Kemian historia

Ensimmäisiä käytettyjä metalleja ei tarvinnut eristää malmista, sillä ne esiintyivät puhtaina, kuten kulta, hopea ja kupari. Myös rautaa esiintyy puhtaana meteoriiteissa. Kuparia ja lyijyä alettiin käyttää Egyptissä ja Mesopotamiassa noin vuonna 4000 eaa. Noin tuhat vuotta myöhemmin opittiin tuottamaan pronssia. Varhaisimmat polttouunit ovat noin vuodelta 3000 eaa. Näillä pystyttiin tekemään astiat lujemmiksi ja vähemmän huokoisiksi. Lasin suurempi tuotanto alkoi 1350 eaa.[2]

Varhaisimmat luolamaalaukset tehtiin luonnon malmeista valmistetuilla pigmenteillä[3]. Egyptiläiset kehittivät ensimmäisen kemiallisesti valmistetun pigmenttiaineen kuumentamalla lyijykarbonaattia synnyttäen mönjää (Pb₃O₄)[3]. Egyptiläiset valmistivat myös kosmeettisia aineita kemiallisten reaktioiden avulla[4].

Ensimmäisen tunnetun maailman kaikki aineet selittävä teorian mukaan kaikki koostuu perussubstanssista. Babyloniaset uskoivat sen olevan vesi. Joonia oli filosofisen ajattelun synnyinaluetta ja siellä vaikutti useampi merkittävä filosofi: Thales Miletoslainen, Anaksimandros, Anaksimenes ja Herakleitos[5]. Heidän tavoitteena oli maailmankaikkeuden materialistinen selitys, joka ei pohjautuisi yliluonnollisiin ilmiöihin. Thaleen (585 eaa.) mukaan kaiken perussubstanssi oli vesi: kaikki luonnon prosessit muuttivat vettä toisiksi aineiksi. Anaksimandroksen (555 eaa.) mielestä kaiken aineen perusta oli primitiivinen aine rajaton. Anaksimenes (n. 535 eaa.) hylkäsi Anaksimandroksen teorian ja oletti perussubstanssin olevan vesihöyry. Herakleitos (500 eaa.) väitti, että tuli oli kaiken aineen perusta.[6]

Aristoteles loi useita tieteellisiä teorioita, jotka olivat suosittuja aina 1500–luvulle saakka.

Läntisen Kreikan merkittäviä filosofeja ovat mm. Pythagoras ja Parmenides. Pythagoralaiset pyrki selittämään maailmaa matemaattisin keinoin. Parmenides esitti, että totuutta tulisi etsiä pelkästään järjen avulla ja hylätä havainnot. 400–luvulla vaikutti Empedokles, joka todisti ilman olevan ainetta: hän asetti kartion muotoisen onton astian, jonka kärjessä oli reikä, pohja edellä veteen peittäen reiän, jolloin vesi ei siirtynyt kartioon. Empedokles esitti, että aineet koostuivat neljästä alkuaineesta: maasta, ilmasta, tulesta ja vedestä.[7]

Manner-Kreikassa 400–luvun alussa Anaksagoras esitti jokaisen aineen sisältävän hieman jokaista muuta ainetta. Ensimmäiset kirjoitukset varsinaisesta atomiteoriasta ovat Demokritoksen kirjoituksia vuosien 460–370 eaa. väliltä. Demokritos oli Leukippoksen oppilas. Demokritos väitti aineen koostuvan jakamattomista atomeista (kreik. atomom, jakamaton). Tässä teoriassa atomit olivat eri asennoissa toisiinsa nähden, mikä johti eri aineiden ominaisuuksiin. Platon liitti pythagoralaisten kehittämät säännölliset monitahokkaat Empedoklen neljään alkuaineeseen.[8]

Tieteen historian merkittävin filosofi on kuitenkin Aristoteles. Aristoteles laajensi Empedoklen ajatuksen neljästä alkuaineesta: Aristoteleen mukaan alkuaineet pystyivät muuttumaan toisiksi, ne kaikki koostuivat perusaineesta (proto hyle) ja kaikkeen aineeseen liittyy muoto, joka aiheuttaa aineiden ominaisuudet. Demokritos oli väittänyt atomien liikkuvan tyhjiössä, mutta Aristoteles kumosi väitteen väittämällä liikkeen olevan aineen luonteenomaista taipumusta. Aristoteles myös päätteli, että tyhjiötä ei ole olemassa: hänen mukaan maahan putoavan kappaleen nopeus on verrannollinen sen massaan, ja koska vedessä putoaminen hidastui, hän oletti putoamisnopeuden olevan verrannollinen väliaineen vastukseen. Tyhjiössä ei olisi vastusta, joten se putoaisi äärettömällä nopeudella, mikä olisi mahdotonta. Aristoteleen ajatukset olivat suosittuja aina 1500–luvulle saakka ja vaikuttivat mm. alkemisteihin.[9]

