Element chimic

Un element chimic este o substanță pură care nu mai poate fi descompusă în alte substanțe folosind metode chimice . Elementele sunt substanțele de bază ale reacțiilor chimice . Cea mai mică cantitate posibilă de element este atomul . Toți atomii unui element au același număr de protoni în nucleul atomic ( numărul atomic ). Prin urmare, au aceeași structură ca învelișul electronilor și, prin urmare, se comportă în același mod chimic.

Un element este notat printr-un simbol al elementului , o abreviere care derivă în mare parte din numele latin al elementului (de exemplu, Pb din plumbum , Fe din ferrum ). Elementele sunt aranjate în tabelul periodic în ordinea numărului atomic crescător . Un total de 118 elemente au fost identificate până în prezent. Dintre acestea, elementele cu numere atomice de la 1 la 94 apar în mod natural pe pământ, dar adesea sub formă de compuși chimici și uneori doar în urme extrem de mici, de ex. B. ca intermediari de scurtă durată în dezintegrarea radioactivă . 80 din cele 118 elemente chimice cunoscute au cel puțin un nucleid stabil .

istorie

Istoria conceptului

Termenul de element chimic a apărut din secolul al XVII-lea, când s-a recunoscut din ce în ce mai mult că conceptul de element din alchimie nu este adecvat pentru o elucidare științifică a diverselor proprietăți ale substanțelor și a reacțiilor lor între ele. Etienne de Clave a făcut un pas decisiv , care în 1641 a dat definiția că elementele sunt „substanțe simple din care sunt compuse substanțele amestecate și în care substanțele amestecate pot fi în cele din urmă descompuse din nou”. Robert Boyle a publicat o critică influentă asupra insuficiențelor alchimiei în 1661 sub titlul Chimistul sceptic . În el a afirmat că ar trebui să se înțeleagă prin elemente chimice acele substanțe primitive „care nu au provenit nici din alte substanțe, nici în afară, ci formează componentele din care constau substanțele amestecate”.

Ambii cercetători , astfel , s-au opus predominante teoria cu patru element a alchimiștilor , care au încercat să explice toate substanțele prin diferite amestecuri de foc , apă , aer și pământ , și a făcut termenul elementul accesibil pentru cercetare mai atentă experimentale. Pe de altă parte, au rămas lipiți de alchimie, presupunând că aceste elemente nu ar putea apărea individual în realitate, ci că fiecare substanță reală este un amestec al tuturor elementelor în același timp. Boyle se îndoia că astfel de elemente existau chiar. În spiritul mecanicii emergente la acea vreme , el a presupus că substanțele care apar uniform constau din particule mici uniforme , care la rândul lor sunt compuse într-un mod bine definit din cei mai mici corpusculi . El a explicat diversitatea substanțelor și reacțiile acestora prin nenumăratele moduri posibile în care corpusculii se pot combina pentru a forma aceste particule, care sunt caracteristice fiecărei substanțe. Ca urmare a unei rearanjări a corpusculilor , el a văzut și transmutarea căutată în alchimie , i. H. transformarea un element de ( de exemplu , plumb ) , într - un alt ( de exemplu , aur ).

Dar Boyle i-a deschis calea lui Antoine Laurent de Lavoisier , care a respins corpusculii ca speculații metafizice , dar în 1789 a caracterizat elementele chimice prin faptul că nu puteau fi descompuse în alte substanțe. Mai precis: Toate substanțele ar trebui considerate elementare , adică H. nu sunt combinate, aplicați atâta timp cât nu s-au găsit metode pentru separarea ulterioară a componentelor individuale.

Pe baza acestei definiții, observațiile extraordinar de precise ale lui Lavoisier asupra transformărilor chimice și fizice ale materialelor au deschis calea chimiei moderne. În special, el a descoperit păstrarea masei totale în toate conversiile materiale și a determinat raporturile de masă exacte în care elementele pure reacționează între ele. Deci, John Dalton a fost condus la legea proporțiilor multiple , pe care a putut să o justifice științific în 1803 prin asumarea existenței celor mai mici particule de materie imuabile și indestructibile , atomii . Potrivit lui Dalton, un element este definit de un tip de atom uniform care se poate combina cu alți atomi conform regulilor fixe. Comportamentul diferit al elementelor este explicat de speciile lor atomice în masă , dimensiune și opțiunile de legătură sunt diferite de ceilalți atomi. Acest lucru are ca rezultat, printre altele. posibilitatea de a determina masele atomice relative ale diferitelor elemente între ele, care a fost prima dată când atomii au devenit subiectul științei naturale experimentale.

