Efnafræði: Vísindagrein

Efnafræði er sú undirgrein náttúruvísindanna sem fjallar um frumefnin sem allt efni er búið til úr, og efnasambönd búin til úr frumeindum, sameindum og jónum: samsetningu þeirra, uppbyggingu, eiginleika, hegðun og breytingu sem verður á þeim þegar þau ganga í gegnum efnahvörf.

Efnafræði tekur fyrir efni eins og hvernig frumeindir og sameindir víxlverka í gegnum efnatengi og mynda ný efnasambönd. Efnatengjum má skipta niður í tvo flokka: grunnefnatengi (e. primary chemical bond), tengi eins og samgild tengi, þar sem frumeindir deila með sér einni eða fleiri rafeindum; jónatengi, þar sem frumeind gefur annari frumeind eina eða fleiri rafeindir og myndar þar með jónir (katjónir og anjónir); málmtengi, og svo veik efnatengi (e. secondary chemical bond) sem eru tengi sem stafa af millisameindakröftum, tengi eins og vetnistengi, van der Waals-tengi, jóna-jóna víxlverkanir og jóna-tvískauts víxlverkanir.

Líkanið sem notast er við til að lýsa byggingu frumeinda byggist á skammtafræði. Í grunninn þá rannsakar efnafræðin öreindir, frumeindir, sameindir, efnasambönd, málma, kristala og önnur form efnis. Efni geta verið rannsökuð í mismunandi fösum, ein og sér eða í ýmsum samsetningum. Efnahvörf og aðrar breytingarnar sem verða á efnum eiga sér yfirleitt stað út af víxlverkunum milli frumeinda, sem leiðir til endurröðunar á efnatengjunum sem halda frumeindunum saman. Slíkar breytingar eru rannsakaðar á rannsóknarstofum.

Efnahvarf er ferli þar sem efni breytist; efnasambönd myndast, breytast eða brotna niður. Efnahvörfum má almennt séð lýsa sem breytingu á efnatengjum milli frumeinda. Fjöldi frumeinda fyrir og eftir efnahvörf helst alltaf sá sami. Ef fjöldinn helst ekki stöðugur er um kjarnahvarf að ræða. Efnahvörf fylgja alltaf ákveðnum reglum sem kallast efnafræðilögmál.

Orka og óreiða koma einnig mikið við sögu í efnafræði.

Hægt er að greina efnasambönd með verkfærum efnagreiningar, t.d.. litrófsgreining og litskiljun.

Ýmis hugtök eru mikilvæg í efnafræði; nokkur þeirra eru:

Efni

Í efnafræði er efni skilgreint sem allt sem hefur massa og rúmmál og er búið til úr eindum. Eindirnar sem efni inniheldur hafa einnig massa. Efni getur verið hreint efni eða efnablanda.

 

Frumeind

Frumeindir eru grunneiningar efnafræðinnar. Þær eru samsettar úr kjarna sem er umkringdur skýi af rafeindum. Kjarninn er samsettur úr jákvætt hlöðnum róteindum og óhlöðnum nifteindum (saman flokkast þær sem kjarneindir). Rafeindirnar eru neikvætt hlaðnar og sveima í kringum kjarnann. Í hlutlausum frumeindum eru jafn margar rafeindir og róteindirnar sem eru í kjarnanum, þannig vegur neikvæða hleðsla rafeindanna upp á móti jákvæðu hleðslu róteindanna. Kjarni frumeindar er mjög eðlisþungur; massi kjarneinda er um það bil 1836 sinnum meiri en massi rafeindar, samt er geisli frumeindar um það bil 10 þúsund sinnum meiri en geisli kjarnans.

Frumeindin er smæsta aðgreinanlega eining frumefnis, sem jafnramt hefur efnafræðilega eiginleika þess að bera, svo sem rafneikvæðni, jónunarorka, oxunarástönd, girðitala, og hvers konar efnatengi efnið myndar.

