Mikä on yläindeksi kemiallisessa kaavassa?

Peruskemiallisissa kaavoissa käytetään enimmäkseen kemiallisia symboleja ja alaindeksejä. Esimerkiksi yhteinen vesimolekyyli sisältää kaksi vetyatomia ja yhden happiatomin ja se on kirjoitettu H2O: ksi, molemmat alaindeksissä. Tämä perusasetus ei kuitenkaan aina kerro koko tarinaa. Toisinaan kemialliset kaavat tarvitsevat yläindeksinumeroita ja symboleja saadakseen tietoa kemialliseen reaktioon osallistuvien atomien painosta ja varauksesta.

Ruotsalainen kemisti Jons Jakob Berzelius loi 1800-luvun alussa nykyaikaisen järjestelmän kemiallisten kaavojen kirjoittamiseen. Hänen valvonnassaan Ruotsin kuninkaallisessa tiedeakatemiassa opiskelijat löysivät useita uusia elementtejä, kuten vanadiumia ja litium, ja Berzelius itse löysi useita alkuaineita ja määritti melkein kaikkien tunnettujen alkuaineiden molekyylipainon aika. Yksinkertaistamaan kaavoja, joissa on niin paljon elementtejä, Berzelius loi yhden ja kaksikirjaimet symbolit edustamaan elementtejä. Tuolloin molekyylin kunkin elementin lukumäärä ilmoitettiin yläindeksillä. Nykyään alaindeksinumerot osoittavat elementtien osuudet.

Yläindeksiluvut määrittelevät nyt isotoopit kemiallisissa kaavoissa. Isotoopit ovat saman kemiallisen alkuaineen lajikkeita, joilla on erilainen massa. Protonien, positiivisesti varautuneen subatomisen hiukkasen, määrä määrää elementin identiteetin. Elementeillä voi kuitenkin olla erilainen määrä neutroneja, neutraalisti varautunutta subatomisia hiukkasia, ja silti säilyttää niiden alkuidentiteetti. Kemiallisissa kaavoissa käytetään yläindeksinumeroa ennen elementin symbolia osoittamaan isotoopin massa.

Esimerkiksi uraanissa voi olla 141–146 neutronia, vaikka yli 99 prosenttia luonnossa olevasta uraanista sisältää 146 neutronia. 146 neutronilla uraanin atomipaino on 238 atomimassayksikköä, joten yläindeksi 238 ennen uraanin symbolia, U, osoittaa kyseisen isotoopin. Isotooppi, jossa on 143 neutronia, käytetään ydinvoimassa ja aseissa, on merkitty yläindeksillä 235, mikä osoittaa sen atomipainon 235. Kaavoissa monille tavanomaisille kemiallisille reaktioille ei käytetä yläindeksiä isotooppeille, kun alkuaineilla on yhteinen atomimassa, vaikka ei olisi väärin osoittaa sitä yläindeksi.

Kemialliset kaavat voivat myös käyttää yläindeksiä kemiallisen symbolin jälkeen ionien tunnistamiseksi. Ionit ovat atomeja tai molekyylejä, joilla ei ole yhtä paljon protoneja ja elektroneja, negatiivisesti varautuneita subatomisia hiukkasia. Tämä luo atomin tai molekyylin, joka on joko negatiivisesti varattu, anioni tai positiivisesti varautunut kationi. Plus- tai miinusmerkki yläindeksissä kemiallisen symbolin jälkeen osoittaa tämän varauksen. Numero ennen plus- tai miinusmerkkiä ilmaisee lataustason. Esimerkiksi yläindeksi 3+ osoittaa, että ionilla on kolme protonia enemmän kuin elektronit.

Esimerkiksi kuparielementistä voi olla yksi tai kaksi elektronia. Kun siitä puuttuu yksi elektroni, kupari-ioni on merkitty yhdellä yläindeksin plusmerkillä sen perässä symboli, Cu. Kun kaksi elektronia puuttuu, ionilla, jota kutsutaan kupri, on symboli Cu ja sen jälkeen +2 tuumaa yläindeksi. Jos molekyyli on olemassa isotooppina, kemiallinen kaava osoittaa tämän sijoittamalla koko molekyylikaava sulkeisiin, jota seuraa varauksen osoittava yläindeksi.