Kemia onaineen koostumusta, ominaisuuksia ja muuttumista tutkivatiede.[1][2] Kemia luokitellaanluonnontieteisiin[3] ja se tutkii pääasiassaalkuaineiden ja niiden muodostamienyhdisteiden, kutenmolekyylien, rakennetta ja käyttäytymistä sekä etsii keinoja molekyylien tunnistamiseksi ja valmistamiseksi.[4][5]Alkuaineiden varsinainen koostumus –atomit jaalkeishiukkaset – kuuluvat sen sijaanfysiikan aihepiiriin.[6] Kemian tutkimuksessa keskitytäänkemiallisiin reaktioihin jakemiallisiin sidoksiin; alkuaineita ei voida jakaa tai muuttaa toiseksi aineeksikemiallisissa prosesseissa.[7][8] Kemia ja fysiikka kuitenkin hyödyntävät osin samojakonsepteja, kuten esimerkiksi kemiassa huomioidaanenergia jamassa kemiallisia reaktioita tarkasteltaessa.[9]
Kemiantutkimuksen tuloksia ovat esimerkiksimuovit,maalit,lääkkeet,lannoitteet,polttoaineet,pesuaineet,räjähteet jametalliseokset. Kemiantuotteilla on ollut suuri merkitys modernin yhteiskunnan materiaalisen perustan mahdollistamisessa esimerkiksi lannoitteiden ja polttoaineiden myötä ja erilaisia kemiantuotteita varten on syntynyt niitä jalostavakemianteollisuus. Kemia mahdollistaa erilaisten ihmisille hyödyllisten aineiden tuottamisen ja nykyään tämä tuotanto on järjestäytynyt kustannustehokkaaksi teollisuustuotannoksi. Tavallisesti tällöin on kyseprosessiteollisuudesta, jossa hyödynnetään kemiallisten käsittelyvaiheiden lisäksi myös fysikaalisia käsittelyvaiheita. Ilman kemiaa esimerkiksiöljyn jalostaminenbensiiniksi ei olisi mahdollista. Kemia jaetaan viiteen alaan:orgaaniseen kemiaan,epäorgaaniseen kemiaan,fysikaaliseen kemiaan,analyyttiseen kemiaan jabiokemiaan.
Sanatkemia jaalkemia tulevatarabian sanastaal-kimiya, joka tarkoittaaviisasten kiveä. Arabian sana perustuu mahdollisesti varhaisenkiinan kultaa merkitsevään sanaankim taiEgyptin muinaiseen nimeenKhem. Sanaakhemeia käytetään keisariDiocletianuksen vuonna 296 antamassa mahtikäskyssä, jossa määrätään egyptiläiset kemiaa käsittelevät kirjoitukset poltettaviksi.
Ensimmäinen kemiallinen reaktio, jota ihminen oppi hyödyntämään, olipalaminen. Varhaisia keksintöjä olivat myöslasin,keramiikan,väriaineiden jametallien valmistus. Metalleista puhtaana esiintyykulta ja joskus myöshopea jakupari. Joissakinmeteoriiteissa on puhdastarautaa. Kuparia jalyijyä valmistettiinmalmeistaEgyptissä jaKaksoisvirranmaassa vuonna 4000 eaa.,pronssia vuonna 3000 eaa. Rautaa alettiin tuottaa suuria määriä vuoden 1000 eaa. paikkeilla, kun kehitettiin suuret lämpötilat mahdollistanutahjo.
Antiikin Kreikan filosofit kehittivät teorioita aineiden rakenteista.Empedokles (noin 490-luku eaa. – 430 eaa.) väitti, että maailma koostuu neljästä perusaineesta:tulesta,vedestä,maasta jailmasta.Leukippoksen oppilasDemokritos (noin 460-luku eaa. – 370 eaa.) esitti aineen koostuvan atomeista, joita ei voi jakaa pienempiin osiin. Hänen mukaansa uudet aineet syntyvät, kun atomit järjestyvät uudelleen.Aristoteles (384 eaa. – 322 eaa.) rakensi oman teoriansa neljän alkuaineen pohjalle, mutta hän ei hyväksynyt atomioppia. Aristoteleen näkemyksiä pidettiin valtaosin oikeina 1500-luvulle saakka.
