valitse Tekstitaso:
aine muodostaa kaiken näkyvän tunnetussa maailmankaikkeudessa bajamajoista supernoviin. Ja koska ainetta ei koskaan luoda tai tuhota, se kiertää maailmamme läpi. Atomit, jotka olivat dinosauruksessa miljoonia vuosia sitten—ja tähdessä miljardeja vuosia ennen sitä—saattavat olla sisälläsi nykyään.
aine on kaikkea, jolla on massaa ja joka vie tilaa. Se sisältää molekyylejä, atomeja, perushiukkasia ja mitä tahansa ainetta, jota nämä hiukkaset muodostavat. Aine voi muuttaa muotoaan fysikaalisten ja kemiallisten muutosten kautta, mutta minkä tahansa näistä muutoksista kautta aine säilyy. Sama määrä ainetta on olemassa ennen ja jälkeen muutoksen-mitään ei luoda eikä tuhota. Tätä käsitettä kutsutaan massan Säilymislaiksi.
fysikaalisessa muutoksessa aineen fysikaaliset ominaisuudet voivat muuttua, mutta sen kemiallinen rakenne ei. Esimerkiksi vesi koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista. Vesi on ainoa tunnettu aine maapallolla, jota esiintyy luonnostaan kolmessa olomuodossa: kiinteänä, nestemäisenä ja kaasuna. Jotta vesi muuttuisi näiden valtioiden välillä, sen on tehtävä fyysisiä muutoksia. Kun vesi jäätyy, siitä tulee kovaa ja vähemmän tiheää, mutta se on silti kemiallisesti samanlaista. Vesimolekyylejä on yhtä paljon ennen muutosta ja sen jälkeen, ja veden kemialliset ominaisuudet pysyvät muuttumattomina.
veden muodostamiseksi vety – ja happiatomien on kuitenkin käytävä läpi kemiallisia muutoksia. Jotta kemiallinen muutos tapahtuisi, atomien on joko katkaistava sidoksia ja / tai muodostettava sidoksia. Atomisidosten yhteen-tai vähennyslasku muuttaa kyseessä olevien aineiden kemiallisia ominaisuuksia. Sekä vety että happi ovat diatomisia – ne esiintyvät luonnossa sitoutuneina pareina (H2 ja O2). Oikeissa olosuhteissa ja riittävällä energialla nämä diatomisidokset katkeavat ja atomit yhtyvät muodostaen H2O: ta (vettä). Kemistit kirjoittavat tämän kemiallisen reaktion seuraavasti:
2H2 + O2 → 2H2O
tämä yhtälö sanoo, että kahden vesimolekyylin muodostamiseen tarvitaan kaksi molekyyliä vetyä ja yksi molekyyli happea. Huomaa, että yhtälön kummallakin puolella on sama määrä vety-ja happiatomeja. Kemiallisissa muutoksissa aine säilyy samoin kuin fyysisissäkin muutoksissa. Erona tässä tapauksessa on se, että ennen ja jälkeen muutoksen aineilla on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Vety ja happi ovat kaasuja normaalilämpötilassa ja-paineessa, kun taas vesi on väritön, hajuton neste.
ekosysteemeissä tapahtuu monia kemiallisia ja fysikaalisia muutoksia yhtä aikaa, ja aine säilyy jokaisessa—ei poikkeuksia. Ajatellaanpa kanjonin läpi virtaavaa jokea—kuinka monta kemiallista ja fysikaalista muutosta milloinkin tapahtuu?
tarkastellaan ensin vettä. Monissa kanjonipuroissa vesi tulee korkeammalta ja on peräisin lumena. Vesi ei tietenkään alkanut siitä—sitä on pyöritelty ympäri maailmaa siitä lähtien, kun maapallolla oli vettä. Mutta kanjonivirran yhteydessä se alkoi vuoristossa lumena. Lumen on käytävä läpi fyysinen muutos-sulaminen-liittyäkseen puroon. Kun nestemäinen vesi virtaa kanjonin läpi, se voi haihtua (toinen fyysinen muutos) vesihöyryksi. Vesi antaa hyvin selvän esimerkin siitä, miten aine kiertää maailmamme muuttaen usein muotoaan, mutta ei koskaan katoa.
