Skaperverkets byggesteiner

SE DEG omkring på jorden. Hva kan du se? Ingen kan unngå å bli betatt av fjellenes storslagne skjønnhet, av plantenes og trærnes mange fascinerende farger og former og av dyrenes, fuglenes og insektenes forskjellige evner. Selve den store variasjon som preger skaperverket, gjør at vi blir slått av forundring.

Lurer du noen gang på hvor alle disse vakre og ærefryktinngytende ting kommer fra? Hva er det som er skaperverkets byggesteiner? Hvordan blir disse byggesteinene samlet, slik at de kan frambringe de utallige materielle ting som omgir oss? Når vi betrakter alle de forunderlige ting i skaperverket, ser det ut til å være en solid verden. Blir du forbauset over å få vite at alt dette er bygd opp av grunnleggende byggesteiner hvorav 99,9 prosent er tomt rom?

I årtusener har menneskene forsøkt å finne ut av hva materien egentlig består av. Et oppslagsverk definerer materie som «det som noe er dannet av». Men hva er det dannet av? Det er først i vårt århundre, ja, faktisk bare i de siste 30—40 årene, at vitenskapsmennene virkelig har begynt å få et innblikk i de materielle tings grunnleggende oppbygning. Nå forteller forskerne oss at alle materielle ting, enten det er klippeblokker, planter, dyr, elver eller andre ting som vi kan stifte bekjentskap med ved hjelp av våre sanser, er bygd opp av byggesteiner som i seg selv består av tre grunnleggende partikler.

Disse tre grunnleggende partikler bestemmer, avhengig av hvor mange av dem som finnes i byggesteinen, hver enkelt byggesteins eller hvert enkelt atoms struktur og egenskaper.a

La oss imidlertid først definere de ordene vi bruker. Med et «atom» mener vi «den minste partikkel et element kan deles i», og et «element» eller grunnstoff er blitt definert som «et stoff som ikke ved kjemiske midler kan spaltes i enklere stoffer». Hvis vi for eksempel kunne ta et stykke av det grunnstoffet som vi kjenner som gull, og dele det opp i stadig mindre deler, ville det til slutt være umulig å dele det opp ytterligere uten at det mistet sin opprinnelige kjemiske identitet. Denne minste delen er atomet. Hvis grunnstoffet ble oppdelt ytterligere, ville det bety at atomet ble spaltet i de tidligere nevnte tre delene, som kalles protoner, neutroner og elektroner.

Protonene og neutronene har omtrent den samme vekt. Forskjellen består i at protonene bærer en positiv elektrisk ladning, mens neutronene ikke har noen ladning, det vil si er elektrisk nøytrale. Sammenlignet med elektronene er protonene og neutronene kjempestore. De har en masse som er omkring 2000 ganger så stor som elektronenes. De ørsmå elektronene bærer en negativ elektrisk ladning, og ettersom det alltid er like mange elektroner som protoner, er atomet nøytralt.

Disse tre grunnleggende partiklene i atomene eller skaperverkets byggesteiner forekommer i varierende antall og danner derved de forskjellige grunnstoffer. Hvor mange grunnstoffer eller elementer finnes det? En trodde lenge at det bare fantes fire elementer — luft, ild, jord og vann — men etter hvert som kunnskapen økte, ble forskjellige elementer eller grunnstoffer gradvis oppdaget. I lister over grunnstoffene blir det nå oppført over 100, hvorav noen er menneskelagde, kunstige og ustabile.

Hva så med det at 99,9 prosent av atomet er tomt rom? Hvis vi kunne se et enkelt atom i noen av de forunderlige tingene som omgir oss, hvordan ville det da se ut? Hvordan ville dets struktur være?

Atomstruktur

Alle atomer har en sentral kjerne, som består av protoner og neutroner, og rundt denne kjernen kretser elektronene. Det eneste unntaket fra denne regelen er det enkleste av alle atomer, hydrogenatomet, hvis kjerne består av ett enkelt proton, som ett enkelt elektron beveger seg rundt.

Vi kan på den måten danne oss et bilde av et slags solsystem i miniatyr, hvor elektronene beveger seg i forholdsvis store baner rundt den lille, kompakte kjernen, omtrent på samme måte som planetene beveger seg i en bane rundt solen. De forskjellige grunnstoffer har forskjellige mikroskopiske planetsystemer, men hvert atom i et bestemt grunnstoff er bygd opp på samme måte. Hvilken makt står bak alt dette? Ta for eksempel et atom i grunnstoffet karbon, som er skjematisk framstilt i nedenstående diagram:

Vi kan naturligvis ikke se et enkelt atom, ettersom et atom er så uhyre lite. Hvert enkelt av disse ørsmå «planetsystemene» ville måle bare godt og vel to hundremilliondeler av en centimeter i diameter! Og «solen» eller kjernen ville ha en diameter som utgjorde bare én hundretusendel av hele atomets diameter!

