alkuaineet yhdistetään myrkyllisiin aineisiin – esimerkiksi kloorikaasuun tai hiilen ja öljyn poltosta vapautuvaan rikkidioksidiin – alkuaine itseään saatetaan pitää luonnostaan myrkyllisenä ja alttiina kemian lukutaidottomien kielloille. ”En tiedä, miten tehdä yleisölle selväksi, että vain jotkin tietyn alkuaineen yhdisteet ovat myrkyllisiä, ja nekin vasta tietyn pitoisuuden yläpuolella, kun taas liian vähäinen määrä kyseistä alkuaineesta voi jopa aiheuttaa terveyshaittoja”, hän sanoo.

”Alkuaineen käsite on keskeinen kemian kannalta, ja sillä on useita tarkoituksia”, Ghibaudi sanoo. ”Se esimerkiksi osoittaa, mikä säilyy muuttumattomana systeemissä, jossa tapahtuu kemiallinen muutos, ja se tekee eron kemiallisten ja ydinvoiman muutosten välillä. On siis kohtuullista odottaa, että kemia antaa yksiselitteisen määritelmän. Pystyykö se siihen?

Maa, tuuli ja tuli?

Atomien tavoin alkuaineet pikemminkin kärsivät kuin hyötyvät illuusiosta pitkän ajattelutradition jatkuvuudesta. Kansanomaisen tarinan mukaan antiikin kreikkalaiset ajattelivat, että elementtejä oli vain neljä – maa, ilma, tuli ja vesi – mutta noin 1700-luvulta lähtien aloimme ymmärtää, että niitä on enemmän kuin neljä ja että yksikään niistä ei vastaa näitä antiikin elementtejä. Totuus on monimutkaisempi. Ensinnäkin Empedokleen omistamat ja Aristoteleen filosofiaan kirjatut neljä elementtiä eivät suinkaan olleet ainoa kreikkalaisessa ajattelussa käytetty järjestelmä aineen perusrakenteista. Ja ennen kemian kulta-aikaa myöhäisvalistuksen aikana alkuainejärjestelmät olivat melko epämääräisiä. Sveitsiläinen 1500-luvun lääkäri Paracelsus ehdotti kolmea perustavaa ”periaatetta”: rikkiä, suolaa ja elohopeaa, ja useat muut järjestelmät (mukaan lukien fiktiiviset alkuaineet, kuten flogiston) saivat tilapäistä tukea.

Pitäisikö jokaisella isotoopilla olla oma paikkansa jaksollisessa järjestelmässä?

Lähde: © Neil Webb/Début Art

Sekä etteivät nämä välttämättä olleet keskenään kilpailevia vaihtoehtoja. Alkuaineen, kuten atomin, käsitteellä oli varsin vaihteleva konnotaatio, eikä se välttämättä tarkoittanut alkeellista ainetyyppiä. Esimerkiksi Paracelsuksen kolmea periaatetta pidettiin pikemminkin ominaisuuksina kuin ainesosina: rikki edusti palavuutta, suola kiinteyttä ja elohopea juoksevuutta.

Robert Boylea juhlitaan oikeutetusti siitä, että hän toi käsitteeseen jonkinlaista selkeyttä, kun hän ehdotti vuonna 1665 ilmestyneessä kirjassaan The Sceptical Chymist (Skeptinen kemisti), että alkuaine oli aine, jota ei voitu pelkistää (analysoida) joksikin yksinkertaisemmaksi. Boylen määritelmä kertoo kuitenkin vain sen, milloin kyseessä on alkuaine, mutta ei sitä, mikä alkuaine on ja mikä erottaa sen toisesta. Ja se on hyvin alustava, analyyttisten kykyjesi panttivanki. Miten voisi olla varma, että kyseessä on alkuaine eikä vain yhdiste, jota kukaan ei ole vielä keksinyt pilkkoa ainesosiksi? Todellakaan ei voinut, minkä vuoksi vaikeasti hajotettavat oksidit, kuten alumiinioksidi ja piidioksidi, esiintyvät alkuaineina 1700-luvun luetteloissa, kuten Antoine Lavoisierin vaikutusvaltaisessa vuoden 1789 Traité Élémentaire de Chimie -teoksessa. Lavoisier seurasi Boylea väittäessään, että alkuaine edustaa analyysin viimeistä vaihetta.