Kreikkalaisia käytännönläheisemmin kemiaan suhtautuivatAleksandrianalkemistit. Heidän tavoitteenaan oli muuttaa halvat metallit kullaksi. MyösKiinassa harjoitettiin alkemiaa ainakin vuosina 175 eaa. – 1000 jaa. Aleksandrian alkemia muuttuiislamilaiseksi noin 800-luvulla ja islamilainen taas eurooppalaiseksi 1100-luvulla. Kullan tavoittelu osoittautui myöhemmin turhaksi, mutta alkemian aikana myös kehitettiin laboratoriovälineitä ja eristettiin monia tärkeitä kemiallisia yhdisteitä kutenetanoli jatyppihappo.
Alkemia alkoi muuttua kemiaksi 1600-luvulla.Jan Baptist van Helmont (1577–1644) oli vielä alkemisti, mutta hän myös tutki kemiallisia reaktioita vaa’an avulla ja tunnistikaasut omaksi aineluokaksi. Ensimmäiset selvästi kvantitatiiviset kemialliset kokeet tekiRobert Boyle (1627–1691). Boyle hylkäsi neljän alkuaineen teorian ja ravisteli muutenkin vanhoja ajattelutapoja.
Georg Ernst Stahl esitti vuonna 1703Johann Joachim Becherin teorian pohjalta, että aineenpalaessa siitä vapautuuflogistonia. Suljetussa astiassa palaminen loppui siinä vaiheessa, kun astia kyllästyi flogistonilla.
Flogistonin avulla pystyttiin selittämään monia reaktioita. Koskametallit muuttuivathapettuessaan "kalkiksi" (nykyisen terminologian mukaan metallioksidiksi), niiden täytyi koostua "kalkista" ja flogistonista. Toisaalta kuumentamalla ”kalkkia” yhdessä hiilen kanssa saatiin jälleen metallia, minkä oletettiin johtuvan siitä, että hiili sisälsi runsaasti flogistonia, joka yhtyi "kalkin" kanssa metalliksi.[10] Flogistonteoria menestyi 1700-luvun jälkipuoliskolle asti, mutta osoittautui lopulta täysin virheelliseksi.
Nykyaikaisen kemian perustajana pidetäänAntoine Lavoisier'ta (1743–1794). Lavoisier osoitti kokeillaan, että palaminen merkitsee aineen yhtymistähappeen. Hän myös muotoiliaineen häviämättömyyden lain, julkaisialkuainetaulukon ja uudisti kemian käsitteitä. Samalla myös metalli"kalkin" ja hiilen välinen reaktio oli selitettävä uudestaan: "Kalkki" eli metallioksidi on metallin ja hapen yhdiste. Kuumennettaessa hiili sitoo metallioksidista hapen palaenhiilidioksidiksi, jolloin metallioksidi samalla pelkistyy metalliksi. Tähän reaktioon perustuu esimerkiksi rautamalmin pelkistäminenraudaksi hiilen avulla.
Kemia alkoi erottua fysiikasta omaksi tieteenalakseen 1800-luvulla.John Dalton julkaisi vuonna 1808 atomiteoriansa. Teoria hyväksyttiin yleisesti vasta vuosisadan loppupuolella. Vuonna 1813Jöns Jakob Berzelius otti käyttöön nykyisen kaltaisetkemialliset merkit.Dmitri Mendelejev jaLothar Meyer kehittivätjaksollisen järjestelmän lähes samanaikaisesti 1860-luvun lopussa.
Tärkeä käännekohta modernissa kemiassa oli 1860 pidettyKarlsruhen Kongressissa. Siellä italialainen kemistiStanislao Cannizzaro esitti selityksen, joka selitti epäorgaanisten aineiden poikkeuksellisen käyttäytymisen ja todisti sitenAvogadron lain paikkansapitävyyden.[11]
1900-luvulta alkaen kemia on kehittynyt nopeasti. Kemian teoreettista pohjaa on vahvistanutkvanttimekaniikkaan perustuvakvanttikemia. Tietotekniikan kehityksen ansiostalaskennallinen kemia saavuttaa yhä parempia tuloksia. Monet analyysimenetelmät, erityisestispektreihin tukeutuvat, ovat nykyään tarkkoja ja automaattisia.
Suomessa on valmistettutervaa suuressa mitassa 1500-luvulta lähtien. Suomalaisen kemianteollisuuden panivat alulleapteekkarit.Johan Jacob Julin (1787–1853) perusti typpihappotehtaanTurkuun ja metalliyrityksenFiskariin. Ensimmäinenpaperitehdas perustettiin 1667. Se käytti raaka-aineena lumppuja.Nokialle perustettiinsulfiittiselluloosatehdas vuonna 1885.
