Keemilised elemendid

Mateeria struktuur

Meie maa, loodus, kõik elusolendid, objektid, mandrid, mäed, ookeanid ja meie ise oleme valmistatud erinevatel viisidel ühendatud keemilistest elementidest. Elu on tekkinud elementide ühendamise kaudu. Keemilised elemendid on aatomid, mille tuumas on sama palju prootoneid. Numbrit nimetatakse aatomnumbriks (inglise keeles atomic number). Näiteks, süsinik on aatominumber 6 ja sellest tulenevalt tuumas 6 prootonit. Lihtsaim element on vesinik (H) ühe prootoni ja ühe elektroniga (aatomnumber 1, ilma neutroniteta). Puhtaid aineid nimetatakse ka elementideks, näiteks puhtaks hapnik. Neid ei saa lihtsate keemiliste ja füüsikaliste meetoditega edasi jagada. Elemendid võivad olla tahked, gaasilised või harvemini vedelad (liitumisseisundid). Üle 94 elemendi esineb looduslikult ja palju muud on kunstlikult toodetud.

Elementide koostis

Üksikud keemilised elemendid koosnevad positiivselt laetud prootonitest, neutraalsetest neutronitest ja negatiivselt laetud elektronidest. Aatomi tuum koosneb prootonitest ja neutronitest, mida üheskoos nimetatakse nukleonideks, ja elektronid paiknevad aatomkarbis (elektronkest).

  • Nukleonid = prootonid + neutronid.

Prootonite ja elektronide arv võrdub laenguta aatomites üksteisega. Sest süüdistused tasakaal, on elemendid väljastpoolt elektriliselt neutraalsed. Kuid kui nad loobuvad elektronist, on nad positiivselt laetud (katioonid). Kui nad ühe aktsepteerivad, on nad negatiivselt laetud (anioonid). Laetud aatomeid nimetatakse ioonideks. Koos nad moodustuvad soolad. Aatomid on sageli esindatud - ka selles tekstis - aegunud Bohri aatomimudeliga, kus elektronid tiirlevad aatomituuma ümber määratletud orbiitidel, st nagu planeedid tiirlevad ümber päikese. Tänapäeval kasutatakse elektronide esitamiseks tavaliselt kvantmehaanilist orbitaalmudelit, milles elektronidel on kindel tõenäosus viibida tuuma ümbritsevas ruumis.

Isotoobid

Isotoopid on aatomid, mis erinevad ainult neutronite arvu ja seetõttu ka mass. Seda sama arvu prootonitega. Näiteks deuteerium (2H) on vesinik (1H) ühe neutroniga. Sest mass on suurem, nimetatakse deuteeriumit (D) raskeks vesinik ja deuteeriumoksiidi nimetatakse raskeks vesi (D2O). Tuntumate isotoopide hulka kuuluvad uraani isotoopid, mille tuumad on lõhustuvad ja mida kasutatakse tuumajaamades ning tuumarelvade ja tõukejõusüsteemide valmistamiseks.

Elementide päritolu

Kõige lihtsamad elemendid, vesinik (= 1) ja heelium (= 2), tekkisid 13.8 miljardit aastat tagasi Suure Paugu ajal vahetult pärast meie universumi moodustumist. Vesinik jääb tänapäeva tohutu universumi kõige rikkalikumaks elemendiks, millele järgneb heelium. Enamik ülejäänud elemente moodustati tähtedes tuumasünteesi teel või supernoovas, surevatel tähtedel. Vähesed on moodustunud kosmiliste kiirte mõjul (liitium, berüllium, boor). Lõpuks eksisteerivad kõrge aatomnumbriga elemendid, mis on inimese poolt kunstlikult toodetud.

Näited

Järgmine loend näitab valikut elemente. Sulgudes on näidatud (elemendi sümbol), näiteks C (süsinik, alates lat. , kivisüsi) süsinik. Lühendil on kas üks või kaks tähte.

  • Vesinik (H) on vesiniku komponent vesiKoos hapnik.
  • Süsinik (C) on kogu maa elu peamine ehituskivi.
  • Lämmastik (N) on õhu kõige olulisem komponent.
  • Hapnik (O) on oluline energia tootmiseks kehas.
  • Naatrium (Na) sisaldub lauasoolas.
  • Magneesium (Mg) leidub klorofüllis (leheroheline).
  • Alumiinium (Al) leidub alumiiniumfooliumis ja autokeredes.
  • Räni (Si) leidub peaaegu kõigis maa mineraalides ja kivimites.
  • Fosfor (P) kasutatakse tikkude tootmiseks.
  • Väävel (S) vabastavad vulkaanid.
  • Kaalium (K) mängib keskset rolli funktsiooni närve.
  • Kaltsium (Ca) sisaldub luud.
  • Iron (Fe) on kõige arvukam element planeedil Maa.
  • Merkuur (Hg) on ​​erinevalt teistest metallidest vedeliku kujul.
  • Metallisulamite jaoks kasutatakse niklit (Ni).
  • Silver (Ag) ja kuld (Au) sisalduvad ehetes.

