Kemiskt element

Elementens periodiska system

Ett kemiskt grundämne är ett rent ämne som inte längre kan brytas ner till andra ämnen med kemiska metoder. Elementen är de grundläggande ämnena för kemiska reaktioner . Minsta möjliga mängd av ett element är atomen . Alla atomer av ett element har samma antal protoner i atomkärnan (den atomnummer ). Därför har de samma struktur som elektronskalet och uppför sig därför kemiskt på samma sätt .

Ett element betecknas med en elementsymbol , en förkortning som mest härrör från det latinska namnet på elementet (t.ex. Pb från plumbum , Fe från ferrum ). Elementen är ordnade i det periodiska systemet i ordning efter ökande atomnummer . Totalt har 118 element hittills identifierats. Av dessa förekommer elementen med atomnummer från 1 till 94 naturligt på jorden, men ofta i form av kemiska föreningar och ibland endast i extremt små spår, t.ex. B. som kortlivade mellanprodukter i radioaktivt sönderfall . 80 av de 118 kända kemiska elementen har minst en stabil nuklid .

historia

Koncepthistoria

Uttrycket kemiskt grundämne uppstod från 1600-talet, när man alltmer insåg att begreppet grundämne i alkemi är olämpligt för en vetenskaplig belysning av ämnens olika egenskaper och deras reaktioner med varandra. Etienne de Clave tog ett avgörande steg , som 1641 gav definitionen att element är "enkla ämnen som de blandade ämnena består av och i vilka de blandade substanserna slutligen kan brytas ned igen". Robert Boyle publicerade en inflytelserik kritik av alkemins otillräcklighet 1661 under titeln The Skeptical Chymist . Där förklarade han att man med kemiska element bör förstå de primitiva ämnen "som varken härstammar från andra ämnen eller från varandra, men utgör de komponenter som blandade ämnen består av".

Både forskare motsatte därmed den rådande fyra element teori de alkemister , som försökte förklara alla ämnen genom olika blandningar av eld , vatten , luft och jord , och gjorde termen elementet tillgänglig för närmare experimentell forskning. Å andra sidan förblev de fast vid alkemi, förutsatt att dessa element inte kunde förekomma individuellt i verkligheten, men att varje verkligt ämne är en blandning av alla element samtidigt. Boyle tvivlade på att sådana element till och med fanns. I den anda av den mekanik som uppstod vid den tiden antog han att de enhetligt framträdande substanserna bestod av enhetliga små partiklar , som i sin tur består av ett väldefinierat sätt från de minsta kropparna . Han förklarade mångfalden av ämnen och deras reaktioner genom de otaliga möjliga sätt som kropparna kan kombinera för att bilda dessa partiklar, som är karakteristiska för varje ämne. Som ett resultat av en omläggning av kropparna såg han också den transmutation som eftersträvas i alkemi som möjligt. H. den transformation av ena elementet (t ex bly ) till en annan (t ex guld ).

Men Boyle banade väg för Antoine Laurent de Lavoisier , som avfärdade kropparna som metafysisk spekulation, men 1789 karakteriserade de kemiska elementen genom att de inte kunde brytas ned till andra ämnen. Mer exakt: Alla ämnen bör betraktas som elementära , dvs. H. inte kombinerat, använd så länge inga metoder för ytterligare separering av enskilda komponenter har hittats.

Baserat på denna definition banade Lavoisiers utomordentligt exakta observationer av kemiska och fysiska materialtransformationer vägen för modern kemi. I synnerhet upptäckte han bevarandet av den totala massan i alla materialomvandlingar och bestämde de exakta massförhållandena där rena element reagerar med varandra. Så John Dalton leddes till lagen med flera proportioner , som han kunde vetenskapligt motivera 1803 genom att anta existensen av oföränderliga och oförstörbara minsta partiklar av materien, atomerna . Enligt Dalton definieras ett element av en typ av enhetlig atom som kan kombineras med andra atomer enligt fasta regler. Elementens olika beteende förklaras av deras atomart i massa , storlek och bindningsalternativ skiljer sig från andra atomer. Detta resulterar bland annat i. möjligheten att bestämma de relativa atommassorna för de olika elementen mellan varandra, vilket var första gången som atomerna blev föremål för experimentell naturvetenskap.

