Kemisk element

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Et kemisk element er et rent stof, der ikke længere kan nedbrydes til andre stoffer ved hjælp af kemiske metoder. Grundstofferne er grundstofferne i kemiske reaktioner . Den mindste mulige mængde af et element er atomet . Alle atomer af et grundstof har samme antal protoner i atomkernen (det atomare tal ). Derfor har de den samme struktur af elektronskallen og opfører sig følgelig kemisk på samme måde.

Et element er betegnet med et element -symbol , en forkortelse, der for det meste stammer fra elementets latinske navn (f.eks. Pb fra plumbum , Fe fra ferrum ). Grundstofferne er arrangeret i det periodiske system i rækkefølge efter stigende atomnummer . I alt 118 elementer er blevet identificeret til dato. Af disse forekommer grundstofferne med atomtal fra 1 til 94 naturligt på jorden, men ofte i form af kemiske forbindelser og nogle gange kun i ekstremt små spor, f.eks. B. som kortvarige mellemprodukter i radioaktivt henfald . 80 af de 118 kendte kemiske grundstoffer har mindst et stabilt nuklid .

historie

Koncepthistorie

Udtrykket kemisk element opstod fra 1600 -tallet, da det i stigende grad blev anerkendt, at begrebet element i alkymi er uegnet til en videnskabelig belysning af stoffernes forskellige egenskaber og deres reaktioner med hinanden. [1] Etienne de Clave tog et afgørende skridt, der i 1641 gav definitionen på, at elementer er "simple stoffer, hvorfra de blandede stoffer er sammensat, og som de blandede stoffer i sidste ende kan nedbrydes igen". Robert Boyle offentliggjorde en indflydelsesrig kritik af alkymiens utilstrækkelighed i 1661 under titlen The Skeptical Chymist . Heri udtalte han, at man ved kemiske grundstoffer skulle forstå de primitive stoffer "der hverken stammer fra andre stoffer eller fra hinanden, men danner de komponenter, som blandede stoffer består af".

Begge forskere modsatte sig således den fremherskende fire-elementsteori om alkymisterne , der forsøgte at forklare alle stoffer gennem forskellige blandinger af ild , vand , luft og jord , og gjorde udtrykket element tilgængeligt for tættere eksperimentel forskning. På den anden side forblev de fast ved alkymi, idet de antog, at disse elementer ikke kunne forekomme individuelt i virkeligheden, men at hvert egentligt stof er en blanding af alle elementer på samme tid. Boyle tvivlede på, at sådanne elementer overhovedet fandtes. I ånden af ​​den mekanik , der dukkede op på det tidspunkt, antog han, at de ensartede stoffer bestod af ensartede små partikler , som igen er sammensat på en veldefineret måde fra de mindste legemer . Han forklarede forskellige stoffer og deres reaktioner gennem de utallige mulige måder, hvorpå legeme kan kombinere for at danne disse partikler, som er karakteristiske for hvert stof. Som et resultat af en omlægning af legemerne så han også den transmutation, der søges inden for alkymi, som mulig, dvs. konvertering af et element (f.eks. Bly ) til et andet (f.eks. Guld ).

Men Boyle var pioner for Antoine Laurent de Lavoisier , der afviste legemerne som metafysiske spekulationer, men i 1789 karakteriserede de kemiske elementer ved, at de ikke kunne nedbrydes til andre stoffer. Mere præcist: Alle stoffer bør betragtes som elementære , dvs. ikke sammensatte, så længe der ikke er fundet metoder til yderligere adskillelse af individuelle komponenter. [2]

Baseret på denne definition banede Lavoisiers ekstraordinært præcise observationer af kemiske og fysiske materialetransformationer vejen for moderne kemi. Især opdagede han bevarelsen af ​​den totale masse i alle materielle omdannelser og bestemte de nøjagtige masseforhold , hvor rene grundstoffer reagerer med hinanden. Så John Dalton blev ført til loven med flere proportioner , som han videnskabeligt kunne begrunde i 1803 ved at antage eksistensen af uforanderlige og uforgængelige partikler af mindste stof, atomer . Ifølge Dalton er et element defineret af en type ensartet atom, der kan kombinere med andre atomer i henhold til faste regler. Grundstoffernes forskellige adfærd forklares ved, at deres atomarter adskiller sig i masse, størrelse og bindingsmuligheder vedrørende andre atomer. Dette gør det blandt andet muligt at bestemme de relative atommasser af de forskellige grundstoffer indbyrdes, hvorfor atomerne for første gang blev genstand for eksperimentel naturvidenskab.