Abordarea lui Dalton s-a dovedit extrem de reușită în interpretarea reacțiilor chimice și a compușilor . Prin urmare, definițiile sale de element și atom au fost păstrate, chiar și atunci când ipotezele imuabilității atomilor (în special indivizibilitatea lor) și egalitatea tuturor atomilor aceluiași element au fost în cele din urmă infirmate prin observații asupra elementelor radioactive descoperite în 1896 : în 1902 Ernest Rutherford a explicat în teoria sa de transmutațieseria de dezintegrare radioactivă ca urmare a diviziunilor atomice și a altor transformări elementare. În 1910, Frederick Soddy a descoperit că atomii aceluiași element radioactiv pot apărea în serii de dezintegrare diferite cu masă diferită ( izotopie ). Începând cu 1920, aceste fenomene s-au regăsit în toate elementele.

În prima jumătate a secolului al XX-lea, structura atomică a fost clarificată în sensul că comportamentul chimic este determinat în mare parte de învelișul de electroni încărcat negativ al atomului, care la rândul său este determinat de sarcina pozitivă a nucleului atomic . Prin urmare, conceptul de astăzi al elementului chimic se bazează pe sarcina electrică a nucleului atomic. Este dat de numărul de protoni prezenți în nucleu , care este, prin urmare, denumit numărul atomic chimic al atomului sau al elementului.

Privind înapoi la definițiile originale ale termenului element de Clave, Boyle și Lavoisier (a se vedea mai sus) și, de asemenea, la corpusculii Boyle , se pare că cele mai bune realizări ale acestor idei ipotetice la acea vreme nu sunt prin elementele chimice și atomii de astăzi, ci prin atomic blocuri proton, neutron , electron sunt date.

Povestea descoperirii

Cristal de sulf
Picături de mercur

În cele mai vechi timpuri și până în Evul Mediu , se credea că lumea este formată din cele patru elemente pământ , apă , aer și foc .

Dintre elementele în sens modern, doar zece elemente erau în antichitate sub formă pură cunoscute, fie în mod natural (adică .. Solid ), fie minereu de topit: carbon , sulf , fier , cupru , zinc , argint , staniu , aur , mercur și plumb . În cursul istoriei miniere medievale , în special în Munții Minereului , în minereuri au fost descoperite cantități mici de amestecuri de metale necunoscute și numite după spirite montane ( cobalt , nichel , tungsten ). Descoperirea fosforului de către Hennig Brand în 1669 a inaugurat în sfârșit epoca descoperirii majorității elementelor, inclusiv a uraniului din pitchblendă de Martin Heinrich Klaproth în 1789.

Înainte de 1751, erau cunoscute următoarele 9 subgrupuri : fier , cobalt , nichel , cupru , zinc , argint , platină , aur și mercur , precum și cele 8 elemente principale ale grupului carbon , fosfor , sulf , arsenic , staniu , antimoniu , plumb și bismut . În 1751 erau cunoscute un total de 31 de elemente.

Din 1751 până în 1800, s-au adăugat alte 13 elemente: hidrogen , titan , crom , mangan , ytriu , zirconiu , molibden , tungsten , uraniu , azot , oxigen , clor și telur .

Între 1800 și 1830 au fost descoperite un total de 22 de elemente noi: elementele subgrupului vanadiu , tantal , rodiu , paladiu , cadmiu , osmiu , iridiu și toriu de pământuri rare , precum și elementele principale ale grupului litiu , beriliu , sodiu , magneziu , potasiu , calciu , stronțiu , bariu , bor , aluminiu , siliciu , seleniu , iod și brom .

Alte unsprezece elemente au fost adăugate între 1830 și 1869. Au fost, de asemenea, un marker pentru starea dezvoltării tehnice și științifice, deoarece au fost descoperite și descrise elemente rare și greu de găsit. Erau heliu , rubidiu , cesiu , indiu , taliu , niobiu , ruteniu , lantan , ceriu , terbiu , erbiu . Astfel, până în 1869, au fost descoperite 77 de elemente.

În cursul secolului al XIX-lea au fost descoperite metalele pământului rar , cu care erau cunoscute aproape toate elementele naturale. În acest timp, au fost postulate multe elemente ipotetice care au fost ulterior respinse, cum ar fi nebuliul . În secolul XX și începutul secolului XXI, multe elemente care nu apar în mod natural - elementele transuranice - au fost produse artificial, parțial în reactoare nucleare și parțial în acceleratoare de particule . Ceea ce toate aceste elemente au în comun este că sunt instabile; Adică se transformă în alte elemente la ritmuri diferite. Este de așteptat descoperirea unor astfel de elemente de scurtă durată; sunt produse numai în cantități extrem de mici. Elementele și-au primit numele de la descoperitorul lor, ceea ce a dus la o controversă de numire a elementelor în secolul al XX-lea . Elementele care nu au fost încă create sau denumite au nume de elemente sistematice .