 

Frumefni

Frumefni er hreint efni sem eingöngu er samsett úr einni tegund frumeindar, sem einkenndar eru út frá fjölda róteinda í kjarna þeirra. Fjöldi róteinda í kjarna frumeindar er einnig þekktur sem sætistala frumeindarinnar. Massatala frumeinda er summa fjölda róteinda og nifteinda í kjarnanum. Þó svo að kjarnar frumeinda í frumefni hafa allir sama fjölda róteinda, hafa þeir ekki endilega sömu massatölu; frumeindir frumefnis sem hafa mismunandi massatölu kallast samsætur. Sem dæmi má taka að allar frumeindir sem hafa 6 róteindir í kjarnanum flokkast sem kolefni, en kolefniseindir geta haft massatölu 12 eða 13, það fer eftir fjölda nifteinda í kjarnanum.

Frumefnunum er raðað upp í töflu sem kallast lotukerfið, þar sem þeim er raðað eftir sætistölu. Lotukerfinu er skipt í lotur (raðir), og flokka (dálka). Lotukerfið er mjög gagnlegt til að bera kennsl á lotubunda eiginleika frumefna.

 

Efnasamband

Efnasamband er hreint efni sem er samsett úr fleiri en einni tegund frumeinda. Efnaeiginleikar efnasambanda eru oft mjög ólíkir eiginleika frumeindanna sem efnasambandið er samsett úr. Alþjóðasamtök um hreina og hagnýta efnafræði (IUPAC) halda utan um það nafnakerfi sem notað er um efnasambönd. Chemical Abstract Service, deild innan Efnafræðifélags Bandaríkjanna, hefur búið til kerfi til að flokka efnasambönd. Efnasamböndunum er gefið númer sem kallast CAS númer.

Sameind

 

Sameind er minnsta aðgreinanlega eining hreins efnis sem hefur efnafræðilega eiginleika efnisins, það er, hvernig það gengur í gegnum efnahvörf með öðrum efnum. Þessi skilgreining er þó ekki algild því hrein efni eru ekki alltaf úr sameindum, heldur geta sölt, frumefni og málmblöndur einnig flokkast sem hrein efni. Sameindir samanstanda yfirleitt af frumeindum sem eru tengdar saman með samgildum tengjum, þannig að efnabyggingin sé óhlaðin og allar gildisrafeindir eru paraðar með öðrum rafeindum annað hvort í efnatengjum eða í rafeindapörum.

Sameindir eru, ólíkt jónum, alltaf hlutlausar. Þegar þessi regla er brotin, það er, „sameindin“ fær hleðslu, þá er eindin stundum kölluð sameindajón eða fjölatóma jón. Sumar sameindir hafa eina eða fleiri óparaða rafeind. Slíkar sameindur kallast stakeindir eða róttæklingar, og eru almennt mjög hvarfgjarnar, en sumar, eins og nituroxíð (NO) geta verið stöðugar.

Eitt aðaleinkenni sameinda er efnabyggingin þeirra. Efnabygging sameindar spilar stóran þátt í að ákvarða eiginleika sameindarinnar.

Hrein efni og efnablöndur

Hrein efni (e. chemical substance) eru efni sem hafa fasta samsetningu og eiginleika. Blanda af hreinum efnum kallast efnablanda. Dæmi um efnablöndur er andrúmsloftið og mjólk. Dæmi um hrein efni eru demantur og matarsalt.

Mól

Mól er mælieining sem lýsir magni efnis. Eitt mól er skilgreint sem nákvæmlega 6,02214076 ×10²³ eindir (frumeindir, sameindir, jónir eða rafeindir), þar sem fjöldi einda í einu móli er þekkt sem tala Avogadros. Mólarstyrkur er magn efnis á rúmmál í lausn, oft táknað með einingunni mól/L

Fasi

 

Efni geta verið til á nokkrum mismunandi fösum. Fasarnir skilgreinast út frá hamskiptunum, þar sem orkan sem bætist við kerfið eða losnar úr því fer í að breyta uppsetningu kerfisins í stað þess að breyta aðstæðum kerfisins, svo sem hitastigi eða þrýstingi.