Daltons tilgang viste sig at være yderst vellykket i fortolkningen af ​​de kemiske reaktioner og forbindelser . Hans definitioner af element og atom blev derfor bevaret, selv når antagelserne om atomers uforanderlighed (især deres udeleligelighed) og ligheden mellem alle atomer af det samme element endelig blev tilbagevist ved observationer af de radioaktive grundstoffer opdaget i 1896: i 1902 Ernest Rutherford forklarede i sin transmutationsteori, at radioaktive henfaldsserier som følge af atomopdelinger og yderligere elementære transformationer. I 1910 opdagede Frederick Soddy , at atomer af det samme radioaktive element kan forekomme i forskellige henfaldsserier med forskellig masse ( isotopi ). Fra 1920 og fremefter blev disse fænomener fundet i alle elementer.

I første halvdel af det 20. århundrede blev atomstrukturen tydeliggjort således, at den kemiske adfærd i høj grad bestemmes af atomets negativt ladede elektronskal , som igen bestemmes af atomkernens positive ladning. Derfor er dagens term for det kemiske element baseret på den elektriske ladning af atomkernen. Det er givet ved antallet af protoner , der er til stede i kernen, som derfor omtales som atomets eller elementets kemiske atomnummer.

Ser vi tilbage på de originale definitioner af udtrykket element af Clave, Boyle og Lavoisier (se ovenfor) og også på Boyles legemer , ser det ud til, at de bedste erkendelser af disse hypotetiske ideer på det tidspunkt ikke er gennem nutidens kemiske elementer og atomer, men gennem de atomære byggesten proton, neutron , elektron er givet.

Opdagelseshistorie

Svovlkrystal
Kviksølvfald

I oldtiden og langt op i middelalderen troede man, at verden består af de fire grundstoffer, jord , vand , luft og ild .

Af grundstofferne i moderne forstand var kun ti elementer i antikken ren form kendt, som enten naturligt (dvs. indfødt ) forekom eller malm, der skulle smeltes: kulstof , svovl , jern , kobber , zink , sølv , tin , guld , kviksølv og Bly . I løbet af middelalderens minedriftshistorie , især i malmbjerge , blev der opdaget små mængder af blandinger af ukendte metaller i malme og opkaldt efter bjergånde ( kobolt , nikkel , wolfram ). Opdagelsen af fosfor af Hennig Brand i 1669 indledte endelig en alder for opdagelsen af ​​de fleste grundstoffer, herunder uran fra pitchblende af Martin Heinrich Klaproth i 1789.

Før 1751 kendte man følgende 9 undergruppeelementer : jern , kobolt , nikkel , kobber , zink , sølv , platin , guld og kviksølv samt de 8 hovedgruppeelementer carbon , fosfor , svovl , arsen , tin , antimon , bly og vismut . I 1751 kendte man i alt 31 elementer.

Fra 1751 til 1800 blev 13 andre elementer tilføjet: hydrogen , titanium , chrom , mangan , yttrium , zirconium , molybdæn , wolfram , uran , nitrogen , oxygen , chlor og tellur .

Mellem 1800 og 1830 blev der opdaget i alt 22 nye grundstoffer: undergruppeelementerne vanadium , tantal , rhodium , palladium , cadmium , osmium , iridium og thorium af sjælden jord samt hovedgruppeelementerne lithium , beryllium , natrium , magnesium og kalium , calcium , strontium , barium , bor , aluminium , silicium , selen , jod og brom .

Elleve andre elementer blev tilføjet mellem 1830 og 1869. De var også en markør for tilstanden af ​​teknisk og videnskabelig udvikling, fordi svært at finde og sjældne elementer blev opdaget og beskrevet. De var helium , rubidium , cæsium , indium , thallium , niobium , ruthenium , lanthan , cerium , terbium , erbium . I år 1869 var der således opdaget 77 elementer.

I løbet af 1800 -tallet blev de sjældne jordmetaller opdaget, som næsten alle naturligt forekommende grundstoffer var kendt med. I løbet af denne tid blev mange hypotetiske elementer postuleret, der senere blev afvist, såsom nebulium . I det 20. og begyndelsen af ​​det 21. århundrede blev mange elementer, der ikke forekommer naturligt - de transuranske elementer - kunstigt fremstillet, dels i atomreaktorer og dels i partikelacceleratorer . Fælles for alle disse elementer er, at de er ustabile, det vil sige, at de omdannes til andre elementer med forskellige hastigheder. Opdagelsen af ​​yderligere sådanne kortlivede elementer må forventes; de produceres kun i ekstremt små mængder. Elementerne modtog deres navne fra deres opdager, hvilket førte til en kontrovers om navngivningen af elementer i det 20. århundrede. Elementer, der endnu ikke er oprettet eller navngivet, har systematiske elementnavne .

