Elemente chimice

Structura materiei

Pământul nostru, natura, toate viețuitoarele, obiectele, continentele, munții, oceanele și noi înșine suntem formate din elemente chimice care sunt conectate în moduri diferite. Viața a luat ființă prin conexiunea elementelor. Elementele chimice sunt atomi cu același număr de protoni în nucleu. Numărul se numește număr atomic (în engleză, atomic number). De exemplu, carbon are numărul atomic 6 și în consecință are 6 protoni în nucleul său. Cel mai simplu element este hidrogen (H) cu un proton și un electron (numărul atomic 1, fără neutroni). Substanțele pure sunt numite și elemente, de exemplu pure oxigen. Ele nu pot fi împărțite în continuare prin metode chimice și fizice simple. Elementele pot fi solide, gazoase sau mai rar lichide (stări de agregare). Peste 94 de elemente apar în mod natural și multe altele au fost produse artificial.

Compoziția elementelor

Elementele chimice individuale sunt compuse din protoni încărcați pozitiv, neutroni neutri și electroni încărcați negativ. Nucleul atomului este format din protoni și neutroni care sunt numiți în mod colectiv nucleoni, iar electronii sunt localizați în învelișul atomic (înveliș de electroni).

  • Nucleoni = protoni + neutroni.

Numărul de protoni și electroni este egal între ei în atomii neîncărcați. Pentru că acuzațiile echilibra, elementele sunt neutre electric la exterior. Cu toate acestea, dacă renunță la un electron, acestea sunt încărcate pozitiv (cationi). Dacă acceptă una, acestea sunt încărcate negativ (anioni). Atomii încărcați se numesc ioni. Împreună se formează sare. Atomii sunt adesea reprezentați - și în acest text - cu modelul atomic Bohr învechit, în care electronii orbitează nucleul atomic pe orbite definite, adică precum planetele orbitează soarele. Astăzi, modelul orbital mecanic cuantic este de obicei folosit pentru a reprezenta electronii, în care electronii au o probabilitate definitivă de ședere în spațiul din jurul nucleului.

izotopi

Izotopii sunt atomi care diferă doar prin numărul de neutroni și, prin urmare, în masa. Aceasta este cu același număr de protoni. De exemplu, deuteriul (2H) este un izotop al hidrogen (1H) cu un neutron. Pentru că masa este mai mare, deuteriul (D) se numește greu hidrogen iar oxidul de deuteriu se numește greu de apă (D2O). Printre cei mai cunoscuți izotopi se numără izotopii de uraniu, ale căror nuclee sunt fisibile și sunt utilizate în centralele nucleare și la fabricarea armelor nucleare și a sistemelor de propulsie.

Originea elementelor

Cele mai simple elemente, hidrogenul (= 1) și heliul (= 2), s-au format acum 13.8 miliarde de ani în timpul Big Bang-ului la scurt timp după formarea universului nostru. Hidrogenul rămâne cel mai abundent element din vastul univers de astăzi, urmat de heliu. Majoritatea elementelor rămase s-au format fie în stele prin fuziune nucleară, fie într-o supernovă, în stele pe moarte. Câteva au fost formate de influența razelor cosmice (litiu, beriliu, bor). În cele din urmă, există elemente cu un număr atomic ridicat, care au fost produse artificial de către oameni.

Exemple

Următoarea listă prezintă o selecție de elemente. (Simbolul elementului) este afișat între paranteze, de exemplu C (carbon, din lat. , cărbune) pentru carbon. Abrevierea are una sau două litere.

  • Hidrogenul (H) este o componentă a de apă, impreuna cu oxigen.
  • Carbonul (C) este elementul de bază pentru toată viața de pe pământ.
  • Azot (N) este cea mai importantă componentă a aerului.
  • Oxigen (O) este esențial pentru producerea de energie în organism.
  • Sodiu (Na) este conținut în sarea de masă.
  • Magneziu (Mg) se găsește în clorofilă (verde frunze).
  • Aluminiu (Al) se găsește în folie de aluminiu și în caroserii mașinilor.
  • Siliciu (Si) se găsește în aproape toate mineralele și rocile pământului.
  • Fosfor (P) este utilizat pentru producerea chibriturilor.
  • Sulf (S) este eliberat de vulcani.
  • Potasiu (K) joacă un rol central în funcția de nervi.
  • Calciu (Ca) este conținut în os.
  • Fier de călcat (Fe) este cel mai abundent element de pe planeta Pământ.
  • mercur (Hg), spre deosebire de alte metale, este prezent ca lichid.
  • Nichelul (Ni) este utilizat pentru aliajele metalice.
  • Silver (Ag) și aur (Au) sunt incluse în bijuterii.