John Dalton toi Lavoisierin määritelmään jotakin perustavanlaatuisempaa, kun hän väitti vuonna 1808, että alkuaineiden erityisominaisuudet johtuvat niiden muodostavien atomien ominaisuuksista, jotka kuvitellaan pieninä, kovina, pallomaisina hiukkasina. Mendelejevin aikaan vuosisadan puolivälissä oli jo tunnustettu, että eri alkuaineilla on eri atomipainot, ja laatiessaan jaksollista järjestelmäänsä Mendelejev käytti alkuaineiden järjestystä niiden atomipainon perusteella. (Hän itse käytti termiä ”alkuainepaino”, koska hän ei uskonut atomeihin.)

Soddyn kaltaisten radiokemistien ja Ernest Rutherfordin ja Henry Moseleyn kaltaisten fyysikoiden keksinnöt toivat 1920-luvulle tultaessa ymmärryksen siitä, että alkuaineen atomien perustavanlaatuisempana ominaisuutena on alkuaineen järjestysluku Z, eli alkuaineen ytimen protoniluku, joka on sama kaikille tietyn alkuaineen atomeille. Francis Aston löysi vuonna 1922 isotoopit, joilla on sama Z mutta eri atomimassa. Mutta jos Z eroaa kahdessa atomissa, ne ovat eri alkuaineita.

Mitä tarkoitamme hiilellä? Timantti, atomi, jonka Z = 6 eli C60

Aluksi isotoopit kuitenkin heittivät kissaa pulujen sekaan. ”Niiden löytäminen oli haaste alkuaineen määritelmälle”, Ghibaudi sanoo. Kemistit ja fyysikot kävivät vilkasta keskustelua kemiallisen alkuaineen käsitteestä. Kysymys oli siitä, pitäisikö jokaisella isotoopilla olla oma paikkansa jaksollisessa järjestelmässä vai ei. Vuonna 1923 kansainvälinen komitea sopi, että kemiallisen alkuaineen tunnistaminen perustuisi atomipainon sijasta atomilukuun.

Sitä voisi ajatella, että asia olisi voitu päättää: alkuaineet määritellään Z:n avulla. Ongelma on, että kemistit eivät käytä sanaa aivan näin. Saksalainen kemisti Friedrich Paneth myönsi vuonna 1932 ilmestyneessä alkuaineiden määritelmää käsittelevässä uraauurtavassa artikkelissaan kaksi erilaista määritelmää, joita hän kutsui nimellä Einfacher Stoff – tyypillisesti käännettynä ”yksinkertainen aine” – ja Grundstoff eli ”primääri/perusaine”. Ensimmäinen viittaa Lavoisierin käsitykseen todellisesta, fysikaalisesta aineesta, jota ei voida pelkistää kemiallisin menetelmin perustavammiksi ainesosiksi, toinen taas abstraktiin käsitykseen: ”happi” vaikkapa atomityyppinä, jonka Z = 8.

Ghibaudi epäilee, ettemme ole päässeet vielä nykyäänkään Panethin dualismia pidemmälle. Iupac antaa tällä hetkellä kemiallisen terminologian kultaisessa kirjassaan ”elementille” kaksoismääritelmän, jonka mukaan sana voi viitata joko ”atomilajiin” (jonka Ghibaudi näkee olevan sukua Panethin ”perusaineelle”) tai, melko tautologisesti, ”puhtaaseen alkuaineeseen”.

Tämä kaksoismääritelmä on epämiellyttävä. Jos etsit ”happea” joltakin alkuaineiden verkkosivulta, sinulle todennäköisesti kerrotaan, että sillä on Z = 8 ja ehkä tietty elektroninen konfiguraatio ja asema jaksollisessa järjestelmässä – mutta myös, että se on erittäin reaktiivinen aine, jonka kaava on O2 ja kiehumispiste on -183 °C. Kemisti Mark Leachin mukaan, joka ylläpitää kemian resurssisivustoa meta-synthesis.com, tämä on kahden aivan erilaisen tiedon huolimatonta sekoittamista: toinen viittaa Panethin ”perusaineeseen” (abstrakti ideaali) ja toinen hänen ”yksinkertaiseen aineeseen” (todellinen aine). Eihän se voi olla hyvä?