Hellenistisellä kaudella Theofrastos lajitteli kiviä niiden ominaisuuksien (väri, kovuus, kuumennettaessa tapahtuvat muutokset). Straton oli kokeellisten havaintojen edelläkävijä: hän todisti kokeellisesti, että ilmassa oli hiukkasia, jotka pystyivät liikkumaan lähemmäksi tai kauemmaksi toisistaan. Epikurolaiset toivat Demokritoksen atomiteorian jälleen esille Aristoteleen jälkeen. Ensimmäiset kemialliset kokeet tehtiin Aleksandriassa: kokeiden tarkoituksena oli valmistaa kultaa toisista aineista, ja tämä johti alkemian syntymiseen.[10]

Alkeellinen tislauslaitteisto.

Alkemian perusta on Aleksandriassa, ensimmäiset todisteet yrityksistä kullan valmistamiseksi löytyvät ennen ajanlaskumme alkua: Tukholman papyrus sisältää tietoja kullan sekoittamisesta kupariin ja jalokivien jäljittelystä. On myös löydetty tietoja kullan käyttämisestä päällysteenä: esine valmistettiin kultaseoksesta, joka kuumennettiin yhdessä rauta(II)sulfaatin, alunan ja suolan kanssa. Syntyneet hapot liuottivat pinnan vähemmän jalot metallit, ja pintaan jäi puhdasta kultaa. Silloisen uskomuksen mukaan kulta oli metallien elämänkaaren lopullinen täydellisyys, ja egyptiläisten taito tehdä puhdasta kultaa teki vaikutuksen kreikkalaisiin filosofeihin[11]. Aleksandrialaiset kehittivät mm. kerotakiksen, jolla erotettiin metalleja toisistaan, tislauksen sekä kreikkalaisen tulen[12]. Aleksandrialainen alkemia päättyi vuonna 390 sen kirjaston ja museon tuhoon kristittyjen hyökätessä[13].[14]

Jābir ibn Hayyān eli latinaksi Geber oli islamilaisen alkemian tunnetuin harjoittaja.

Aleksandrian jälkeen uusi alkemian kehitys tapahtui islamilaisessa maailmassa. Vuonna 762 kalifi al-Mansur perusti Bagdadin, joka oli islamilaisen maailman uusi pääkaupunki. Islamilaisen maailman suurimpana alkemistina pidetään Jābir ibn Hayyānia[15]. Monet asiat, jotka ovat menneet Jabir ibn Hayyanin nimiin ovat kuitenkin todellisuudessa peräisin Espanjassa 1300-luvulla eläneeltä henkilöltä, joka otti käyttöönsä Jabarin latinisoidun nimen Geber saadakseen ajatuksilleen enemmän arvovaltaa.[16] William Newman arvelee, että Geber oli Paulus Tarentolainen, italialainen fransiskaanimunkki.[17]

Alan tutkijoita 800-luvulla olivat myös Al-Kindi ja Al-Razi.[18] Islamilaisen alkemian perusideana oli aineiden transmutaatio, jossa aineet muuttuivat toisiksi: vähemmän jaloa metallia oli käsiteltävä viisasten kivellä. Toinen merkittävä ajatus oli rikki-elohopeateoria. Islamilaisen alkemian saavutuksia ovat muun muassa uusien liuottimien sekä aineiden luokittelun kehittäminen.[19] Monet termit kuten alkoholi ja algebra ovat peräisin arabian kielestä.[18]

Alkemiaa ja kullan valmistusta harjoitettiin myös Kiinassa: taolaisuuden oppien mukaan kulta tulkittiin kuolemattomuuden piirteeksi ja kullasta voisi valmistaa kuolemattomuuden antavia lääkkeitä. Sanan alkemia alkuperä voi olla myös kiinan kielessä, jossa sana kim tarkoittaa kemiaa. Tästä taas arabialaiset muodostivat oman sanansa al-kimiya, käännettynä viisasten kivi.[20] Myöhemmin 900–luvulla kiinalaiset keksivät ruudin[21].

Paracelsus oli iatrokemian suurin kehittäjä.