Masă și dimensiune

Aproape toate masa a unui atom se află în nucleu. volumpe de altă parte, este determinat de învelișul de electroni, deoarece nucleul este foarte mic. Masa atomilor este dată de simbolul u sau Da (daltoni). u reprezintă. Corespunde masei de protoni, neutroni și electroni. 1 u este dat ca o doisprezecime din masa de carbon-12 (12C) și este de 1.660-10-24 g. Masa unui proton și a unui neutron este de aproximativ 1 u, care este o unitate de masă. Deoarece carbonul-12 conține 6 protoni și 6 neutroni, iar electronii au o masă foarte mică (1/1836 dintr-un proton), masa sa atomică este de aproximativ 12 u (12.011 u). Acest număr se numește numărul de masă. Număr de masă = numărul de protoni + numărul de neutroni Masa moleculară a compușilor chimici poate fi obținută prin adăugarea maselor atomice ale atomilor din care sunt compuși. Atomii sunt inimaginabil de mici - diametrul lor este în intervalul de 10-10 m (1 angstrom, 0.1 nm).

Compuși chimici

Elementele chimice se combină foarte ușor cu aceleași elemente sau cu alte elemente - rare sau nelegate, acestea apar rar. Numai electronii din învelișul atomic sunt responsabili de legăturile chimice, nucleele atomice nu sunt implicate. Cei mai importanți compuși chimici sunt:

  • Organic molecule cu legături covalente.
  • Săruri cu legături ionice
  • Metale cu legătura metalică

Caracteristica specială a compușilor chimici este că proprietățile lor sunt complet diferite de cele ale elementelor din care sunt compuși. De exemplu, clorura de sodiu este compus din sodiu ionizat și clor atomi. Sodiu ca element este un soft, argint-metalul gri care este foarte reactiv și clor există (la temperatura camerei) ca gaz toxic. Împreună formează sarea de masă cristalină pe care o consumăm în fiecare zi ca un potențiator de aromă în alimente. Același lucru poate fi ilustrat de exemplul de apă, care se formează din gazele hidrogen și oxigen din reacția oxihidrogenă.

Tabelul periodic

Tabelul periodic al elementelor este o prezentare descriptivă și practică a tuturor elementelor, dezvoltată pentru prima dată în anii 1860. Începe cu hidrogen (1) și este aranjat în ordinea numărului atomic în creștere. Prin prezentarea lor în perioade orizontale și grupuri verticale, elementele conexe cu proprietăți chimice și fizice similare sunt grupate împreună. Acestea includ:

  • Metale alcaline
  • Metale alcalino-pământoase
  • Metale de tranziție
  • Lantanide
  • Actinoizi
  • Metale
  • Semi-metale
  • Nemetale
  • Halogenii
  • gaze nobile

Link (versiune în limba engleză): tabelul periodic IUPAC cu descărcare PDF.

Indivizibilitatea elementelor

Elementele pot fi obținute din amestecuri supuse diferitelor procese de separare chimică și fizică, cum ar fi arderea, curentul electric sau adăugarea de acid. În cele din urmă, procesele comune lasă în urmă elementele pure. Termenul atom este derivat din greacă, ceea ce înseamnă indivizibil. De fapt, elementele nu mai pot fi divizate prin metodele chimice uzuale. Cu descoperirea radioactivității și decăderii radioactive, s-a demonstrat însă că termenul este inexact și că este posibilă așa-numita fisiune nucleară în elemente cu un număr atomic mai mic. În schimb, fuziunea nucleară poate produce elemente cu un număr atomic mai mare. De exemplu, Soarele formează heliu din hidrogenul din nucleul său, care eliberează energia și căldura care stau la baza întregii vieți de pe Pământ.

Structura ființei umane

După cum sa menționat la început, noi, oamenii, suntem, de asemenea, alcătuite din elementele cunoscute. Cei mai importanți reprezentanți sunt oxigenul (O), carbonul (C), hidrogenul (H), azot (N), calciu (Ca) și fosfor (P). Aceste 6 elemente alcătuiesc împreună peste 99% din masa corporală! Alte minerale precum potasiu, magneziu și sodiu, de exemplu, precum și numeroase oligoelemente precum cromul, de fier, fluor, seleniu or cupru sunt conținute într-o cantitate mult mai mică, dar au funcții vitale.

Originea vieții pe pământ

Elementele de pe pământ provin, așa cum s-a menționat deja, pe de o parte din big bang, care a avut loc acum aproximativ 13.8 miliarde de ani și cu care au fost create universul, spațiul și timpul. Elementele superioare s-au format în principal în stele (supernove). Pământul are o vârstă de aproximativ 4.5 miliarde de ani. Viața pe Pământ a apărut în mod spontan din natura neînsuflețită acum 4 miliarde de ani, prin combinarea elementelor în compuși chimici organici. Aceste reacții au avut loc în principal în apă, deoarece reacțiile chimice au loc inadecvat în solide sau gaze. Studii precum experimentul Miller-Urey din anii 1950 au arătat că biomolecule precum aminoacizi or acizi nucleici se pot forma din compuși mai simpli în natură. Elementul central al tranziției de la Pământul neînsuflețit la cel animat a fost formarea de polimerici proliferați molecule din monomeri. Acestea conțin informații pentru secvența din structura lor. Se crede că acesta a fost primul acid ribonucleic (ARN), care și-a catalizat propria replicare. O singura data molecule auto-replicate, evoluția a început, ducând la complexitate crescândă, la organisme unicelulare și multicelulare, plante, ciuperci, animale și, după o perioadă de timp inimaginabil, noi, oamenii.