Kemijski elementi

Struktura materije

Naša zemlja, priroda, sva živa bića, predmeti, kontinenti, planine, oceani i mi sami napravljeni smo od kemijskih elemenata koji su povezani na različite načine. Život je nastao povezivanjem elemenata. Kemijski elementi su atomi s jednakim brojem protona u jezgri. Broj se naziva atomski broj (na engleskom, atomski broj). Na primjer, ugljen ima atomski broj 6 i posljedično tome ima 6 protona u svojoj jezgri. Najjednostavniji element je vodik (H) s jednim protonom i jednim elektronom (atomski broj 1, bez neutrona). Čiste tvari nazivaju se i elementi, na primjer čiste kisik. Ne mogu se dalje dijeliti jednostavnim kemijskim i fizikalnim metodama. Elementi mogu biti čvrsti, plinoviti ili rjeđe tekući (agregacijska stanja). Preko 94 elementa javljaju se prirodno, a mnogi drugi proizvedeni su umjetnim putem.

Sastav elemenata

Pojedinačni kemijski elementi sastoje se od pozitivno nabijenih protona, neutralnih neutrona i negativno nabijenih elektrona. Jezgra atoma sastoji se od protona i neutrona koji se zajednički nazivaju nukleonima, a elektroni se nalaze u atomskoj ljusci (elektronskoj ljusci).

  • Nukleoni = protoni + neutroni.

Broj protona i elektrona jednak je jedan drugome u nenabijenim atomima. Jer optužbe uravnotežiti, elementi su prema van električki neutralni. Međutim, ako se odreknu elektrona, pozitivno su nabijeni (kationi). Ako ga prihvate, negativno su nabijeni (anioni). Nabijeni atomi nazivaju se ioni. Zajedno čine soli. Atomi su često predstavljeni - također u ovom tekstu - zastarjelim Bohrovim atomskim modelom, u kojem elektroni kruže oko atomske jezgre na definiranim putanjama, tj. Poput planeta oko Sunca. Danas se kvantno-mehanički orbitalni model obično koristi za predstavljanje elektrona, u kojem elektroni imaju određenu vjerojatnost boravka u prostoru oko jezgre.

izotopi

Izotopi su atomi koji se razlikuju samo po broju neutrona pa prema tome i u masa. Ovo je s istim brojem protona. Na primjer, deuterij (2H) je izotop vodik (1H) s jednim neutronom. Jer masa je veći, deuterij (D) se naziva teškim vodik a deuterij oksid naziva se teškim voda (D2O). Među najpoznatijim izotopima su izotopi urana, čije se jezgre dijele i koriste se u nuklearnim elektranama te za izradu nuklearnog oružja i pogonskih sustava.

Podrijetlo elemenata

Najjednostavniji elementi, vodik (= 1) i helij (= 2), nastali su prije 13.8 milijardi godina tijekom Velikog praska nedugo nakon formiranja našeg svemira. Vodik je i dalje najrasprostranjeniji element u današnjem ogromnom svemiru, a slijedi ga helij. Većina preostalih elemenata nastala je ili u zvijezdama nuklearnom fuzijom ili u supernovi, u umirućim zvijezdama. Nekoliko ih je nastalo utjecajem kozmičkih zraka (litij, berilij, bor). Napokon, postoje elementi s visokim atomskim brojem, koje su ljudi stvorili umjetno.

Primjeri

Sljedeći popis prikazuje izbor elemenata. (Simbol elementa) prikazan je u zagradama, na primjer C (ugljen, od lat. , ugljen) za ugljen. Kratica ima jedno ili dva slova.

  • Vodik (H) je komponenta voda, zajedno s kisik.
  • Ugljik (C) je osnovni gradivni element za sav život na zemlji.
  • Dušik (N) je najvažnija komponenta zraka.
  • Kisik (O) je neophodan za proizvodnju energije u tijelu.
  • Natrij (Na) sadrži kuhinjska sol.
  • Magnezij (Mg) se nalazi u klorofilu (zeleno lišće).
  • Aluminijum (Al) se nalazi u aluminijskoj foliji i karoserijama automobila.
  • Silicij (Si) se nalazi u gotovo svim mineralima i stijenama zemlje.
  • Fosfor (P) koristi se za proizvodnju šibica.
  • Sumpor (S) oslobađaju vulkani.
  • Kalij (K) igra središnju ulogu u funkciji živci.
  • Kalcij (Ca) je sadržan u kosti.
  • Željezo (Fe) je najrasprostranjeniji element na planeti Zemlji.
  • Merkur (Hg), za razliku od ostalih metala, prisutan je u obliku tekućine.
  • Nikal (Ni) se koristi za metalne legure.
  • Srebro (Ag) i zlato (Au) su uključeni u nakit.

Masa i veličina

Gotovo svi masa atoma je u jezgri. The volumen, s druge strane, određuje se elektronskom ljuskom, jer je jezgra vrlo mala. Masa atoma dana je simbolom u ili Da (daltoni). u stoji za. Odgovara masi protona, neutrona i elektrona. 1 u daje se kao dvanaestina mase ugljika-12 (12C) i iznosi 1.660 - 10-24 g. Masa protona i neutrona je oko 1 u, što je jedna jedinica mase. Budući da ugljik-12 sadrži 6 protona i 6 neutrona, a elektroni imaju vrlo malu masu (1/1836 protona), njegova atomska masa je oko 12 u (12.011 u). Taj se broj naziva maseni broj. Maseni broj = broj protona + broj neutrona Molekularna masa kemijskih spojeva može se dobiti dodavanjem atomskih masa atoma od kojih su sastavljeni. Atomi su nezamislivo mali - njihov promjer je u rasponu od 10-10 m (1 angstrem, 0.1 nm).