Mass ja suurus

Peaaegu kõik mass aatom on tuumas. The maht, teiselt poolt, määratakse elektronkesta abil, kuna tuum on väga väike. Aatomite massi annab sümbol u või Da (daltonid). u tähistab. See vastab prootonite, neutronite ja elektronide massile. 1 u antakse üheteistkümnendikuna süsinik-12 massist (12C) ja on 1.660-10-24 g. Prootoni ja neutroni mass on umbes 1 u, mis on üks massiühik. Kuna süsinik-12 sisaldab 6 prootonit ja 6 neutronit ning elektronide mass on väga väike (1/1836 prootonist), on selle aatomimass umbes 12 u (12.011 u). Seda arvu nimetatakse massinumbriks. Massiarv = prootonite arv + neutronite arv Keemiliste ühendite molekulmassi saab, kui liita nende aatomite aatommassid. Aatomid on kujuteldamatult väikesed - nende läbimõõt jääb vahemikku 10-10 m (1 angström, 0.1 nm).

Keemilised ühendid

Keemilised elemendid kombineeruvad väga kergesti samade või muude elementidega - puhtad või sidumatud - neid esineb harva. Ainult aatomkihis olevad elektronid vastutavad keemiliste sidemete eest, aatomituumad pole selles osalenud. Kõige olulisemad keemilised ühendid on:

  • Orgaaniline molekulid kovalentsete sidemetega.
  • Ioonsidemetega soolad
  • Metallisidemega metallid

Keemiliste ühendite eripära on see, et nende omadused erinevad täielikult nende koostisosade omadustest. Näiteks, naatriumkloriid koosneb ioniseeritud naatriumist ja kloor aatomid. Naatrium kui element on pehme, hõbe- väga reaktiivne hall metall ja kloor eksisteerib (toatemperatuuril) mürgise gaasina. Koos moodustavad need kristalse lauasoola, mida tarbime iga päev toidus maitsetugevdajana. Sama saab illustreerida ka näitega vesi, mis moodustub oksühüdrogeense reaktsiooni käigus vesiniku ja hapniku gaasidest.

Perioodilisustabel

Elementide perioodiline tabel on kirjeldav ja praktiline ülevaade kõigist elementidest, mis töötati esmakordselt välja 1860. aastatel. See algab vesinikust (1) ja on paigutatud järjest suurema aatomite arvu järgi. Esitades neid horisontaalsetes perioodides ja vertikaalsetes rühmades, on sarnaste keemiliste ja füüsikaliste omadustega seotud elemendid rühmitatud. Need sisaldavad:

  • Leelismetallid
  • Leelismuldmetallid
  • Siirdemetallid
  • Lantaniidid
  • Actinoidid
  • Metallid
  • Poolmetallid
  • Mittemetallid
  • Halogeenid
  • Väärisgaasid

Link (ingliskeelne versioon): IUPAC-i perioodiline tabel koos PDF-failidega.

Elementide jagamatus

Elemente võib saada segudest, mis on läbi viidud mitmesugustel keemilistel ja füüsikalistel eraldusprotsessidel, näiteks põlemisel, elektrivoolul või happelisandil. Lõpuks jätavad ühised protsessid puhtad elemendid. Mõiste aatom tuleneb kreeka keelest, mis tähendab jagamatut. Tegelikult ei saa elemente tavapäraste keemiliste meetoditega veelgi jagada. Radioaktiivsuse ja radioaktiivse lagunemise avastamisel on siiski näidatud, et see termin on ebatäpne ja et nn tuuma lõhustumine väiksema aatomnumbriga elementidesse on võimalik. Seevastu võib tuumasüntees toota suurema aatomnumbriga elemente. Näiteks moodustab Päike oma tuumas vesiniku heeliumi, mis vabastab kogu Maa elu aluseks oleva energia ja soojuse.

Inimese struktuur

Nagu alguses mainitud, koosnevad ka meie, inimesed, teadaolevatest elementidest. Olulisemad esindajad on hapnik (O), süsinik (C), vesinik (H), lämmastik (N), kaltsium (Ca) ja fosfor (P). Need 6 elementi moodustavad koos üle 99% kehamassist! Muud mineraalid nagu kaalium, magneesium ja naatriumnagu ka arvukalt mikroelemente nagu kroom, raud, fluor, seleen or vask neid sisaldub palju väiksemas koguses, kuid neil on elutähtsad funktsioonid.

Elu päritolu maa peal

Maapealsed elemendid pärinevad, nagu juba mainitud, ühelt poolt umbes 13.8 miljardit aastat tagasi aset leidnud suurest paugust, millega loodi universum, ruum ja aeg. Kõrgemad elemendid moodustati peamiselt aktiivsetes ja surevates tähed (supernoovad). Maa vanus on umbes 4.5 miljardit aastat. Elu Maal on tekkinud elutust loodusest spontaanselt ehk 4 miljardit aastat tagasi elementide ühendamisel orgaanilisteks keemilisteks ühenditeks. Need reaktsioonid on toimunud peamiselt vees, kuna keemilised reaktsioonid toimuvad tahketes või gaasides ebapiisavalt. Uuringud, näiteks Miller-Urey eksperiment 1950ndatest, on näidanud, et sellised biomolekulid nagu aminohapped or nukleiinhapped võivad tekkida looduses lihtsamatest ühenditest. Eluta Maalt elavale Maale ülemineku keskmes oli vohava polümeeri moodustumine molekulid monomeeridest. Need sisaldavad teavet oma struktuuri järjestuse kohta. Arvatakse, et see oli esimene ribonukleiinhape (RNA), mis katalüüsis tema enda replikatsiooni. Üks kord molekulid ise paljundatud, evolutsioon läks käima, mis viis üha suureneva keerukuse, ühe- ja mitmerakuliste organismide, taimede, seente, loomade ja pärast kujuteldamatult pika aja möödumist ka meie, inimesed.