Ettersom det kan være fra ett til over 100 elektroner i et atom, avhengig av hvilket grunnstoff det dreier seg om, skjønner vi at det må herske en helt enestående orden i det utrolig lille rommet i hvert enkelt atom. Er ikke det noe som burde fylle oss med ærefrykt?

Det er fantastisk å tenke på at alle de materielle ting, alle de tilsynelatende kompakte ting som vi er omgitt av, fra det grønne gresset og halen på kua til fjellene, er bygd opp av millioner og atter millioner av disse ørsmå atomene, som alle sammen hovedsakelig består av tomt rom, rommet mellom kjernen og de roterende elektroner. Ja, størstedelen av et atom er tomt rom. Verket Matter, som er utgitt av Life Science Library, sier således: «Hvis hvert atom ble presset sammen til en kule som ikke var større enn dets egen innerste del eller kjerne, ville hele Washington-monumentet [som er 169 meter høyt] bli mindre enn viskelæret på en blyant.»

Elektronene i de enkelte atomer beveger seg i såkalte elektronskall. Hvert «skall» befinner seg i en bestemt avstand fra kjernen. Når atomene er mer komplisert, som følge av at de består av flere grunnleggende partikler, beveger elektronene seg i en rekke «skall».

Av illustrasjonen framgår det for eksempel at karbonatomet har to elektroner i det innerste skall og fire i det neste. Et aluminiumatom har to elektroner i det første skallet, åtte i det neste og tre i det ytterste skallet. Elektronene svever med andre ord ikke omkring på en tilfeldig måte, uten noe bestemt mønster, men beveger seg på en meget velordnet måte.

Ettersom vi er interessert i hvordan disse byggesteinene er ordnet, hvordan de kan frambringe alle de vidunderlige ting som fryder vårt øye, er vi spesielt interessert i disse ørsmå partiklene, elektronene. Hvorfor det? Fordi det er den måten disse elektronene er ordnet på i sine baner, som bestemmer hvert enkelt atoms evne til å etablere kjemiske bindinger. Denne evnen blir kalt «valens».

Bindinger ved at elektroner er blitt «lånt ut»

Etter hvert som en fikk et bedre innblikk i atomets struktur, fant en at ethvert grunnstoff med et fullstendig antall elektroner (vanligvis åtte) i valensskallet (det skall hvor elektronene blir «lånt» eller «lånt ut») var ytterst stabilt, det vil si, de etablerte ikke gjerne bindinger med andre atomer. Disse stabile eller inerte grunnstoffene er kjent som de sjeldne edelgassene — helium, neon, argon, krypton, xenon og radon.

Gradvis kunne en danne seg et bilde av alle grunnstoffenes elektronskall. En fant ut at atomene forsøkte å bygge opp et stabilt ytre elektronskall. Valensteorien forklarer dette idet den viser hvordan atomene enten «låner» eller «låner ut» elektroner eller deler elektroner med andre atomer. Et grunnstoff som har sju elektroner i det ytre skall, for eksempel klor, vil «låne» et elektron fra et grunnstoff som har ett elektron i det ytre skall, slik for eksempel natrium har. Nedenstående diagram viser hva dette fører til:

Natrium, et mykt, sølvglinsende metall som ble oppdaget i 1807, er et meget aktivt grunnstoff, som reagerer kraftig med vann. Det har i alt 11 elektroner. Skallene har henholdsvis to, åtte og ett elektron. Klor, som ble oppdaget i 1774, er en gulgrønn gass. Klor er blitt brukt som bleke- og desinfeksjonsmiddel og også som giftgass. Kloratomet har 17 elektroner. Skallene inneholder henholdsvis to, åtte og sju elektroner. Diagrammet, hvor bare det ytterste elektronskallet er tegnet inn, viser hvordan disse byggesteinene bindes sammen, og hva resultatet av dette blir.

Kloratomet «låner» et elektron fra natriumatomet og blir på grunn av at dette ekstra elektronet blir føyd til, negativt ladet, mens natriumatomet blir positivt ladet. Disse elektrisk ladede atomene, som nå kalles «ioner», tiltrekker hverandre på grunn av sine motsatte ladninger, og de danner den forbindelsen som kalles natriumklorid eller vanlig koksalt.