Leachin mukaan lisäksi koko käsityksemme jaksollisesta järjestelmästä sekoittaa nämä kaksi asiaa hankalasti. Voisimme kuvitella, että se on ”perusaineiden” taulukointi – aika lailla näin Mendelejev näki sen. Koko jaksollisen järjestelmän käsite viittaa kuitenkin todellisten aineiden todellisiin kemiallisiin ominaisuuksiin: kemiallisten yhdisteiden valenssiin, ionisaatioenergian kaltaisiin ominaisuuksiin, metallisuuteen ja niin edelleen. ”Jos perusaineella on vain ominaisuus Z, on olemassa vain yksinkertainen luettelo”, Leach sanoo. ’Mistä jaksollisen järjestelmän rakenne sitten tulee?’

Joissakin jaksollisen järjestelmän suosituissa esityksissä on jopa kuvia alkuaineiden ”yksinkertaisista” materiaalimuodoista: timantti tai grafiitti hiilen osalta ja niin edelleen. Se on siis hämmentävä sekamelska – ja ehkä sen pitääkin olla. Sen rakentamiseen tarvitaan järkevä kompromissi sekä perusominaisuuksien että yksinkertaisten ominaisuuksien välillä, Scerri sanoo.

Tämä ei ole triviaali asia. Edelleen kiistellään esimerkiksi siitä, pitäisikö yttriumin alapuolella ryhmässä 3 olevien alkuaineiden olla lantaania ja aktiniumia vai lutetiumia ja lakrensiumia. Kiistassa on kyse siitä, pitäisikö taulukon mielestänne heijastaa ”perusominaisuuksia”, kuten elektronikonfiguraatiota, vai havaittavia ominaisuuksia, kuten kemiallista käyttäytymistä. Nämä väitteet muuttuvat vieläkin epäselvemmiksi, kun relativistiset vaikutukset (jotka johtuvat sisäkuorielektronien erittäin suurista nopeuksista) alkavat sekoittaa ihmisen valmistamien superraskaiden alkuaineiden kemiallista jaksollisuutta.

Tästä tulee raskasta

Tämä ei ole ainoa komplikaatio, jonka superraskaat tuovat mukanaan. Hämmennys siitä, onko elementti ”tavaraa” vai ”käsite”, johtuu siitä, että aiemmin ne ovat olleet molempia. Mutta onko uudella alkuaineella tosiaan aivan sama todellisuusvaatimus, kun se on olemassa vain kourallisena atomeina, jotka ovat stabiileja alle sekunnin ajan, kuten on joidenkin uusimpien keinotekoisten alkuaineiden, kuten tennessiinin, kohdalla? Jos alkuaineet määritellään osittain niiden kemiallisten ominaisuuksien perusteella, mihin jäävät alkuaineet, jotka eivät ole olemassa tarpeeksi kauan voidakseen osallistua mihinkään mielekkääseen kemialliseen vuorovaikutukseen ja jotka joka tapauksessa syntyvät vain korkeasti varattuina ioneina, jotka eivät koskaan saa täyttä elektronimäärää? ”Missä mielessä ne ovat alkuaineita, jos ne kestävät vain millisekunnin tai kaksi?” Scerri kysyy. ”En usko, että pystymme koskaan laittamaan niitä pulloihin.”

Missä mielessä ne ovat alkuaineita, jos ne kestävät vain millisekunnin tai kaksi?

