Ķīmiskie elementi

Matērijas struktūra

Mūsu zeme, daba, visas dzīvās būtnes, priekšmeti, kontinenti, kalni, okeāni un mēs paši esam veidoti no ķīmiskiem elementiem, kas ir savienoti dažādos veidos. Dzīve ir radusies, savienojot elementus. Ķīmiskie elementi ir atomi, kuru kodolā ir vienāds protonu skaits. Skaitli sauc par atomu numuru (angliski, atomic number). Piemēram, ogleklis ir atomu skaitlis 6 un līdz ar to kodolā ir 6 protoni. Vienkāršākais elements ir ūdeņradis (H) ar vienu protonu un vienu elektronu (atomu skaitlis 1, bez neitroniem). Tīras vielas sauc arī par elementiem, piemēram, par tīrām skābeklis. Tos nevar sīkāk sadalīt ar vienkāršām ķīmiskām un fizikālām metodēm. Elementi var būt cieti, gāzveida vai retāk šķidri (agregācijas stāvokļi). Vairāk nekā 94 elementi rodas dabiski, un vēl daudz vairāk to ražo mākslīgi.

Elementu sastāvs

Atsevišķos ķīmiskos elementus veido pozitīvi lādēti protoni, neitrālie neitroni un negatīvi lādētie elektroni. Atoma kodols sastāv no protoniem un neitroniem, kurus kopā sauc par nukleoniem, un elektroni atrodas atomu apvalkā (elektronu apvalkā).

  • Nukleoni = protoni + neitroni.

Protonu un elektronu skaits ir vienāds ar lādētiem atomiem. Jo apsūdzības līdzsvarot, elementi no ārpuses ir elektriski neitrāli. Tomēr, ja viņi atsakās no elektrona, tie ir pozitīvi uzlādēti (katijoni). Ja viņi to pieņem, viņi tiek negatīvi uzlādēti (anjoni). Uzlādētos atomus sauc par joniem. Viņi kopā veidojas sāļi. Atomi bieži tiek attēloti - arī šajā tekstā - ar novecojušu Bora atomu modeli, kurā elektroni riņķo ap atoma kodolu noteiktās orbītās, ti, tāpat kā planētas riņķo ap sauli. Mūsdienās elektronu attēlošanai parasti izmanto kvantu mehānisko orbitālās modeli, kurā elektroniem ir noteikta uzturēšanās varbūtība telpā ap kodolu.

Izotopi

Izotopi ir atomi, kas atšķiras tikai ar neitronu skaitu un līdz ar to masa. Tas ir ar tādu pašu protonu skaitu. Piemēram, deitērijs (2H) ir ūdeņradis (1H) ar vienu neitronu. Tāpēc ka masa ir lielāks, deitēriju (D) sauc par smagu ūdeņradis un deitērija oksīdu sauc par smago ūdens (D2O). Starp pazīstamākajiem izotopiem ir urāna izotopi, kuru kodoli ir skaldāmi un tiek izmantoti kodolspēkstacijās un kodolieroču un vilces sistēmu ražošanai.

Elementu izcelsme

Visvienkāršākie elementi - ūdeņradis (= 1) un hēlijs (= 2) - izveidojās pirms 13.8 miljardiem gadu Lielā sprādziena laikā neilgi pēc mūsu Visuma veidošanās. Ūdeņradis joprojām ir visplašākais elements mūsdienu plašajā Visumā, kam seko hēlijs. Lielākā daļa atlikušo elementu izveidojās vai nu zvaigznēs kodolsintēzes ceļā, vai arī supernovā, mirstošās zvaigznēs. Daži ir izveidojušies kosmisko staru ietekmē (litijs, berilijs, bors). Visbeidzot, pastāv elementi ar augstu atomu skaitu, kurus mākslīgi ražoja cilvēki.