Daltons tillvägagångssätt visade sig vara mycket framgångsrik när det gäller att tolka kemiska reaktioner och föreningar . Hans definitioner av element och atom behölls därför, även när antagandena om atomernas oföränderlighet (särskilt deras odelbarhet) och likheten mellan alla atomer i samma element slutligen motbevisades genom observationer av de radioaktiva element som upptäcktes 1896 : 1902 Ernest Rutherford förklarade i sin transmutationsteori att radioaktiva sönderfallsserier som ett resultat av atomiska uppdelningar och ytterligare elementära transformationer. År 1910 upptäckte Frederick Soddy att atomer av samma radioaktiva element kan förekomma i olika förfallsserier med olika massa ( isotopi ). Från 1920 och framåt hittades dessa fenomen i alla element.

Under första hälften av 1900-talet klargjordes atomstrukturen så att det kemiska beteendet till stor del bestäms av atomens negativt laddade elektronskal , vilket i sin tur bestäms av atomkärnans positiva laddning . Därför är dagens koncept för det kemiska grundämnet baserat på den elektriska laddningen i atomkärnan. Det ges av antalet protoner som finns i kärnan , vilket därför kallas atomens eller grundämnets kemiska atomnummer.

När man ser tillbaka på de ursprungliga definitionerna av begreppet element av Clave, Boyle och Lavoisier (se ovan) och även på Boyles kroppar , verkar det som om de bästa insikterna av dessa hypotetiska idéer inte är genom dagens kemiska element och atomer, utan genom den atombyggstenar proton, Neutron , elektron är givna.

Upptäckthistoria

Svavelkristall

Droppar kvicksilver

Under antiken och långt in på medeltiden trodde man att världen består av de fyra elementen jord , vatten , luft och eld .

Av elementen i modern mening var endast tio element i antiken ren form känd, antingen naturligt (dvs .. Fast ) eller malm som skulle smälta: kol , svavel , järn , koppar , zink , silver , tenn , guld , kvicksilver och bly . Under medeltidens gruvhistoria , särskilt i Ertsbergen , upptäcktes små mängder blandningar av okända metaller i malm och namngavs efter bergspiritus ( kobolt , nickel , volfram ). Upptäckten av fosfor från Hennig Brand i 1669 äntligen blev verklighet och ålder upptäckten av de flesta element, bland annat uran från pechblände av Martin Heinrich Klaproth i 1789.

Före 1751 var följande 9 undergruppselement kända: järn , kobolt , nickel , koppar , zink , silver , platina , guld och kvicksilver , liksom de 8 huvudgruppselementen kol , fosfor , svavel , arsenik , tenn , antimon , bly och vismut . År 1751 var totalt 31 element kända.

Från 1751 till 1800 tillsattes 13 andra element: väte , titan , krom , mangan , yttrium , zirkonium , molybden , volfram , uran , kväve , syre , klor och tellur .

Mellan 1800 och 1830 upptäcktes totalt 22 nya element: undergruppselementen vanadin , tantal , rodium , palladium , kadmium , osmium , iridium och sällsynta jordartsmetaller torium , liksom huvudgruppselementen litium , beryllium , natrium , magnesium , kalium , kalcium , strontium , barium , bor , aluminium , kisel , selen , jod och brom .

Elva andra element tillsattes mellan 1830 och 1869. De var också en markör för den tekniska och vetenskapliga utvecklingen, eftersom svåra att hitta och sällsynta element upptäcktes och beskrivs. De var helium , rubidium , cesium , indium , tallium , niob , ruthenium , lantan , cerium , terbium , erbium . 1869 hade 77 element upptäckts.

Under 1800-talet upptäcktes de sällsynta jordartsmetallerna , med vilka nästan alla naturligt förekommande element var kända. Under denna tid postulerades många hypotetiska element som senare avvisades, såsom nebulium . Under 1900-talet och början av 2000-talet producerades många element som inte förekommer naturligt - de transuraniska elementen - artificiellt, delvis i kärnreaktorer och delvis i partikelacceleratorer . Gemensamt för alla dessa element är att de är instabila. De förvandlas till andra element i olika takt. Upptäckten av ytterligare sådana kortlivade element kan förväntas; de produceras bara i extremt små mängder. Elementen fick sina namn från sin upptäckare, vilket ledde till ett element som namngav kontrovers under 1900-talet . Element som ännu inte har skapats eller namngivits har systematiska elementnamn .