Sistem de comandă

Elementele sunt aranjate în funcție de numărul lor atomic (numărul atomic) și de configurația electronică a atomilor lor în Tabelul periodic al elementelor (PSE) în grupuri și perioade . Acest sistem a fost fondat de savantul rus Dmitri Iwanowitsch Mendelejew în același timp cu medicul și chimistul german Lothar Meyer în 1869.

proprietăți

Reprezentarea schematică a atomului (nu la scară, altfel zona portocalie ar trebui să aibă un diametru de aproximativ 5 m)
Electronii mobili sunt responsabili pentru strălucirea metalelor (aici fier pur)

Elementele chimice sunt identificate prin intermediul reacțiilor de detecție din chimia analitică.

Multe proprietăți ale elementelor pot fi derivate din structura atomilor lor. Diferite modele atomice cultivate istoric, în special modelul de coajă de succes Bohr , oferă baza teoretică pentru acest lucru.

Toți atomii unui element în stare neîncărcată electric au în învelișul de electroni atât de mulți electroni, cât sunt protoni în nucleul atomic. Dacă elementele sunt aranjate în funcție de numărul tot mai mare de protoni ( numărul atomic ) din așa-numitul tabel periodic, rezultă proprietăți recurente periodic (vezi grupul principal , subgrupul ).

În reacțiile chimice, doar electronii de pe cochiliile exterioare ale reactanților sunt rearanjați, nucleul atomic rămân însă neschimbat. Atomii „caută” în primul rând așa-numita configurație de gaz nobil (stabilitate datorită învelișului exterior închis), chiar dacă acest lucru este în detrimentul neutralității electrice și se străduiește doar în al doilea rând pentru egalizarea încărcării configurației generale. Această „străduință” este descrisă prin electronegativitate . Gazele nobile , adică elementele cu un înveliș exterior care este închis în stare neutră, sunt slab reactive și formează compuși numai în condiții drastice.

Un unic „identificare“ a electronilor unui element prevede numărul cuantic Cvartetul : numărul cuantic principal , numărul cuantic , numărul cuantic magnetic , de spin numărul cuantic , adică cuantice fizice element de proprietăți.

Izotopi, nuclizi

Toți atomii aceluiași element au același număr de protoni, dar pot conține un număr diferit de neutroni . Aceste specii, care diferă doar prin numărul lor de neutroni, sunt izotopii elementului în cauză. Denumirea generală a unui tip de atom determinat de numărul de protoni și de numărul de neutroni este nuclid .

Există , de exemplu, trei izotopi ai hidrogenului în apariții naturale: protiu (fără neutroni), deuteriu (1 neutron) și tritiu (2 neutroni). Nucleul celui mai comun izotop al hidrogenului (Protium, 99.9851%) este format dintr-un singur proton. Deuteriul apare numai în hidrogenul natural cu o proporție de 0,0149%, tritiul cu < 10-10  %.

Cel mai comun nucleu atomic de heliu este format din doi protoni și doi neutroni. Există, de asemenea, izotopul , heliu-3 , al cărui nucleu conține un singur neutron , în apariții naturale cu o pondere de doar 0,000137% .

Clorul natural (17 protoni) constă dintr-un amestec de izotopi cu 18 neutroni (75,8%) și 20 de neutroni (24,2%).

Dimensiuni

Nugget de cupru

Masele atomice ale izotopilor sunt aproximative , dar nu exact, multipli întregi ai masei atomului de hidrogen . Motivele acestor abateri, care sunt mai mici de 0,9 la sută, sunt:

  • Energia de legare a componentelor nucleului atomic apare ca un defect de masă , astfel încât masa nucleară este întotdeauna puțin mai mică decât suma maselor componentelor nucleului. Acest efect atinge maximul în zona miezurilor de fier și nichel cu 0,945%.
  • Nucleii atomici constau din protoni și neutroni . Neutronii sunt cu 0,138% mai grei decât protonii.
  • Protonii apar în atomul neutru electric numai împreună cu același număr de electroni, care au 0,055 la sută din masa protonului.

Ultimele două efecte se compensează doar parțial.