tarkastelkaamme seuraavaksi purossa ja sen varrella eläviä kasveja ja leviä. Fotosynteesiksi kutsutussa prosessissa nämä eliöt muuttavat auringon valoenergian kemialliseksi energiaksi, joka varastoituu sokereihin. Valoenergia ei kuitenkaan tuota niitä atomeja, jotka muodostavat ne sokerit—jotka rikkoisivat massan säilymislain—se vain antaa energiaa kemialliselle muutokselle. Atomit ovat peräisin ilman hiilidioksidista ja maaperän vedestä. Valoenergia mahdollistaa näiden sidosten katkeamisen ja uudistumisen sokerin ja hapen tuottamiseksi, kuten fotosynteesin kemiallinen yhtälö osoittaa:
6co2 + 6H2O + valo → C6H12O6 (sokeri)+ 6O2
tämän yhtälön mukaan kuusi hiilidioksidimolekyyliä yhdistyy kuuden vesimolekyylin kanssa muodostaen yhden sokerimolekyylin ja kuusi happimolekyyliä. Jos laskisit yhteen kaikki hiili -, vety-ja happiatomit yhtälön kummallakin puolella, summat olisivat yhtä suuret; aine säilyy tässä kemiallisessa muutoksessa.
kun Eläimet purossa ja sen ympäristössä syövät näitä kasveja, niiden elimistö käyttää varastoitunutta kemiallista energiaa solujensa voimanlähteeksi ja liikkumaan. Ne käyttävät ravinnossaan olevia ravintoaineita kasvattaakseen ja korjatakseen kehoaan-uusien solujen atomien täytyy tulla jostakin. Minkä tahansa eläimen ruumiiseen menevän ravinnon täytyy joko lähteä sen ruumiista tai tulla osaksi sitä; atomeja ei tuhoudu eikä synny.
ainetta säilyy myös kivikierron fysikaalisten ja kemiallisten muutosten aikana. Kun puro kaivertaa syvemmälle kanjoniin, kanjonin lattian kivet eivät katoa. Puro syövyttää ne ja kuljettaa ne pieninä palasina, joita kutsutaan sedimenteiksi. Nämä sedimentit saattavat asettua järven tai lammen pohjalle puron päähän ja kertyä ajan kuluessa kerroksittain. Jokaisen lisäkerroksen paino tiivistää sen alla olevia kerroksia ja lisää lopulta niin paljon painetta, että syntyy uusia sedimenttikivilajeja. Tämä on kivelle fyysinen muutos, mutta oikeissa olosuhteissa kivi voi muuttua myös kemiallisesti. Kummassakin tapauksessa Kalliossa oleva aine säilyy.
asian ydin on: aine kiertää kaikkeuden läpi monissa eri muodoissa. Missään fysikaalisessa tai kemiallisessa muutoksessa aine ei ilmesty eikä häviä. Tähdissä (hyvin, hyvin kauan sitten) luodut atomit muodostavat jokaisen elävän ja elottoman olennon maan päällä-jopa sinut. On mahdotonta tietää, kuinka pitkälle ja minkä muodon läpi atomit kulkivat tehdäkseen sinut. On mahdotonta tietää, mihin he seuraavaksi päätyvät.
Tämä ei kuitenkaan ole koko aineen tarina, vaan näkyvän aineen tarina. Tiedemiehet ovat saaneet selville, että noin 25 prosenttia maailmankaikkeuden massasta koostuu pimeästä aineesta—aineesta, jota ei voi nähdä, mutta joka voidaan havaita sen gravitaatiovaikutusten avulla. Pimeän aineen tarkkaa luonnetta ei ole vielä selvitetty. Toiset 70 prosenttia maailmankaikkeudesta on vielä salaperäisempää komponenttia, pimeää energiaa, joka toimii painovoiman vastaisesti. ”Normaali” aine muodostaa siis korkeintaan viisi prosenttia maailmankaikkeudesta.