Kemijski spojevi

Kemijski se elementi vrlo lako kombiniraju s istim ili drugim elementima - čisti ili nevezani rijetko se javljaju. Samo su elektroni u atomskoj ljusci odgovorni za kemijske veze, atomske jezgre nisu uključene. Najvažniji kemijski spojevi su:

  • Organski molekule s kovalentnim vezama.
  • Soli s ionskim vezama
  • Metali s metalnom vezom

Posebnost kemijskih spojeva je u tome što se njihova svojstva potpuno razlikuju od svojstava elemenata od kojih su sastavljeni. Na primjer, natrijev klorid sastoji se od ioniziranog natrija i klor atoma. Natrij kao element je mekan, srebro-sivi metal koji je visoko reaktivan, i klor postoji (na sobnoj temperaturi) kao otrovni plin. Zajedno tvore kristalnu kuhinjsku sol koju svakodnevno konzumiramo kao pojačivač okusa u hrani. Isto se može ilustrirati na primjeru voda, koji nastaje iz plinova vodika i kisika u reakciji oksihidrogena.

Periodni sustav elemenata

Periodni sustav elemenata opisan je i praktičan pregled svih elemenata, prvi put razvijen 1860-ih. Počinje s vodikom (1) i poredan je prema redoslijedu povećanja atomskog broja. Prikazujući ih u vodoravnim razdobljima i okomitim skupinama, povezani elementi s sličnim kemijskim i fizičkim svojstvima grupiraju se zajedno. To uključuje:

  • Alkalni metali
  • Alkalijski metali
  • Prijelazni metali
  • Lantanidi
  • Aktinoidi
  • Metali
  • Polumetali
  • Nemetali
  • Halogeni
  • Plemeniti plinovi

Poveznica (engleska verzija): IUPAC periodni sustav s preuzimanjem PDF-a.

Nedjeljivost elemenata

Elementi se mogu dobiti iz smjesa podvrgnutih različitim kemijskim i fizičkim postupcima odvajanja, poput izgaranja, električne struje ili dodavanja kiseline. Na kraju, uobičajeni procesi ostavljaju za sobom čiste elemente. Pojam atom izveden je iz grčkog, što znači nedjeljiv. Zapravo, elementi se dalje ne dijele uobičajenim kemijskim metodama. Otkrivanjem radioaktivnosti i radioaktivnog propadanja, međutim, pokazalo se da taj pojam nije točan i da je moguća takozvana nuklearna fisija na elemente s nižim atomskim brojem. Suprotno tome, nuklearna fuzija može proizvesti elemente s višim atomskim brojem. Na primjer, Sunce u svojoj jezgri od vodika stvara helij koji oslobađa energiju i toplinu koja je osnova čitavog života na Zemlji.

Građa ljudskog bića

Kao što je spomenuto na početku, i mi ljudi se sastojimo od poznatih elemenata. Najvažniji predstavnici su kisik (O), ugljik (C), vodik (H), dušik (N) kalcijum (Ca) i fosfor (P). Ovih 6 elemenata zajedno čine preko 99% tjelesne mase! Ostali minerali poput kalij, magnezij i natrij, na primjer, kao i brojni elementi u tragovima poput kroma, željezo, fluor, selen or bakar sadrže se u mnogo manjoj količini, ali imaju vitalne funkcije.

Podrijetlo života na zemlji

Elementi na zemlji potječu, kao što je već spomenuto, s jedne strane iz Velikog praska koji se dogodio prije oko 13.8 milijardi godina i s kojim su stvoreni svemir, prostor i vrijeme. Viši elementi nastali su uglavnom u aktivnom i umirućem stanju. zvijezde (supernove). Zemlja je stara oko 4.5 milijardi godina. Život na Zemlji spontano se pojavio iz nežive prirode prije možda 4 milijarde godina kombinacijom elemenata u organske kemijske spojeve. Te su se reakcije odvijale uglavnom u vodi, jer se kemijske reakcije neadekvatno odvijaju u krutinama ili plinovima. Studije poput eksperimenta Miller-Urey iz pedesetih godina prošlog stoljeća pokazale su da biomolekule poput aminokiseline or nukleinske kiseline mogu nastati iz jednostavnijih spojeva u prirodi. Ključno za prijelaz s nežive na živu Zemlju bilo je stvaranje proliferirajućeg polimera molekule od monomera. Sadrže informacije o slijedu u svojoj strukturi. Smatra se da je ovo prvo bila ribonukleinska kiselina (RNA), koja je katalizirala vlastitu replikaciju. Jednom molekule samokopiranje, evolucija je krenula, što je dovelo do sve veće složenosti, jednoćelijskih i višećelijskih organizama, biljaka, gljivica, životinja, a nakon nezamislivo dugo vremena i nas ljudi.