Elemente pure și mixte

Brom cu abur în fiolă

Elementele chimice care au un singur tip de atom în apariția lor naturală se numesc elemente pure ; pe de altă parte, dacă sunt alcătuite din doi sau mai mulți izotopi, ei se numesc elemente mixte . Majoritatea elementelor sunt elemente mixte. Există 19 elemente pure stabile și trei de lungă durată instabile ( bismut , toriu și plutoniu ), pentru un total de 22 de elemente pure.

În tabelul periodic, masa atomică medie pentru elementele mixte, în funcție de abundența relativă a izotopilor, se află. Raportul de amestecare natural este în mare parte constant pentru un element, dar poate fluctua local pentru unele elemente. Plumbul, de exemplu, prezintă diferite mase atomice medii în funcție de originea ( depozitul ) acestuia. 2010 a decis IUPAC că, în viitor, pentru elementele hidrogen , bor , litiu , carbon , azot , oxigen , siliciu , sulf , clor și taliu din tabelul periodic, trebuie indicată masa ca interval de masă .

Trebuie făcută o distincție strictă între termenii substanță pură și element pur , precum și amestec de substanță și element mixt .

Compuși chimici

Cu excepția câtorva gaze nobile, elementele chimice pot intra în compuși chimici . Mai mulți dintre atomii elementari sunt combinați pentru a forma molecule sau cristale de ioni .

Elementele se pot combina cu alte elemente sau cu ele însele: în multe gaze, cum ar fi clorul Cl sau fluor F, doi atomi ai aceluiași element se combină pentru a forma o moleculă, aici Cl 2 și F 2 . În plus față de O 2 , oxigenul formează, de asemenea , molecule triatomice de O 3 mai puțin stabile , sulful formează inel de la șase la opt atomi. Apa obișnuită ( formula empirică : H 2 O), pe de altă parte, este o combinație a elementelor hidrogen H (2 atomi pe moleculă) și oxigen (1 atom pe moleculă).

În principiu, există trei tipuri de legături chimice între atomii elementelor:

Crearea de elemente

Spre sfârșitul fazei lor luminoase, stelele grele produc, de asemenea, nuclee atomice mai grele și evacuează materialul sub formă de nori, aici: nebuloasă din jurul stelei extrem de masive eta Carinae , creată de erupții cu 100 până la 150 de ani mai devreme.

Lumina elementelor hidrogen (aproximativ 75%) si heliu (aproximativ 25%), împreună cu cantități mici de litiu și beriliu , s- au format în timpul Big Bang . La începutul cosmochimiei există hidrogen cu o masă atomică relativă de aproximativ 1,0 u (un proton). Elementele mai grele sunt create în univers prin reacții nucleare în stele . În stelele secvenței principale, cum ar fi soarele nostru , de exemplu, patru nuclei atomici de hidrogen fuzionează la temperaturi ridicate (câteva milioane de grade Celsius) și presiune ridicată prin mai multe etape intermediare pentru a forma un nucleu atomic de heliu (masă atomică relativă aproximativ 4,0 u ). Acest lucru este puțin mai ușor decât cei patru protoni uniți, diferența de masă este eliberată ca energie .

Această fuziune (atomii cu un număr mai mic de protoni fuzionează pentru a forma altele) continuă în majoritatea stelelor până la formarea carbonului, în stele masive până la formarea fierului , cel mai dens nucleu atomic. Acest lucru are loc întotdeauna cu eliberarea de energie, prin care randamentul energetic scade odată cu creșterea numărului atomic al elementelor formate până la fier. Reacțiile de fuziune către nucleele mai grele ar necesita o intrare de energie.

Prin urmare, elementele mai grele decât fierul nu sunt create prin fuziunea nucleară , ci prin captarea de neutroni a atomilor existenți, care sunt transformați în elemente cu un număr atomic mai mare. Cu stelele cu masă redusă, acest lucru se întâmplă în așa-numitul proces s , cu stelele masive la sfârșitul duratei de viață a stelelor în timpul unei supernove din procesul r .

Elementele rezultate intră în mediul interstelar (continuu prin vânt solar sau exploziv într-o supernovă) și sunt disponibile pentru formarea următoarei generații de stele sau alte obiecte astronomice . Prin urmare, sistemele stelare mai tinere conțin cantități mici de elemente mai grele chiar de la început , care pot forma planete ca în sistemul nostru solar .

Statistica elementelor chimice

Din cele 118 elemente cunoscute (începând cu 2015), 80 sunt stabile. Toate elementele stabile apar în mod natural pe pământ, precum și 14 elemente radioactive (vezi abundența elementelor ). Alte elemente radioactive au fost produse artificial și este probabil ca numărul lor să crească în continuare.