Beställningssystem

Elementen är ordnade enligt deras atomnummer (atomnummer) och elektronkonfigurationen för deras atomer i elementens periodiska system (PSE) i grupper och perioder . Detta system grundades av den ryska forskaren Dmitri Iwanowitsch Mendelejew samtidigt som den tyska läkaren och kemisten Lothar Meyer 1869.

egenskaper

Schematisk framställning av atomen (inte i skala, annars måste den orange ytan vara ca 5 m i diameter)

Mobila elektroner är ansvariga för glans av metaller (här rent järn)

Kemiska element identifieras med hjälp av detektionsreaktioner från analytisk kemi.

Många egenskaper hos elementen kan härledas från deras atomers struktur. Olika historiskt odlade atommodeller, särskilt den framgångsrika Bohr-skalmodellen , ger den teoretiska grunden för detta.

Alla atomer i ett element i det elektriskt uppladdade tillståndet har lika många elektroner i elektronskalet som det finns protoner i atomkärnan. Om elementen är ordnade enligt det ökande antalet protoner ( atomnummer ) i den så kallade periodiska tabellen , resulterar periodiska återkommande egenskaper (se huvudgrupp , undergrupp ).

I kemiska reaktioner är endast elektronerna på de yttre skalen av reaktanterna ordnade, atomkärnan förblir dock oförändrad. Atomer i första hand ”söka” den så kallade konfiguration ädelgas (stabilitet på grund av den slutna yttre skal), även om detta är på bekostnad av elektrisk neutralitet , och endast i andra hand strävar efter laddningsutjämning av den övergripande konfigurationen . Denna "strävan" beskrivs av elektronegativitet . Ädelgaser , dvs. element med ett yttre skal som är stängt i neutralt tillstånd, är dåligt reaktiva och bildar endast föreningar under drastiska förhållanden.

En unik "identifiering" av elektronernas element ger kvantantalet Kvartett : huvudkvantnummer , kvantnummer , det magnetiska kvantantalet , centrifugeringskvantantal , dvs kvantfysiska elementegenskaper.

Isotoper, nuklider

Alla atomer av samma element har samma antal protoner, men de kan innehålla olika antal neutroner . Dessa arter, som bara skiljer sig åt i antalet neutroner, är det aktuella elementets isotoper . Det allmänna namnet på en atomtyp som bestäms av antalet protoner och antalet neutroner är nuklid .

Det finns till exempel tre isotoper av väte i naturliga händelser: protium (inga neutroner), deuterium (1 neutron) och tritium (2 neutroner). Kärnan hos den vanligaste isotopen av väte (Protium, 99,9851%) består av en enda proton. Deuterium förekommer endast i naturligt väte med en andel av 0,0149%, tritium med <10 ^-10  %. ${\ displaystyle ^ {1} \ mathrm {H}}$

Den vanligaste heliumatomkärnan består av två protoner och två neutroner. Det finns också isotopen , helium-3 , vars kärna endast innehåller en neutron , i naturliga händelser med en andel på endast 0,000137% . ${\ displaystyle ^ {4} \ mathrm {He}}$${\ displaystyle ^ {3} \ mathrm {He}}$

Naturligt klor (17 protoner) består av en blandning av isotoper med 18 neutroner (75,8%) och 20 neutroner (24,2%).

Mått

koppar nugget

Atommassorna för isotoperna är ungefärliga , men inte exakt, helmultiplar av väteatommens massa . Anledningarna till dessa avvikelser, som är mindre än 0,9 procent, är:

• Den bindningsenergi av atomkärnan komponenter dyker upp som en massdefekt , så att kärnmassan är alltid något mindre än summan av massorna för de centrala delarna. Denna effekt når sitt maximala inom järn- och nickelkärnor med 0,945 procent.
• Atomkärnor består av protoner och neutroner . Neutroner är 0,138 procent tyngre än protoner.
• Protoner förekommer i den elektriskt neutrala atomen endast tillsammans med samma antal elektroner, som har 0,055 procent av protonmassan.

De två sista effekterna kompenserar bara varandra delvis.

Rena och blandade element

Brom med ånga i ampullen

Kemiska element som bara har en typ av atom i sin naturliga förekomst kallas rena element ; å andra sidan, om de består av två eller flera isotoper, kallas de blandade element . De flesta elementen är blandade element. Det finns 19 stabila och tre långlivade instabila rena element ( vismut , torium och plutonium ), totalt 22 rena element.