Radiokemia on aina istunut hiukan epämiellyttävästi kemian tallien sisällä. Yksi yleinen tapa ajatella kemiallisia alkuaineita on, että ne ovat kemian ”säilyneitä suureita”. Aivan kuten fysiikassa massa ja energia eivät koskaan tuhoudu (vaikka ne tietysti voidaan muuntaa toisiinsa), kemian perustavanlaatuinen säilymissääntö on, että alkuaineet säilyvät: reaktiosta ei koskaan lähdetä pois siten, että siinä on vähemmän hiiltä kuin alussa oli. Mutta radiokemiassa, jossa yksi alkuaine voi hajota toiseksi, se hajoaa. Siitä, tekeekö tämä radiokemiasta ylipäätään osan kemiaa, on kiistelty sen alkuajoista lähtien, jolloin fysiikan ja kemian Nobel-komiteat kilpailivat siitä, kuka saisi myöntää palkinnot Curien ja Rutherfordin kaltaisille henkilöille (molemmat heistä ”vaativat” nykyään alkuaineita kemian puolesta alkuaineiden nimissä).

Tämä reviirisodankäynti ei ole koskaan päättynyt, kuten viimeisimmät kiistat puhtaan ja soveltavan tieteen ja sovelletun tieteen kansainvälisten liittojen (Iupapin ja Iupacin) välillä siitä, kenen pitäisi saada lausua mielipiteensä uusien alkuaineiden vahvistamisesta. Fyysikot sanovat, että vain heillä on riittävästi asiantuntemusta arvioida hiukkaskiihdyttimillä tehdyistä atomien murskauskokeista esitettyjä väitteitä. Kemistit eivät kuitenkaan mielellään anna toisen ryhmän päättää, mitä heidän arvokkaimpaan ikoniinsa, jaksolliseen järjestelmään, kuuluu.

Kuka ikinä päätöksen tekeekin, näitä uusia alkuaineita ei voi pitää kädessä. Ne korostavat aikaskaalojen uutta merkitystä. Mikä tahansa ytimien yhdistyminen, joka kestää pidempään kuin ydinsironnan tyypillinen aikaskaala, noin 10-10 sekuntia, voisi olla toisen alkuaineen muodostuminen. Mutta oikeuttaako nanosekunneissa mitattu yhdistyminen todella siihen, vai onko se vain eräänlainen resonanssi? Tämän vuoksi Schwarz sanoo, että ”kun puhumme alkuaineista, meidän pitäisi puhua myös aikaskaaloista”. Hän pohtii, pitäisikö ”alkuaineen” olla ainakin kokonaisuus, joka periaatteessa kykenee muodostamaan molekyylejä. ”Kemia on todellisten materiaalien käsityö ja tiede”, hän lisää – mutta ”fyysikoille ydin on alkuaine”. Iupac puolestaan ilmoitti hiljattain uusista kriteereistä superraskaiden alkuaineiden löytämiseksi, jotka vahvistavat, että alkuaineaseman saamiseksi vaadittava olemassaolon aikaskaala on vain
10-14s.

Aine sinänsä

Elementtien ongelma osoittaa, että, kuten Scerri sanoo, kemia tarvitsee filosofiaa. ”Kysymys ”kemiallisesta alkuaineesta”, kuten eräät muutkin kemian kysymykset, kuten aineen ja rakenteen käsitteet, herättää filosofisia kysymyksiä, joten sitä ei voida ratkaista ilman filosofian ajatuksia”, Ghibaudi sanoo. Tavallaan kysymys juontaa juurensa Platoniin, jonka käsitys ”ihanteellisista” aineettomista muodoista tuki hänen käsitystään todellisista fysikaalisista kokonaisuuksista. Panethin abstraktista ”perussubstanssista” keskustellaan joskus myös Immanuel Kantin käsitteen Ding an sich – ”asia sinänsä” eli todellisuuden perustavanlaatuinen aspekti, joka on (erehtyväisten) aistiemme ulottumattomissa.

Sisältääkö alkuaineen ”perustavanlaatuinen” määritelmä kaikki sen sisällä olevat ”yksinkertaiset” ominaisuudet?