Arabialaisten alkemiaa koskevien kirjoitusten ensimmäiset latinankieliset käännökset ovat 1100–luvulta. 1200–luvulla alkemia pääsi ensimmäisen kerran eurooppalaisiin ensyklopedioihin, jossa hyväksyttiin Aristotelen elementit ja arabien rikki-elohopeateoria. Samaan aikaan, kun alkemian harjoittaminen yleistyi Euroopassa, parani tislauksen toteuttaminen: nesteitä imevien suolojen käyttö aloitettiin ja Taddeus Alderotti otti käyttöön jäähdyttimet 1200–luvulla. Melko pian eurooppalaisessa alkemiassa yleistyi ajatus, että aineet koostuivat viidestä aineesta, uutena aineena mukaan tuli ennen vain taivaalla ollut aine, jota alettiin kutsua kvintessenssiksi. Alkoholi, jolla oli lääketieteellisiä ominaisuuksia, oli viinin kvintessenssi eli keskeinen piirre. Alkoholi oli myös ensimmäinen orgaaninen liuotin. Toinen merkittävä kehitys oli vihtrillien käyttö: niiden avulla opittiin valmistamaan epäorgaanisia liuottimia, kuten rikkihappoa ja typpihappoa ja jopa kullan liuottavaa kuningasvettä.[22]

Eurooppalaisen alkemian kehitys johti useiden aineiden keksimiseen, joilla oli lääketieteellisiä sovelluksia. 1500–luvulla tämä osa-alue alkemiasta voimistui ja sitä alettiin kutsua iatrokemiaksi. Paracelsus oli tämän alan johtava harjoittaja. Hän keskittyi lääkkeiden tuottamiseen. Hän lisäsi myös rikki-elohopeateoriaan kolmannen elementin, suolan, joka oli reaktiossa jäljelle jäänyt aines.[23]

1500- ja 1600-luvun vaihteessa alkemia muuttui entistä mystisemmäksi, ja useat kirjat sisälsivät vain kuvia kemiallisista prosesseista. Alkemiaa pidettiin tieteenä, jolla selvitetään kaikkien asioiden olennaisin osa[24]. Kullan puhdistamiseen käytettiin tänä aikana muun muassa antimonisulfidia, joka reagoi kultaseoksen epäjaloihin metalleihin muodostaen sulfideja seoksen pinnalle. Sulfidit pystyttiin kuorimaan ja vapaa antimoni voitiin kuumentaa pois.[24]

Alkemian mainetta pilasivat kuitenkin monet huijarit. Ensimmäiset maininnat huijareista ovat islamilaisen alkemian ajalta: huijari valmisti jauhetusta kullasta, puuhiilestä, jauhosta ja liimasta hauleja, jotka hän myi valepukuisena apteekkarille. Myöhemmin huijari meni sulttaanin palatsiin esittämään, kuinka hän pystyi valmistamaan kultaa aineista, jotka pyysi sulttaanilta ja joihin kuuluivat myös hänen tekemänsä haulit. Lopulta astiassa oli vain kultaa, kun kaikkia tarvittavia aineita oli kuumennettu.[25] Kemisti Georg Honauer määrättiin^milloin? hirtettäväksi lehtikullalla päällystetyssä hirttopuussa hänen saatuaan suuret määrät rautaa transmutatoitavaksi mutta epäonnistuttuaan raudan muuttamisessa kullaksi[26]. Muita käytettyjä huijauskeinoja on muun muassa kullan maalaaminen maalilla, joka liukeni liuottimeen[26].

Ouroboros on symboli, jossa käärme tai lohikäärme syö omaa häntäänsä. Se symboloi aineiden yhteyttä ja muuttumattomuutta.

Noin vuonna 300 Zosimos kirjoitti 28-osaisen alkemiaa koskevan kirjan. Kirja on symbolistinen ja sisältää paljon hämäräperäistä tekstiä. Monet varhaiset kirjoitukset sisältävät paljon kuvia, kuten ouroboroksia. Muita käytettyjä symboleja on mm. aineiden kuolema, joka viittaa aineen erottamiseen toisesta aineesta, kuten kuparin poistoon kullasta.[27] Islamilaisen alkemian suurimpana teoksena pidetään Jabiriaanista Corpusta[15].

Noin vuonna 1450 kehitettiin painotekniikka, jonka ansiosta 1450–1500 painettiin noin 40 000 kirjaa, enemmän kuin tuhannen vuoden aikana yhteensä. 1500–luvulla julkaistiin muutamia kemiaa koskevia kirjoja, joissa käsiteltiin mm. tislaamista ja mineralogiaa.[28] 1600–luvulla kirjat olivat symbolisia ja sisälsivät paljon kuvia kemiallisista prosesseista, osa reaktioista oli piilotettu tarinan muotoon[24]. Ensimmäinen todellinen kemian oppikirja oli Andreas Libabiuksen Alchymia, joka julkaistiin 1597[29].