Þekktustu fasarnir eru föst efni, vökvar og gös. Mörg efni hafa marga fasa af föstu efni. Sem dæmi hefur járn þrjá fasa af föstu efni (alfa, gamma og delta) sem eru mismunandi eftir hitastigi og þrýstingi. Munurinn á milli mismunandi fastra fasa er felst í kristalsbyggingu efnisins, það er, hvernig frumeindirnar raðast upp.

Fleiri fasar en þessir þrír eru einnig til. Þar ber helst að nefna rafgas, sem oft er nefnt „fjórði efnishamurinn“.

Annar algengur fasi sem efnafræðingar vinna með er vatnsfasi, það er þegar efni er uppleyst í vatni.

Efnatengi

Orka

Efnahvarf

Jónir og sölt

Jón er hlaðin eind, frumeind eða sameind, sem hefur annað hvort tapað eða fengið eina eða fleiri rafeindir. Þegar frumeind tapar rafeind, og hefur þar af leiðandi fleiri róteindir en rafeindir, verður hún plúshlaðin jón, oft kölluð katjón. Þegar frumeind fær rafeind, og hefur þar af leiðandi fleiri rafeindir en róteindir, verður hún neikvætt hlaðin jón, oft kölluð anjón. Katjónir og anjónir geta myndað saman kristala af hlutlausum söltum, til dæmis mynda Na⁺ og Cl⁻ natríumklóríð, eða NaCl. Dæmi um fjölatómajónir sem klofna ekki við sýru-basa efnahvörf eru hýdroxíð (OH⁻) og fosfat (PO₄³⁻).

Súrleiki og styrkur basa

 

Mörg efni er hægt að skilgreina sem sýru eða basa. Til eru nokkrar kenningar sem útskýra sýru-basa hegðun. Einfaldasta kenningin er kenning sænska efnafræðingsins Svante Arrhenius, sem segir að sýra sé efni sem framleiðir hýdróníumjónir þegar það er leyst upp í vatni, og að basi framleiði hýdroxíð jónir þegar hann er leystur upp í vatni. Samkvæmt Brønsted–Lowry sýru-basa kenningunni, eru sýrur efni sem gefa frá sér plúshlaðna vetnisjón til annars efnis og að basi sé efni sem þiggur slíka jón.

Önnur mikilvæg sýru-basa kenning er Lewis sýru-basa kenningin, sem byggist á myndun nýrra efnatengja. Lewis kenningin segir að sýra sé efni sem getur þegið rafeindapar frá öðru efni við myndun nýs efnatengis, á meðan basi sé efni sem getur veitt rafeindapar til þess að mynda nýtt tengi.

Súrleiki er oft mældur með tveimur aðferðum. Önnur aðferðin, sem byggist á kenningu Arrhenius, er pH, sem er mæling á styrk hýdróníumjóna í lausn, er tjáð á neikvæðum lograskala. Lausn sem hefur lágt pH-gildi hefur þar af leiðandi háan styrk hýdróníumjóna og myndi þá teljast súr.

Hin mæliaðferðin, sem byggð er á Brønsted–Lowry kenningunni, er sýruklofningsfastinn (K_a (a fyrir acid, oft skrifað sem K_s á Íslandi)), sem mælir eiginleika efnis til að haga sér eins og sýra samkvæmt Brønsted–Lowry útskýringunni á sýru. Efni sem hafa hærri K_a gildi eru líklegri til að gefa frá sér vetnisjón í efnahvörfum en þau sem hafa lægri K_a gildi.