Mutta jos kyseessä on filosofinen kysymys, jota ei voida ratkaista empirian keinoin, kenties meidän on vain tehtävä valinta Panethin ’perussubstanssin’ ja ’yksinkertaisen substanssin’ välillä elementin määritelmänä? Jotkut tutkijat ovat sitä mieltä. Scerri puolestaan ehdottaa, että alkuaineen luonne ei ole pelkästään kaksitahoinen vaan kolmitahoinen: alkuaineen substanssilla ei ole merkitystä vain raaka-aineen ominaisuuksilla vaan myös sen yhdisteiden ominaisuuksilla. Onhan yksi kemian pysyvistä ihmeistä, että natriumkloridissa ei ole jälkeäkään reaktiivisesta harmaasta metallista ja myrkyllisestä vihreästä kaasusta.

Esimerkityksille ”yksinkertainen” ja ”emäksinen” erillisten nimikkeistöjen käyttöönotto niin, että divety-molekyylejä ei enää pidettäisi ”alkuaineena vety”, vaatisi syvästi juurtuneen kemiallisen kielen uudistamista. Sarah Hijmans Université Paris-Diderot -yliopistosta Ranskassa kyseenalaistaa kuitenkin sen, tarvitseeko näin pitkälle mennä. Hän ehdottaa, että voisimme pitää sanaa ”alkuaine” sanana, joka perustuu molempiin määritelmiin. Hän sanoo, että Lavoisierin aikana ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin käyttää analyyttistä määritelmää, koska emme ymmärtäneet juuri mitään siitä, mikä erottaa alkuaineet toisistaan perustasolla. Vähitellen tasapaino on kallistunut enemmän kohti ”perustavanlaatuista” määritelmää Z:n suhteen. Mutta selvästi empiirisellä, ”kemiallisella” näkökulmalla on edelleen arvonsa, kuten jaksollinen järjestelmä havainnollistaa.

Kysymys on ehkä se, ovatko nämä kaksi itse asiassa lainkaan ristiriidassa keskenään. Eräässä mielessä Z:llä ei ole kemisteille mitään kauhean merkittävää merkitystä lainkaan, koska ytimellä ei ole juuri mitään suoraa roolia kemiallisessa käyttäytymisessä. Protonien lukumäärä on vain korvike sille, millä on kemian kannalta merkitystä: elektronien lukumäärälle sekä niiden konfiguraatiolle ja energioille.

Mutta nuo, tietyn Z:n vallitessa, ovat kvanttimekaniikan sääntöjen ennalta määräämiä. Ne voidaan ennustaa. Ja tuosta tiedosta voidaan puolestaan periaatteessa ennustaa paljon kemiallista käyttäytymistä, kuten millaisia yhdisteitä alkuaine muodostaa. Voimme jopa ennustaa joidenkin alkuaineiden fysikaaliset ominaisuudet: allotrooppiset muodot, sulamispisteet ja niin edelleen. Sisältääkö alkuaineen ”perusmääritelmä” siis kaikki ”yksinkertaiset” ominaisuudet, jotka paljastuvat sitä mukaa, kun laskentakykymme paranevat?

Mahdollisesti meidän on kuitenkin hyväksyttävä, että alkuaineen käsitteeseen liittyy aina tiettyä epämääräisyyttä. Ja ehkä se ei ole niin paha asia. Kemistit ovat loppujen lopuksi tottuneet siihen – kuten Nobel-palkittu Roald Hoffmann on huomauttanut, he käyttävät ikuisesti käsitteitä, joilla ei ole yksiselitteistä ja tarkkaa määritelmää, kuten elektronegatiivisuus ja ionisäde, ilman että se vähentää niiden arvoa alalle. ”Epämääräisyydellä oli hyödyllinen rooli ajattelussa”, Mahootian sanoo. Ehkä tärkeintä ei ole epämääräisyys sinänsä, hän väittää, vaan sen varmistaminen, ettei se ole pelkkää huolimattomuutta.

Mitä sitten on hiili? Vastaus voi Schwarzin mukaan riippua siitä, kenelle puhumme. Eri yleisöille ja eri tarkoituksiin se voi olla nokea, se voi olla alkuaine kuusi, se voi olla luonnollinen isotooppien seos tai metaanin komponentti. Todella alkeellista.

Philip Ball on tiedekirjailija Lontoossa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa

.