Pakina, Tuomo Tiainen: Alkuaine vanadiinin sähköiset seikkailut

Osa 6: Alkuaine vanadiinin sähköiset ominaisuudet

Käytyään läpi monimutkaisen puhdistautumisriitin alkuaine vanadiini oli päässyt viimeinkin eroon sen matkaan teräksen valmistusprosessissa tarttuneista epäpuhtauksista. Olipa niiden kanssa saanut muhiakin vuosikymmeniä tehtaan kuonakasassa.

Nyt alkuaine vanadiini oli enää liitossa sen mukana melkein aina kulkeneen hapen kanssa, jonka se olikin oppinut tuntemaan hyvänä ja luotettavana kaverinaan. Kahdesta vanadiiniatomista ja viidestä happiatomista koostuvissa ryppäissä alkuaine vanadiini tunsi olonsa kotoisaksi ja pohti laiskahkosti tulevaisuuttaan.

Se oli kuonakasalta alkaneen matkansa aikana kuullut huhuja, joiden mukaan vanadiinille olisi löytynyt käyttöä sen erikoisten sähköisten ominaisuuksien perusteella. Näistä alkuaine vanadiini ei ollut aikaisemmin liiemmälti huudellutkaan. Siksi vanadiinin käyttö oli aiemmin keskittynyt terästeollisuuteen, lasi- ja keramiikkateollisuuteen ja jossain määrin katalyyttiyhdisteinä kemian teollisuuteen. Myös lääketeollisuudessa oli jonkin verran käyttö vanadiinille. Jokohan nyt olisi sähkön ja sen käytön vuoro?

Tätä silmällä pitäen alkuaine vanadiini alkoi laatia mielessään laatia listaa sähköisistä ominaisuuksistaan osatakseen niitä oikein esitellä sopivan tilaisuuden tullessa. Sitä varten alkuaine vanadiinin piti ensin opetella kuvaamaan oma atomirakenteensa, koska sähköiset erityisominaisuudet olivat sieltä peräisin.

Atomin ydin koostui kahdesta alkeishiukkaslajista: sähköisesti positiivisesti varautuneista protoneista ja varaukseltaan neutraaleista neutroneista. Kumpiakin oli ytimessä yhtä monta eli 23 kappaletta, ja atomin paino muodostui pääosin niistä. Protonien positiivisten varausten vuoksi koko atomiydin oli sähköisesti positiivinen.

Ytimen ympärillä kieppuivat elektronit, nuo lähes painottomat pörriäiset, jotka olivat sähköisesti negatiivisesti varautuneita. Ne kiersivät ytimen ympärillä omilla radoillaan samaan tapaan kuin maapallo kiertää aurinkoa tai kuu maata. Jakautuminen eri kiertoradoille riippui yksittäisen elektronin energisyydestä ja innostuneisuuden asteesta.

Elektronin negatiivinen varaus oli yhtä suuri kuin yksittäisen protonin positiivinen varaus. Koska elektroneja oli yhtä monta kuin protoneja ytimessä, oli atomi ulkoapäin katsottuna sähköisesti neutraali.

Ytimen muodostavat protonit ja neutronit olivat sitoutuneet tiiviisti kiinni toisiinsa ja siksi ytimen hajottaminen oli äärimmäisen vaikeaa. Alkuaine vanadiini oli kuullut, että ytimen hajottamisella saattoi joissakin tapauksissa olla katastrofaalisia seurauksia. Sen sijaan ytimen ympärillä kieppuvat elektronit olivat vapaamielisempiä ja helpommin irrotettavissa alkuperäisestä atomistaan ilman vakavampia seurauksia.

Itse asiassa erilaiset atomit käyttivät uloimmilla kiertoradoillaan kiertäviä elektroneja vaihtotavarana sitoutuessaan toisiinsa erilaisten aineiden muodostuessa. Yksittäinen atomi saattoi antaa yhden tai kaksi elektroniaan naapurilleen, jolloin naapurista tuli negatiivisesti varattu ylimääräisten elektroniensa vuoksi. Vastaavasti elektroneja luovuttaneesta atomista tuli positiivisesti varattu, kun siinä nyt oli enemmän protoneja kuin elektroneja.

Erimerkkiset sähköiset varaukset liittivät kaksi atomia kiinteästi toisiinsa. Kun monen monta atomia liittyi tällä tavalla toisiinsa, syntyi kahdesta atomilajista uusi aine. Atomit voivat myös jakaa ulompien kiertoratojen elektroneja yhteiseen käyttöön kahden atomin välillä tai jopa luovuttaa ne monien atomien yhteiseen käyttöön, jolloin elektronit seikkailivat suhteellisen vapaasti atomien välissä. Tällä tavoin erilaisista atomeista voi muodostua monenlaisia aineita: metalleja, muoveja, vettä, kiveä, puuta; melkeinpä mitä vaan.

Millaiset olivat sitten tätä taustaa vasten ne alkuaine vanadiinin erityiset sähköiset ominaisuudet, joiden käyttöönottoa se niin innokkaasti odotti? Useimmiten atomit käyttivät vain yhtä, kahta tai kolmea uloimman kiertoradan elektronia liittyessään toisiinsa. Alkuaine vanadiinilla oli kuitenkin harvinainen kyky; se saattoi luopua kahdesta, kolmesta, neljästä, jopa viidestä uloimpien kiertoratojen elektronistaan reagoidessaan ympäristön atomien kanssa.

Esimerkiksi kahden vanadiiniatomin ja viiden happiatomin muodostaman ryppään voitiin ajatella syntyvän siten, että kumpikin vanadiiniatomi antoi pois viisi ulointa elektroniaan ja kukin viidestä happiatomista otti niistä vastaan kaksi. Kaikkiaan vaihtokauppaan sisältyi siten ennätysmäärä eli kymmenen elektronia ja vaihtokaupan tuloksena syntyi voimakkaasti yhteen sitoutunut liittymä. Ei ihme, että alkuaine vanadiini tunsi olonsa tuossa atomiryppäässä kotoisaksi.

Alkuaine vanadiini saattoi siten luovuttaa muita yleisimpiä metalleja runsaammin elektroneja ympäristöönsä ja esiintyä vastaavasti itse eri voimakkuusasteiden positiivisesti varattuna yksikkönä. Tämä erityispiirre antoi alkuaine vanadiinille niitä sähköisiä erityisominaisuuksia, joiden käyttöön ottamista se niin innokkaasti nyt odotti.

Alkuaine vanadiini ei kuitenkaan osannut heti kuvitella, miten tuota sähköistä erityiskykyä voitaisiin käyttää hyväksi. Se tiesi, että elektronit toimivat sähkövirran kuljettajina ja siten käyttö voisi jotenkin perustua vanadiinin kykyyn tarjota monia elektroneja virtaa kuljettamaan. Kaikki oli kuitenkin vielä puhdasta arvailua ja alkuaine vanadiini päätti odotella rauhassa, mitä tuleman piti. Emme mekään halua nyt arvailla sen pitemmälle, vaan katsomme, mitä seuraavissa tarinoissa paljastuu. ▲