Robert Boyle osoitti, että palaminen ei hajota aineita alkuaineiksi, sillä puun palaessa retortissa syntyy monia eri aineita, mutta avoimessa astiassa vain tuhkaa ja nokea. Hän uskoi eri aineiden koostuvan samoista perushiukkasista (korpuskulit) ja alkuaineiden olevan näiden ryhmittymiä. Hänen teoriansa ei saanut aikanaan kannatusta, sillä hänen teoriansa ei esittänyt uutta alkuaineluetteloa Aristoteleen neljälle elementille. Boyle otti Robert Hooken assistentikseen, ja he selvittivät tyhjiön ominaisuuksia. Nämä kokeet johtivat lopulta Boylen lain keksimiseen. Boyle huomasi, että ilmassa helposti syttyvät aineet eivät syttyneet tyhjiössä, mutta syttyivät, kun sinne päästettiin ilmaa. Toisaalta hän huomasi, että ruuti syttyi tyhjiössä. Hän erotti myös vedyn liuottamalla rautaa laimeaan suola- tai rikkihappoon ja keräsi reaktiossa syntyneen kaasun alassuin olevaan astiaan.[32]

Varsinaisen palamisteorian esitti ensimmäisen kerran John Mayow. Hän huomasi palamisen, hengityksen ja metallien kalsinnoin yhteyden. Hän poltti kynttilää suljetussa tilassa ja totesi, että sen sammumisen jälkeen tilassa ei syttynyt mikään normaalisti palava aine, kuten rikki. Mayow esitti ilman (sekä ruudin) sisältävän nitroilmahenkeä, joka ylläpitää palamista ja hengitystä.[33]

Flogiston-teorian avulla pyrittiin selittämään palamista ja ruostumista.

1669 Johann Becher ehdotti, että kappaleet koostuvat ilmasta, vedestä ja kolmesta erilaisesta maasta: palaminen oli taas terra pinguen, rasvaisen maan, poistumista aineesta. Vuonna 1703 Georg Stahl korvasi terra pinguen flogistonilla (kreik. phlogistos, palanut). Flogistonin poistuminen oli palamista ja tuotteet olivat alkuperäisiä aineita ilman flogistonia. Flogiston-teoria selitti myös miksi palamista ei tapahtunut tyhjiössä: ilma absorboi flogistonin ja toisaalta, kun palaminen päättyy, on ilma kylläinen flogistonista. Flogiston-teoria ei selittänyt, miksi metallien massa kasvoi kalsinoinnissa, mutta 1700–luvulla kemistit eivät pohjautuneet kvantitaaviseen tieteeseen. Myöhemmin flogistonin massan oletettiin olevan negatiivinen. Flogiston-teorian ehkä merkittävin vastustaja oli Hermann Boerhaave. Boerhaave vastusti aineiden koostumista eri osista, sillä hän ei pystynyt kokeellisesti hajottamaan elohopeaa tai lyijyä.[34]

Étienne François Geoffroyn luoma affiniteettitaulukko. Taulukossa ylimpänä oleva aine muodostaa yhdisteitä sen alapuolella olevien aineiden kanssa.

Vuonna 1718 Étienne François Geoffroy loi ensimmäisen affiniteettitaulukon. Affiniteettitaulukot pyrkivät tiivistämään silloista kemian tietoutta, käytännössä ne esittivät substituutioreaktiota. Torbern Bergman julkaisi 1775 kattavamman affiniteettitaulukon, jossa oli kaksi taulukkojoukkoa, jossa ensimmäisessä oli matalassa ja toisessa korkeassa lämpötilassa tapahtuvia reaktioita.[35]

Pneumaattinen kemia tarkoittaa kaasujen tutkimusta. Suurin pneumaattisen kemian kehittäjä oli Stephen Hales, joka kehitti laitteen, jolla pystyi keräämään kaasuja. Tällä laitteistolla Hales mittasi kaasujen määriä, mutta ei tutkinut niiden ominaisuuksia.[36] Joseph Black todisti kaasun olevan erillinen entiteetti. Black kuumensi magnesiumkarbonaattia, jolloin keräysastiaan tiivistyi vähän vettä, joten oli synnyttävä myös muuta ainetta, sitoutunutta ilmaa[37]. Joseph Priestley huomasi, että sitoutunut ilma, hiilidioksidi, ei pidä yllä palamista ja että sen pystyi sekoittamaan veteen, jolloin syntyi soodavettä, hiilihappoa. Hän sai kerättyä useita typen oksideja Halesin laitteistolla.[38] Henry Cavendish valmisti ensimmäisen kerran vetyä 1776 ja nimesi sen metalleista syntyneeksi palavaksi ilmaksi[39].