Fra to tilsynelatende ulike byggesteiner med sine egne karakteristiske egenskaper får vi altså koksalt, som er av så livsviktig betydning. Det at bare ett elektron på den måten bytter plass, fører til at et fullstendig nytt stoff blir dannet! En slik binding blir kalt en elektrostatisk binding eller en ionebinding.

Bindinger ved at atomer deler elektroner med hverandre

En annen type bindinger er de såkalte kovalente bindinger. I denne type bindinger deler de forskjellige atomer elektroner med hverandre for å danne de nødvendige, stabile, ytre elektronskallene. Et eksempel på dette er det at to karbonatomer, seks hydrogenatomer og ett oksygenatom går sammen og danner et etylalkoholmolekyl. Det er for øvrig etylalkohol som gir mange drikker en berusende virkning. De kovalente bindinger i hvert par av delte elektroner blir i strukturformelen i nedenstående diagram angitt ved en strek:

Ved på den måten å dele elektronpar får karbonatomene og oksygenatomene et stabilt ytre skall med åtte elektroner, mens hydrogenatomene får et ytre elektronskall med to elektroner.

En mer komplisert vekselvirkning

Vekselvirkningen og tiltrekningen mellom de forskjellige atomene er naturligvis langt mer komplisert når de langt mer sammensatte molekylene som finnes i de organiske forbindelser, slike som har karbon i sine molekyler, blir dannet. La oss trekke fram et eksempel på en av disse organiske forbindelsene for å illustrere dette. Her følger et diagram som viser strukturformelen for et molekyl av det forunderlige stoffet som kalles klorofyll:

Tenk på det: Her er 72 hydrogenatomer, 55 karbonatomer, fem oksygenatomer, fire nitrogenatomer og ett magnesiumatom, hvorav noen allerede er bundet sammen i en slags prefabrikerte enheter, bygd opp til ett klorofyllmolekyl, et molekyl i et av de viktigste pigmentene i planteriket. Det er dette stoffet som gir plantene deres grønne farge, og som gir dem evnen til å omdanne solenergi til kjemisk energi, som de kan gjøre bruk av.

Kan du forestille deg den fantastiske vekselvirkningen som foregår blant elektronene når bare ett eneste klorofyllmolekyl skal dannes, idet de svirrer rundt i sine baner for å forbinde de forskjellige atomer med hverandre? Når en tenker over at det ville gå med millioner og atter millioner av slike molekyler for å dekke punktumet i slutten av denne setningen, blir en uvilkårlig fylt av beundring for den Konstruktør som står bak alt dette.

Vitenskapsmennene har bare så vidt begynt å få et innblikk i hvordan og hvorfor de forskjellige byggesteiner blir bundet sammen, men de vet at det er ganske bestemte lover som leder disse prosessene. De blir fylt av ærefrykt når de får et innblikk i den utrolig kompliserte måten hvorpå de levende celler med en høyst sammensatt struktur bygger opp disse stoffene, som allerede har en svært innviklet beskaffenhet, til den mangfoldighet av levende ting som finnes på jorden.

Nedenstående diagram illustrerer hvordan de ørsmå atomene blir bygd opp til alle de enestående ting som vi finner i skaperverket:

Se deg omkring og tenk et øyeblikk over den visdom og intelligens som står bak oppbygningen av alle de materielle ting vi kjenner til — fra det minste frø til det endeløse univers — som alle sammen er bygd opp av byggesteiner som i seg selv er 99,9 prosent tomt rom!

[Fotnote]

[Illustrasjon på side 9]

(Se den trykte publikasjonen)

Karbonatomet har en kjerne med seks protoner og seks neutroner, og det har seks elektroner, to i det innerste og fire i det ytterste skall

[Illustrasjon på side 10]

(Se den trykte publikasjonen)

Et natriumatom og et kloratom bindes sammen

Natrium Klor + −

Atomer (bare de ytterste Ioner — natrium-

elektronskallene tegnet inn) klorid dannes

[Illustrasjon på side 10]

(Se den trykte publikasjonen)

Etylalkoholmolekyl

C: karbonatom

H: hydrogenatom

0: oksygenatom

[Illustrasjon på side 11]

(Se den trykte publikasjonen)

Molekyl av klorofyll «a»

H: hydrogenatom (72)

C: karbonatom (55)

0: oksygenatom (5)

N: nitrogenatom (4)

Mg: magnesiumatom (1)

[Illustrasjon på side 11]

(Se den trykte publikasjonene)

Tre grunnleggende partikler

protoner

neutroner

elektroner

Atomer Forbindelser All materie