Nykyään kemianteollisuus on Suomen kolmanneksi suurin teollisuuden ala. Se valmistaa muun muassa muoveja, lannoitteita, väriaineita, lääkkeitä, metalleja, puun- ja öljynjalostustuotteita sekä peruskemikaaleja kutenrikkihappoa.
Suomen ensimmäinen kemianprofessoriPehr Adrian Gadd (1727–1797) paransisalpietarin valmistusmenetelmää. Varsinaisen kemiantutkimuksen Suomessa aloitti Gaddin seuraaja, alkuaineyttriumin löytänytJohan Gadolin (1760–1852). Hänen jälkeensä professorina toimiPehr Adolf von Bonsdorff, joka muun muassa valmisti 80 erilaista kaksoissuolaa. Tunnetuimpia suomalaisia kemistejä oli muun muassakamferin kokonaissynteesin kehittänytGustaf Komppa. SuomalaisistaNobelin kemianpalkinnon on saanut biokemistiA. I. Virtanen (1895–1973). Palkinto myönnettiin erityisestituorerehun säilöntämenetelmän kehittämisestä.
Kemiassa perushiukkasia ovat atomit, jotka koostuvatprotoneista,neutroneista jaelektroneista.Kemiallisten aineiden moninaisuus pohjautuu atomien kykyyn yhdistyä elektronien välityksellämolekyyleiksi. Yhdistävää voimaa sanotaankemialliseksi sidokseksi. Voima onsähkömagneettinen. Sidos voi ollaionisidos,kovalenttinen sidos taimetallisidos. Raja ionisidoksen ja kovalenttisen sidoksen välillä on liukuva. Ionisidoksessa atomit luovuttavat ja vastaanottavat elektroneja, jolloin syntyy positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita hiukkasia eliioneja, jotka vetävät toisiaan puoleensa. Kovalenttisessa sidoksessa atomit jakavat yhden tai useamman elektroniparin. Metallisidoksessa elektronit liikkuvat vapaasti paikallaan olevien metalliytimien välissä. Molekyylien sisäisten ja niiden välisten sidosten luonne vaikuttaa aineiden ominaisuuksiin.
Molekyylin sisältämät aineet ilmoitetaan alkuaineet listaavassakemiallisessa kaavassa. Esimerkiksivesi, jonka kaava on H2O, koostuu kahdestavetyatomista ja yhdestähappiatomista. Molekyylikaava ei yksilöi molekyyliä: C2H6O voi olla jokoetanoli taidimetyylieetteri. Atomien järjestyksen kertoo rakennekaava. Etanoli merkitään C2H5OH tai lyhyemmin EtOH ja dimetyylieetteri (CH3)2O tai lyhyemmin Me2O. Atomit, joissa on yhtä monta protonia, ovat samaaalkuainetta. Alkuaineet on järjestetty rakenteen perusteellajaksolliseen järjestelmään, jossa toisiaan kemiallisesti muistuttavat alkuaineet ovat samassa ryhmässä.
Koska pienissäkin määrissä kemiallisiayhdisteitä on valtavasti molekyylejä, on otettu käyttöönainemäärän yksikkömooli. Yhden moolin ainemäärä vastaa noin 6,022 × 1023 kappaletta kyseistä ainetta. Jokaiselle alkuaineelle on laskettu oma moolimassansa, joka on yhtä moolia vastaava massa. Esimerkiksi 50grammassametanolia on noin 940 000 000 000 000 000 000 000 molekyyliä eli 1,6 moolia. Aineiden määriä ja suhteita sekä näiden muuttumista tutkivaa kemian osa-aluetta kutsutaanstoikiometriaksi.
Aineet jaetaan täysin puhtaisiin aineisiin jaseoksiin. Seosten tärkeä erityistapaus onliuos. Seosten osia voidaan erottaa esimerkiksisuodattamalla,tislaamalla,dekantoimalla,sentrifugoimalla,sublimoimalla,kromatograafisilla menetelmillä,kiteyttämällä,haihduttamalla taiuuttamalla.