I det periodiska systemet står den genomsnittliga atommassan för blandade element enligt isotopernas relativa överflöd . Det naturliga blandningsförhållandet är mestadels konstant för ett element, men kan fluktuera lokalt för vissa element. Bly visar till exempel olika genomsnittliga atommassor beroende på dess ursprung ( avsättning ). 2010 beslutade att IUPAC att i framtiden för elementen väte , bor , litium , kol , kväve , syre , kisel , svavel , klor och tallium i det periodiska systemet, massan som en massintervall skall anges.

En strikt åtskillnad måste göras mellan termerna ren substans och rent element , samt substansblandning och blandat element .

Kemiska föreningar

Kalottmodell av den vattenmolekylen

Kristallstruktur av natriumklorid

Med undantag för några ädelgaser kan kemiska grundämnen komma i kemiska föreningar . Flera av de elementära atomerna kombineras för att bilda molekyler eller jonkristaller .

Element kan kombineras med andra element eller med sig själva: I många gaser, såsom klor Cl eller fluor F, kombineras två atomer av samma element för att bilda en molekyl, här Cl ₂ och F ₂ . Förutom O ₂ , syre bildar även mindre stabila triatomic O ₃ molekyler, former svavelringformat från sex till åtta atomer. Vanligt vatten ( empiriska formeln : H ₂ O), å andra sidan, är en kombination av grundämnena väte H (2 atomer per molekyl) och syre (1 atom per molekyl).

Det finns i grund och botten tre typer av kemiska bindningar mellan elementens atomer:

• Molekylära föreningar uppstår från icke-metall och icke-metall - de är icke-ledare (elektriskt icke-ledande) med mestadels relativt låga kokpunkter ( med undantag av diamantliknande eller plastliknande föreningar med jätte molekyler ). Förutom vatten är exempel på molekylära föreningar metan och socker .
• Jonföreningar uppstår från metall ( katjon ) och icke-metall ( anjon ). De är salta : spröda , ofta med hög smältpunkt och elektriskt ledande i smält eller lösning . Exempel på jonföreningar är järn (II) oxid och vanligt salt ( natriumklorid ).
• Metallföreningar skapas av två eller flera metaller. Metallatomerna är förbundna här med metallbindningar och inte sällan med ytterligare joniska eller kovalenta bindningskomponenter. De ska inte förväxlas med legeringar .

Skapandet av element

Mot slutet av sin ljusfas producerar tunga stjärnor också tyngre atomkärnor och matar ut materialet i form av moln, här: nebulosa runt den extremt massiva stjärnan eta Carinae , skapad av utbrott 100 till 150 år tidigare.

Den lätta element väte (approx. 75%) och helium (approx. 25%), tillsammans med små mängder av litium och beryllium , bildades under Big Bang . I början av kosmokemin finns väte med en relativ atommassa på cirka 1,0 u (en proton). Tyngre element skapas i universum genom kärnreaktioner i stjärnorna . I huvudsekvenser som exempelvis vår sol smälter fyra väteatomkärnor samman under hög temperatur (flera miljoner grader Celsius) och högt tryck via flera mellansteg för att bilda en heliumatomkärna (relativ atommassa ca 4,0 u ). Detta är lite lättare än de fyra protonerna tillsammans, massskillnaden frigörs som energi .

Denna fusion (atomer med ett lägre antal protoner smälter samman för att bilda högre) fortsätter i de flesta stjärnor fram till bildandet av kol, i massiva stjärnor fram till bildandet av järn , den tätast packade atomkärnan. Detta sker alltid med frigöring av energi, varigenom energiutbytet minskar med ökande atomantal för de bildade elementen upp till järn. Fusions reaktioner på tyngre kärnor skulle kräva en inmatning av energi.

Element som är tyngre än järn skapas därför inte genom kärnfusion , utan genom neutroninfångning av befintliga atomer, som omvandlas till element med högre atomnummer. Med stjärnor med låg massa händer detta i den så kallade s-processen , med massiva stjärnor i slutet av stjärnornas livslängd under en supernova i r-processen .

De resulterande elementen kommer in i det interstellära mediet (kontinuerligt genom solvind eller explosivt i en supernova) och är tillgängliga för bildandet av nästa generation stjärnor eller andra astronomiska föremål . Yngre stjärnsystem innehåller därför små mängder tyngre element redan från början , som kan bilda planeter som i vårt solsystem .