Priestley kuumensi linssin avulla elohopeaoksidia, jolloin se hajosi elohopeaksi ja hapeksi. Silloisen teorian mukaan elohopea oli menettänyt flogistoninsa elohopeaoksidissa, eikä sen olisi pitänyt hajota. Hän nimesi syntyneen kaasun deflogistoituneeksi ilmaksi. Hän huomasi myös vesikasvien tuottavan samaa ainetta. Carl Wilhelm Scheele antoi kaliumsulfidin reagoida ilman kanssa, jolloin syntyi ilmaa kevyempää ainetta, jonka hän nimesi pilaantuneeksi ilmaksi mutta joka myöhemmin sai nimen typpi.[40]

Vuonna 1781 Cavendish huomasi, että kun sytytettiin seos, joka sisälsi "palavaa ilmaa" (vetyä) ja palavan ilman (vedyn) ja tavallista ilmaa suhteessa 2,02:1, syntyi vettä. Myöhemmin Cavendish huomasi, että samalla syntyi hieman typpihappoa ja että reagensseissa oli myös hieman reaktioon osallistumatonta kaasua, joka todettiin 1800–luvulla argoniksi.[41]

Lavoisier osoitti, että sinetöidyn retortin paino ei lisääntynyt, kun sen sisällä olevaa tinanäytettä kuumennettiin ja sen annettiin jäähtyä. Kun sinetöinti poistettiin, ilma sitoutui näytteeseen, mutta sitä sitoutui vähemmän kuin jos retortissa olisi ollut tyhjiö. Näin Lavoisier osoitti, että vain osa ilmasta sitoutuu tinaan. Vuonna 1774 Lavoisier punnitsi tietyn määrän elohopeaa retorttiin, joka yhdistettiin elohopea-altaaseen. Retortin elohopeaa kuumennettiin lähes kiehumispisteessään 12 päivän ajan, eikä elohopea­kalkin määrä ei kasvanut tämän jälkeen. Laitteisto jäähdytettiin, jolloin huomattiin, että laitteiston ilman määrä oli vähentynyt viiteen kuudesosaan. Kun elohopean kalkkia kuumennettiin, syntyi saman verran ilmaa kuin edellisessä kokeessa oli menetetty. Myöhemmin hän osoitti, että sama ilmiö tapahtui fosforin, rikin ja hiilen palamisreaktiossa. Levoisier nimesi tämän aineen principe oxygineksi, myöhemmin oxigène (kreik. hapon muodostaja, suomeksi happi), koska palamistuotteiden vesiliuokset olivat happamia. Lavoisier korvasi tällä aineella flogistonin.[45]

Lavoisier'n teorian ongelma oli kuitenkin, mistä palava ilma syntyi metallien reagoidessa hapon kanssa, kun flogiston-teorian mukaan metalli oli kalkin ja flogistoinin yhdiste. Ratkaisuksi tuli, että kalkit eivät olleet alkuaineita, vaan koostuivat useista alkuaineista: Lavoisier muodosti vettä yhdistämällä vetyä ja happea, ja valmistunutta vettä hän pudotti kuumalle raudalle. Tällöin hän sai metallin kalkkia ja vetyä.[46]

1787 Lavoisier ja muut tiedeyhteisön jäsenet julkaisivat Méthode de Nomenclature Chimiquen, joka uudisti kemian nimistöä: esimerkiksi metallien kalkeista tuli oksideja, vihtriiliöljystä rikkihappoa, rikkihapon ja rikkihapokkeen suoloista sulfaatteja ja sulfiitteja. 1789 Lavoisier kirjoitti kirjan Traité Élémentaire de Chimie (engl. Elements of Chemistry), jonka merkitystä kemialle on verrattu Isaac Newtonin Principian merkitykseen mekaniikalle[47]. Traitéssa kerrottiin kaasuista, palamisesta, hapoista, suoloista ja instrumenttien käytöstä. Lavoisier otti käyttöön alkuaineen käsitteen: aineita, joita ei ole jaettu pienempiin osiin, ovat alkuaineita. Myöhemmin osa Lavoisierin esittämistä väittämistä kumottiin, kuten että hapon on sisällettävä happea. Traitéssa Lavoisier esitti ensimmäisen kerran aineen häviämättömyyden lain, aineita ei voitu hävittää eikä luoda. Lavoisier teloitettiin 1794.[48]