Ordresystem

Grundstofferne er arrangeret efter deres atomnummer (atomnummer) og elektronkonfigurationen af deres atomer i elementernes periodiske system (PSE) i grupper og perioder . Dette system blev grundlagt af den russiske lærde Dmitri Iwanowitsch Mendelejew på samme tid som den tyske læge og kemiker Lothar Meyer i 1869.

ejendomme

Skematisk fremstilling af atomet (ikke i skala, ellers skulle det orange område være ca. 5 m i diameter)
Mobile elektroner er ansvarlige for glans af metaller (her rent jern)

Kemiske elementer identificeres ved hjælp af påvisningsreaktioner fra analytisk kemi.

Mange egenskaber ved grundstofferne kan udledes af strukturen af ​​deres atomer. Forskellige historisk dyrkede atommodeller, især den vellykkede Bohr -skalmodel , giver det teoretiske grundlag herfor.

Alle atomer i et element i den elektrisk uladede tilstand har lige så mange elektroner i elektronskallen, som der er protoner i atomkernen. Hvis elementerne er arrangeret efter det stigende antal protoner ( atomnummer ) i det såkaldte periodiske system , resulterer periodisk tilbagevendende egenskaber (se hovedgruppe , undergruppe ).

I kemiske reaktioner er det kun elektronerne på reaktanternes ydre skaller, der er omarrangeret, atomkernen forbliver derimod uændret. Atomer "søger" primært den såkaldte ædelgaskonfiguration (stabilitet på grund af den lukkede ydre skal), selvom dette er på bekostning af elektrisk neutralitet , og stræber kun sekundært efter ladningsudligning af den samlede konfiguration . Denne "stræben" beskrives ved elektronegativitet . Ædelgasser , dvs. elementer med en ydre skal, der lukkes i neutral tilstand, er dårligt reaktive og danner kun forbindelser under drastiske forhold.

En unik "identifikation" af elektronerne i et element giver kvantetallet Kvartet: hovedkvantetal , kvantetal , det magnetiske kvantetal , spin -kvantetal , dvs. kvantefysiske elementegenskaber.

Isotoper, nuklider

Alle atomer i det samme element har samme antal protoner, men de kan indeholde forskellige antal neutroner . Disse arter, der kun adskiller sig i deres antal neutroner, er isotoper af det pågældende element. Det generelle navn for en type atom bestemt af antallet af protoner og antallet af neutroner er nuklid .

Der er for eksempel tre isotoper af brint i naturlige forekomster: protium (ingen neutroner), deuterium (1 neutron) og tritium (2 neutroner). Kernen i den mest almindelige isotop af brint (Protium, 99,9851%) består af en enkelt proton. Deuterium forekommer kun i naturligt brint med en andel på 0,0149 %, tritium med <10 - 10 %.

Den mest almindelige heliumatomkerne består af to protoner og to neutroner. Men der er også isotopen i naturlige forekomster med en andel på kun 0,000137% , Helium-3 , hvis kerne kun indeholder en neutron.

Naturligt klor (17 protoner) består af en blanding af isotoper med 18 neutroner (75,8%) og 20 neutroner (24,2%).

Dimensioner

Isotopernes atommasser er omtrentlige , men ikke ligefrem, heltalsmultipler af hydrogenatomets masse. Årsagerne til disse afvigelser, som er mindre end 0,9 procent, er:

  • Atomkernekomponenternes bindingsenergi viser sig som en massedefekt , så kernemassen altid er lidt mindre end summen af ​​masserne af kernekomponenterne. Denne effekt når sit maksimum inden for jern- og nikkelkerner med 0,945 procent.
  • Atomkerner består af protoner og neutroner . Neutroner er 0,138 procent tungere end protoner.
  • Protoner forekommer kun i det elektrisk neutrale atom sammen med det samme antal elektroner, som har 0,055 procent af protonmassen.

De to sidste effekter kompenserer kun delvist for hinanden.

Rene og blandede elementer

Brom med damp i ampul

Kemiske elementer, der kun har en slags atom i deres naturlige forekomst, kaldes rene grundstoffer ; hvis de derimod består af to eller flere isotoper, kaldes de blandede elementer . De fleste af elementerne er blandede elementer. Der er 19 stabile og tre langlivede ustabile rene grundstoffer ( vismut , thorium og plutonium ), i alt 22 rene grundstoffer.

I det periodiske system står den gennemsnitlige atommasse for blandede elementer i henhold til de relative mængder af isotoper for blandede elementer. Det naturlige blandingsforhold er for det meste konstant for et element, men kan svinge lokalt for nogle elementer. Bly viser for eksempel forskellige gennemsnitlige atommasser afhængigt af dets oprindelse ( aflejring ). 2010 besluttede at IUPAC at i fremtiden for grundstofferne hydrogen , bor , lithium , carbon , nitrogen , oxygen , silicium , svovl , klor og thallium i det periodiske system, masseområdet specificeres som masserne. [3]

Der skal skelnes mellem begreberne rent stof og rent grundstof samt blanding af stoffer og blandet element .