Piemēri

Šajā sarakstā parādīta elementu atlase. (Elementa simbols) ir parādīts iekavās, piemēram, C (ogleklis, no lat. , ogles) par ogleklis. Saīsinājumā ir viens vai divi burti.

  • Ūdeņradis (H) ir ūdens, kopā ar skābeklis.
  • Ogleklis (C) ir visas zemes dzīves pamatelements.
  • Slāpeklis (N) ir vissvarīgākā gaisa sastāvdaļa.
  • Skābeklis (O) ir būtiska enerģijas ražošanai organismā.
  • Nātrijs (Na) ir galda sāls.
  • magnijs (Mg) ir atrodams hlorofilā (lapu zaļš).
  • Alumīnijs (Al) ir atrodams alumīnija folijā un automašīnu virsbūvēs.
  • Silīcijs (Si) ir sastopams gandrīz visos zemes minerālos un iežos.
  • Fosfors (P) izmanto sērkociņu ražošanai.
  • Sērs (S) atbrīvo vulkāni.
  • kālijs (K) ir galvenā loma nervi.
  • Kalcijs (Ca) ir ietverts kauli.
  • dzelzs (Fe) ir visplašākais elements uz planētas Zeme.
  • Dzīvsudrabs (Hg), atšķirībā no citiem metāliem, ir kā šķidrums.
  • Metālu sakausējumiem izmanto niķeli (Ni).
  • Sudraba (Ag) un zelts (Au) ir iekļauti rotaslietās.

Masa un lielums

Gandrīz visi masa atoma atrodas kodolā. The tilpums, no otras puses, nosaka elektronu apvalks, jo kodols ir ļoti mazs. Atomu masu dod simbols u vai Da (daltoni). u apzīmē. Tas atbilst protonu, neitronu un elektronu masai. 1 u norāda kā vienu divpadsmito daļu no oglekļa-12 masas (12C) un ir 1.660-10-24 g. Protona un neitrona masa ir aptuveni 1 u, kas ir viena masas vienība. Tā kā ogleklis-12 satur 6 protonus un 6 neitronus, un elektroniem ir ļoti maza masa (1/1836 protona), tā atomu masa ir aptuveni 12 u (12.011 u). Šo skaitli sauc par masas numuru. Masas numurs = protonu skaits + neitronu skaits Ķīmisko savienojumu molekulmasu var iegūt, saskaitot to atomu atomu masas, no kurām tie sastāv. Atomi ir neiedomājami mazi - to diametrs ir 10 robežās-10 m (1 angstrēms, 0.1 nm).

Ķīmiskie savienojumi

Ķīmiskie elementi ļoti viegli apvienojas ar tiem pašiem vai citiem elementiem - tīri vai nesaistīti, tie reti sastopami. Tikai elektroni atomu apvalkā ir atbildīgi par ķīmiskajām saitēm, atomu kodoli nav iesaistīti. Svarīgākie ķīmiskie savienojumi ir:

  • organisks molekulas ar kovalentām saitēm.
  • Sāļi ar jonu saitēm
  • Metāli ar metāla saiti

Ķīmisko savienojumu īpatnība ir tā, ka to īpašības ir pilnīgi atšķirīgas no to sastāvdaļu īpašībām. Piemēram, nātrija hlorīds sastāv no jonizēta nātrija un hlors atomi. Nātrijs kā elements ir mīksts, Sudrabs- pelēks metāls, kas ir ļoti reaktīvs, un hlors (istabas temperatūrā) pastāv kā toksiska gāze. Viņi kopā veido kristālisko galda sāli, ko mēs katru dienu lietojam kā garšas pastiprinātāju pārtikā. To pašu var ilustrēt ar ūdens, kas veidojas no ūdeņraža un skābekļa gāzēm oksihidrogēna reakcijā.