Aineiden muuttumista toisiksi aineiksi sanotaan kemiassareaktioksi.Olomuodon vaihtumista ei pidetä kemiallisena reaktiona vaanfysikaalisena prosessina, koska siinä ei synny uusia sidoksia. Reaktiota voidaan nopeuttaa lisäämällä reagoivia aineita, nostamallalämpötilaa, sekoittamalla, hienontamalla lähtöaineita (kasvattamalla reaktiopinta-alaa) tai käyttämällä sopivaakatalyyttiä. Reaktiossa jokositoutuu taivapautuuenergiaa. Reaktion tapahtuminen voidaan havaitakaasun vapautumisena, lämpötilan muutoksena, liuoksen värin muuttumisena tai sakan muodostumisena.
Kemian alkuaikoina yhdisteitä ei nimetty minkään järjestelmän mukaan. Siksi vieläkin puhutaan triviaaliniminilokaasusta taimuurahaishaposta, kun tarkoitetaandityppimonoksidia taimetaanihappoa. Systemaattisen nimeämisen tavoitteena on, että jokainen yhdiste voidaan nimetä yksikäsitteisesti ja että jokaisesta nimestä selviää, miten yhdisteen atomit ovat järjestyneet. Systemaattisen nimistön pohjana ovat kemian järjestöIUPAC:n suositukset.
Mutkikkaiden yhdisteiden systemaattiset nimet ovat pitkiä, jota paitsi monet niistä sulkumerkkeineen ja numeroineen soveltuvatkin vain painettuun tekstiin mutta tuskin puhekieleen. Sen vuoksi uusillekin yhdisteille keksitään myös triviaalinimiä. Esimerkiksiibuprofeeni, englanniksiibuprofen, on saanut nimensä osiensa mukaan isobutyylistä (ibu), propaanihaposta (pro) ja fenyylistä (fen). Sen systemaattinen nimi on 2-(p-isobutyylifenyyli)propaanihappo.
Kemian lähimmät tieteenalat ovatfysiikka jabiologia.[12] Kemian rajoja ja muita kemiaan liittyviäfilosofisia kysymyksiä tutkiikemian filosofia. Kemiaan liittyy läheisesti insinööritieteen alakemiantekniikka.[13] Kemia jaetaan yleensä viiteen alaan, joiden väliset rajat ovat väljät:
Muita, pienempiä aloja ovatlääkekemia,fytokemia,ympäristökemia,materiaalikemia,polymeerejä tutkivapolymeerikemia,öljyjä tutkivapetrokemia sekäradioaktiivisia aineita tutkivaradiokemia. Kemiallisia menetelmiä hyödyntää myösmolekyylilääketiede.
Suomessa kemiaa voi opiskella pääaineenaanHelsingin,Itä-Suomen,Jyväskylän,Kuopion,Oulun jaTurun yliopistoissa,Tampereen teknillisessä yliopistossa,Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa sekäÅbo Akademissa.[21] Valmistuneiden yleisimpiä ammattinimikkeitä työelämässä ovat tutkija, tohtorikoulutettava, lehtori ja tuntiopettaja. Työpaikat ovat tavallisimmin yrityksissä, kunnissa ja yliopistoissa.[22]
Kemiaa opetetaan myöskemian tekniikan opetusta antavissa teknillisissä yliopistoissa:Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu,Oulun yliopisto,Åbo Akademi jaLappeenrannan teknillinen yliopisto. Kemiantekniikkaa voi opiskella myös joissakinammattikorkeakouluissa jaammattikouluissa.[23]
Varsinaisen kemian ja kemiantekniikan lisäksi kemia on keskeinen osa muitakin aloja, kutenpuunjalostustekniikkaa, painatustekniikkaa,materiaalitekniikkaa jametallurgiaa, sekä kiinteän aineen fysiikkaa.
Peruskoulun ensimmäisillä luokilla (1–6) kemiaa opetetaan osana ympäristöoppia. Luokilla 7–9 kemiaa opetetaan omana oppiaineenaan.[24]Lukiossa on yksi kaikille pakollinen sekä neljä valtakunnallista syventävää kurssia.
- John Hudson: Suurin tiede – kemian historia. (Suomentanut Kimmo Pietiläinen) Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5
- Ball, Philip: Kemian eturintamassa: Matka molekyylien maailmaan. ((Designing the molecular world: Chemistry at the Frontier, 1994). Suomentanut Kimmo Pietiläinen) Helsinki: Terra Cognita, 1997. ISBN 952-5202-07-0