Statistik över kemiska element

Av de 118 kända elementen (från och med 2015) är 80 stabila. Alla stabila element förekommer naturligt på jorden såväl som 14 radioaktiva (se elementens överflöd ). Andra radioaktiva element har tillverkats artificiellt och antalet kommer sannolikt att fortsätta öka.

Elementen kan delas upp enligt olika kriterier. Den vanligaste är indelningen i de grundämnen som bildar metaller och utgör majoriteten av grundämnena, liksom i icke-metaller och mellanstegs halvmetaller .

Endast 17 av alla element tillhör gruppen icke-metaller; dessa bildar inte metaller under standardförhållanden . Av dessa är de sex ädelgaserna monatomiska eftersom deras atomer inte bildar molekyler, d.v.s. H. reagerar inte på varandra. Å andra sidan kombineras andra med atomer av samma element för att bilda molekyler. Dessa inkluderar de övriga fem element som är gasformiga enligt normala förhållanden : väte (H ₂ ), kväve (N ₂ ), syre (O ₂ ), fluor (F ₂ ) och klor (Cl ₂ ) såväl som flytande brom (Br ₂ ) och fast jod (I ₂ ).

Överflöd av kemiska element

Relativt överflöd av elementen i jordskorpan

Polykristallint kisel

99,999% galliumkristaller

Litiumbitar i paraffinolja för att skydda mot oxidation

Överflödet av de kemiska elementen varierar beroende på vilket område som övervägs.

I universum är det nära kopplat till skapelseprocesserna i den kosmologiska tidsramen ( nukleosyntes ). Det överlägset vanligaste elementet finns väte, följt av dess enklaste fusionsprodukt, helium, som båda bildades strax efter Big Bang . De näst vanligaste elementen är kol och syre . Litium, beryllium och bor bildades också i Big Bang, men i mycket mindre kvantiteter.

Helium, kol och syre såväl som alla andra typer av atomer bildades genom kärnfusion i stjärnor eller genom andra astrofysiska processer. Atomer med ett jämnt antal protoner , såsom syre, neon, järn eller svavel, bildades oftare , medan element med ett udda antal protoner är sällsynta. Denna regel gäller för den amerikanska kemisten William Draper Harkins (1873-1951) som Harkinssche vanligtvis kallas. Den speciella frekvensen av järn som slutpunkt för möjlig kärnfusion i stjärnor är slående .

Fördelningen på jorden skiljer sig från den som råder i hela universum. I synnerhet finns det relativt små mängder väte och helium på jorden, eftersom dessa gaser inte kan kvarhållas av jordens gravitationsfält ; i solsystemet finns de främst i gasplaneterna som Jupiter och Neptun . På steniga planeter som jorden dominerar de tyngre elementen, särskilt syre, kisel, aluminium och järn.

Organismer består huvudsakligen av väte , syre , kol och kväve .

Element som förekommer mycket ofta i det aktuella området kallas bulkelement och mycket sällsynta som spårämnen .

Klassificering i systemet för kemiska ämnen

Se även

• Lista över kemiska element

litteratur

• Theodore Gray: The Elements. Fackelträger-Verlag, Köln 2009, ISBN 978-3-7716-4435-2 .
• Ulf von Rauchhaupt : Sakens ordning. En resa genom en värld av kemiska element. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-596-18590-0 .
• Lucien F. Trueb: De kemiska grundämnena - En razzia genom det periodiska systemet. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8 .
• Harry H. Binder: Lexikon för de kemiska elementen - det periodiska systemet i fakta, siffror och data. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
• Alexander C. Wimmer: De kemiska grundämnena. SMT, Leoben 2011, ISBN 978-3-200-02434-2 .

webb-länkar

Wiktionary: kemiskt element  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

• www.chemieseite.de innehåller detaljerade beskrivningar av huvudelementen
• www.pse-mendelejew.de innehåller många fotografier av rena element
• www.pse.merck.de innehåller ett rikt urval av atomegenskaper i en interaktiv tabell
• Omfattande översikt

Individuella bevis

1. ^ Marie Boas: Robert Boyle och kemin på 1600-talet . Cambridge University Press, Cambridge 1958, ISBN 978-0-527-09250-4 .  (Omtryck)
2. ^ William H. Brock: Viewegs kemihistoria . Vieweg, Braunschweig 1992, ISBN 978-3-528-06645-1 . 
3. ↑ Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). I: Ren och tillämpad kemi . 2010, s. 1, doi: 10.1351 / PAC-REP-10-09-14 .