Periodiskā tabula

Periodiskā elementu tabula ir aprakstošs un praktisks pārskats par visiem elementiem, kas pirmo reizi tika izstrādāts 1860. gados. Tas sākas ar ūdeņradi (1) un ir sakārtots pieaugošā atomu skaita secībā. Uzrādot tos horizontālos periodos un vertikālās grupās, saistītie elementi ar līdzīgām ķīmiskajām un fizikālajām īpašībām tiek grupēti kopā. Tie ietver:

  • Sārmu metāli
  • Sārmzemju metāli
  • Pārejas metāli
  • Lantanīdi
  • Aktinoīdi
  • Metāli
  • Pusmetāli
  • Nemetāli
  • Halogēni
  • Cēlgāzes

Saite (angļu valodā): IUPAC periodiskā tabula ar PDF lejupielādi.

Elementu nedalāmība

Elementus var iegūt no maisījumiem, kas pakļauti dažādiem ķīmiskiem un fizikāliem atdalīšanas procesiem, piemēram, sadedzināšanai, elektriskai strāvai vai skābes pievienošanai. Galu galā kopējie procesi atstāj tīros elementus. Termins atoms ir atvasināts no grieķu valodas, kas nozīmē nedalāms. Faktiski elementi vairs nav dalāmi ar parastajām ķīmiskajām metodēm. Atklājot radioaktivitāti un radioaktīvo sabrukšanu, tomēr ir pierādīts, ka šis termins nav precīzs un ka ir iespējama tā sauktā kodola dalīšanās elementos ar zemāku atomu skaitu. Un otrādi, kodolsintēze var radīt elementus ar lielāku atomu skaitu. Piemēram, Saule no serdeņa veido hēliju no ūdeņraža, kas atbrīvo enerģiju un siltumu, kas ir visas Zemes dzīvības pamats.

Cilvēka struktūra

Kā minēts sākumā, arī mēs, cilvēki, sastāvam no zināmiem elementiem. Svarīgākie pārstāvji ir skābeklis (O), ogleklis (C), ūdeņradis (H), slāpeklis (N), kalcijs (Ca) un fosfors (P). Šie 6 elementi kopā veido vairāk nekā 99% no ķermeņa masas! Citi minerāli, piemēram, kālijs, magnijs un nātrijs, piemēram, kā arī daudzus mikroelementus, piemēram, hromu, dzelzsfluors, selēns or varš ir daudz mazākā daudzumā, bet tām ir vitāli svarīgas funkcijas.

Dzīvības izcelsme uz zemes

Zemes elementi, kā jau minēts, rodas no vienas puses no lielā sprādziena, kas notika pirms aptuveni 13.8 miljardiem gadu un ar kuru tika izveidots Visums, telpa un laiks. Augstākie elementi veidojās galvenokārt aktīvos un mirstošajos zvaigznes (supernovas). Zemes vecums ir aptuveni 4.5 miljardi gadu. Dzīve uz Zemes spontāni radusies no nedzīvās dabas varbūt pirms 4 miljardiem gadu, elementus apvienojot organiskos ķīmiskajos savienojumos. Šīs reakcijas ir notikušas galvenokārt ūdenī, jo ķīmiskās reakcijas cietēs vai gāzēs notiek neadekvāti. Tādi pētījumi kā Millera-Ūrija eksperiments 1950. gados parādīja, ka tādas biomolekulas kā aminoskābes or nukleīnskābes var veidoties no vienkāršākiem savienojumiem dabā. Galvenais pārejai no nedzīvās uz dzīvo Zemi bija proliferējoša polimēra veidošanās molekulas no monomēriem. Tie satur informāciju par secību to struktūrā. Tiek uzskatīts, ka tā bija pirmā ribonukleīnskābe (RNS), kas katalizēja pašas replikāciju. Vienreiz molekulas pats atkārtojies, evolūcija sākās, izraisot arvien sarežģītāku, vienšūnu un daudzšūnu organismus, augus, sēnītes, dzīvniekus un pēc neiedomājami ilga laika arī mēs, cilvēki.