Oxunar-afoxunar hvörf

Oxunar-afoxunar hvörf, einni þekkt sem redox hvörf (út af enska heitinu reduction-oxidation), eru efnahvörf þar sem oxunarástand frumeinda breytist annað hvort með því að fá rafeindir (afoxun) eða með því að tapa rafeindum (oxun). Efni sem hafa eiginleikann að geta oxað önnur efni kallast oxarar. Oxarar fjarlægja rafeindir af öðrum efnum. Á sama hátt, kallast efni sem geta afoxað önnur efni, afoxarar. Afoxarar gefa öðru efnum rafeindir og oxast þar af leiðandi sjálfir í leiðinni.

Jafnvægi

Jafnvægi er að finna í mörgum greinum vísindanna. Í efnafræðilegu samhengi er jafnvægi ástand þar sem styrkur efna í efnahvörfum eða í fasabreytingum helst stöðugur.

Þó svo að styrkur efna haldist stöðugur við jafnvægi, þá halda efnin í lausninni yfirleitt áfram að hvarfast við hvort annað, fram og til baka, jafn hratt í báðar áttir. Slík jafnvægi eru kölluð kvik jafnvægi.

Efnafræðilögmál

Efnahvörf fylgja öll vissum lögmálum sem eru í raun undirstaða allrar efnafræði.

Dæmi um efnafræðilögmál eru:

Lögmál Avogadros

Lögmál Beer-Lambert

Lögmál Boyles (1662, tengir saman þrýsting og rúmmál)

Lögmál Charles (1787, tengir saman rúmmál og hitastig)

Lögmál Daltons

Regla Le Chatelier

Lögmál Henrys

Lögmál Hess

Lögmál Gay-Lussac (1809, tengir saman þrýsting og hitastig)

Lögmálið um föst massahlutföll

Lögmálið um margfeldni hlutfallanna

Massavarðveislulögmálið

Orkuvarðveislulögmálið

Lögmál Raoults

Efnafræðin er yfirleitt flokkuð í eftirfarandi fimm aðalsvið. Sum þeirra skarast við aðrar vísindagreinar meðan önnur eru sérhæfðari:

Efnagreining
Efnagreining er greining sýna til þess að fá upplýsingar um efnainnihald þeirra og byggingu.
Ólífræn efnafræði
Ólífræn efnafræði fjallar meðal annars um eiginleika og hvörf ólífrænna efnasambanda. Stór þáttur greinarinnar er kristallafræði og sameindasvigrúm. Skilin milli lífrænnar og ólífrænnar efnafræði eru mjög óskýr enda skarast greinarnar í málmlífrænni efnafræði.
Lífræn efnafræði
Lífræn efnafræði fjallar aðallega um byggingu, eiginleika, samsetningu og efnahvörf lífrænna efnasambanda. Lífræn efnafræði fjallar sérstaklega um þær sameindir sem innihalda kolefni. Lífræn efni eru ekkert endilega meira lifandi en önnur, en ástæða nafngiftarinnar er að þau greindust fyrst í lífverum. Dæmi um lífræn efni eru plöst, fitur og olíur.
Eðlisefnafræði
Eðlisefnafræði fæst einkum við eðlisfræði efnafræðinnar, þá sérstaklega orkuástönd efnahvarfa. Aðalrannsóknarsviðin innan eðlisefnafræðinnar eru meðal annars safneðlisfræði, hvarfhraðafræði, varmaefnafræði, skammtafræðileg efnafræði og litrófsgreining.
Lífefnafræði
Lífefnafræði fæst við efnahvörf, sem eiga sér stað inni í lífverum og eru oftast hvötuð af ensímum. Einnig er bygging efna og virkni þeirra skoðuð. Þetta eru efni á borð við prótein, lípíð, kjarnsýrur og aðrar lífsameindir.
Aðrar sérhæfðari greinar eru meðal annars hafefnafræði, kjarnefnafræði, fjölliðuefnafræði, efnaverkfræði og fleiri greinar.

• Neil Bartlett blandar saman xenoni og flúori og smíðar þar með fyrstu eðallofttegundar-sameindina, xenontetraflúoríð (1962)