Elementele pot fi împărțite în funcție de diverse criterii. Cea mai comună este împărțirea în acele elemente care formează metale și alcătuiesc majoritatea elementelor, precum și în nemetale și semi-metale în etapa intermediară .

Doar 17 din toate elementele aparțin grupului nemetalelor; acestea nu formează metale în condiții standard . Dintre acestea, cele șase gaze nobile sunt monatomice, deoarece atomii lor nu formează molecule, i. H. nu reacționați unul la celălalt. Pe de altă parte, alții se combină cu atomi ai aceluiași element pentru a forma molecule. Acestea includ celelalte cinci elemente care sunt gazoase în condiții normale : hidrogen (H 2 ), azot (N 2 ), oxigen (O 2 ), fluor (F 2 ) și clor (Cl 2 ), precum și brom lichid (Br 2 ) și Iod solid (I 2 ).

Abundența elementelor chimice

Abundența relativă a elementelor din scoarța terestră
policristalin de siliciu
99,999% cristale de galiu
Bucăți de litiu în ulei de parafină pentru a proteja împotriva oxidării

Abundența elementelor chimice diferă în funcție de zona în cauză.

În univers este strâns legat de procesele de creație din cadrul timpului cosmologic ( nucleosinteză ). De departe cel mai comun element este hidrogenul, urmat de cel mai simplu produs de fuziune al acestuia, heliu, ambele formându-se la scurt timp după Big Bang . Următoarele elemente cele mai abundente sunt carbonul și oxigenul . Litiu, beriliu și bor s-au format și în Big Bang, dar în cantități mult mai mici.

Heliul, carbonul și oxigenul, precum și toate celelalte tipuri de atomi s-au format prin fuziunea nucleară în stele sau prin alte procese astrofizice . Atomii cu un număr par de protoni , cum ar fi oxigenul, neonul, fierul sau sulful, s-au format mai frecvent , în timp ce elementele cu un număr impar de protoni sunt mai rare. Această regulă este pentru chimistul american William Draper Harkins (1873-1951) numit de obicei Harkinssche . Frecvența specială a fierului ca punct final al unei posibile fuziuni nucleare în stele este izbitoare .

Distribuția pe pământ diferă de cea care predomină în întregul univers. În special, există cantități relativ mici de hidrogen și heliu pe pământ, deoarece aceste gaze nu pot fi reținute de câmpul gravitațional al pământului; în sistemul solar, acestea se găsesc în principal pe planetele de gaze precum Jupiter și Neptun . Pe planetele stâncoase precum Pământul predomină elementele mai grele, în special oxigenul, siliciul, aluminiul și fierul.

Organismele sunt compuse în principal din hidrogen , oxigen , carbon și azot .

Elementele care apar foarte frecvent în zona luată în considerare sunt denumite elemente în vrac , iar cele foarte rare ca oligoelemente .

Clasificarea în schema substanțelor chimice

Clasificarea schematică a substanțelor
 
 
 
 
 
 
 
 
material
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
amestec
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Substanta pura
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

amestec omogen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
conexiune
 
element
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gaz
amestec amestec de mai multe
gaze de
 
Amestec de aliaje
cu proprietăți metalice ,
conține cel puțin un metal
 
Soluție
Solidlichid ,
gaz dizolvat  într-un lichid
 
 
 
 
 
 
molecular
 
ionic
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

amestec eterogen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Spumă
Bule gazoase într-
un lichid
 
Spumă rigidă
Bule gazoase într-
un solid
 
Aerosol
 
Suspensie
Particule solide într-
un lichid
 
Emulsie
Amestec de mai multe
lichide nemiscibile
 
Amestec solid
Amestec de mai multe
solide nemiscibile
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fumul
Particulele solide
dintr-un gaz
 
Ceață
Particule lichide
într-un gaz
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Vezi si

literatură

Link-uri web

Commons : Element chimic  - album care conține imagini, videoclipuri și fișiere audio
Wikționar: element chimic  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri
Wikibooks: Wikijunior The Elements  - materiale de învățare și predare

Dovezi individuale

  1. ^ Marie Boas: Robert Boyle și chimia secolului al XVII-lea . Cambridge University Press, Cambridge 1958, ISBN 978-0-527-09250-4 . (Retipărire)
  2. ^ William H. Brock: Istoria chimiei lui Vieweg . Vieweg, Braunschweig 1992, ISBN 978-3-528-06645-1 .
  3. Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Greutățile atomice ale elementelor 2009 (Raport tehnic IUPAC). În: Chimie pură și aplicată . 2010, p. 1, doi: 10.1351 / PAC-REP-10-09-14 .