Kemiske forbindelser

Med undtagelse af få ædelgasser kan kemiske grundstoffer trænge ind i kemiske forbindelser . Flere af de elementære atomer kombineres til dannelse af molekyler eller ionkrystaller .

Grundstoffer kan danne en forbindelse med andre grundstoffer eller med sig selv: Med mange gasser såsom chlor Cl eller fluor F kombineres to atomer af det samme element for at danne et molekyle, her Cl 2 og F 2 . Foruden O2, oxygen danner også mindre stabil triatomic O 3 molekyler, svovl former ringformet fra seks til otte atomer. Almindeligt vand ( empiriske formel : H2O), på den anden side, er en kombination af de elementer hydrogen H (2 atomer per molekyle) og oxygen (1 atom per molekyle).

Der er dybest set tre typer kemiske bindinger mellem elementernes atomer:

Oprettelse af elementer

Mod slutningen af ​​deres lysende fase producerer tunge stjerner også tungere atomkerner og skubber materialet ud i form af skyer, her: stjernetåge omkring den ekstremt massive stjerne eta Carinae , skabt ved udbrud 100 til 150 år tidligere.

Lyset elementer hydrogen (ca.. 75%) og helium (ca.. 25%) sammen med små mængder af lithium og beryllium , blev dannet så tidligt som i Big Bang . I begyndelsen af kosmokemien er der hydrogen med en relativ atommasse på ca. 1,0 u (en proton). Tungere elementer skabes i universet gennem atomreaktioner i stjernerne . I hovedsekvensstjerner som vores sol fusioneres for eksempel fire hydrogenatomkerner under høj temperatur (flere millioner grader Celsius) og højt tryk via flere mellemtrin for at danne en heliumatomkerne (relativ atommasse ca. 4,0 u ). Dette er lidt lettere end de fire protoner tilsammen, masseforskellen frigives som energi .

Denne fusion (atomer med et lavere antal protoner smelter til dannelse af højere) fortsætter i de fleste stjerner op til dannelsen af ​​kulstof, i massive stjerner op til dannelsen af jern , den tættest pakkede atomkerne. Dette finder altid sted ved frigivelse af energi, hvorved energiudbyttet falder med stigende atomnummer af de dannede grundstoffer op til jern. Fusionsreaktionerne til tungere kerner ville kræve et input af energi.

Grundstoffer, der er tungere end jern, skabes derfor ikke ved atomfusion , men ved neutronfangst af eksisterende atomer, som omdannes til grundstoffer med et højere atomnummer. Dette sker ved lavmassestjerner i den såkaldte s-proces i massiv i slutningen af ​​stjernernes levetid under en supernova i r-processen .

De resulterende elementer kommer ind i det interstellare medium (kontinuerligt gennem solvind eller eksplosivt i en supernova) og er tilgængelige for dannelsen af ​​den næste generation af stjerner eller andre astronomiske objekter . Yngre stjernesystemer indeholder derfor små mængder af tungere grundstoffer lige fra starten , som kan danne planeter som i vores solsystem .

Kemiske elementer statistik

Af de 118 kendte elementer (fra 2015) er 80 stabile. Alle stabile grundstoffer forekommer naturligt på jorden, samt 14 radioaktive (se elementmængde ). Andre radioaktive elementer er blevet kunstigt fremstillet, og deres antal vil sandsynligvis fortsætte med at stige.

Elementerne kan opdeles efter forskellige kriterier. Den mest almindelige er den opdeling i de elementer, der danner metaller og udgør størstedelen af de elementer, såvel som i ikke-metaller og mellemtrinnet halvmetaller .

Kun 17 af alle elementer tilhører gruppen af ​​ikke-metaller; disse danner ikke metaller under standardbetingelser . Af disse er de seks ædelgasser monatomiske, fordi deres atomer ikke danner molekyler, dvs. ikke reagerer med hinanden. På den anden side kombineres andre med atomer af det samme element for at danne molekyler. Disse omfatter de andre fem elementer, der er gasformige under normale forhold : hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), fluor (F 2 ) og chlor (Cl 2 ) samt flydende brom (Br 2 ) og fast jod (I 2 ).

Overflod af kemiske elementer

Relativ overflod af elementerne i jordskorpen
99,999% galliumkrystaller
Litiumstykker i paraffinolie for at beskytte mod oxidation

Mængden af ​​de kemiske elementer varierer afhængigt af det pågældende område.

I universet er det tæt forbundet med skabelsesprocesserne i den kosmologiske tidsramme ( nukleosyntese ). Langt det mest almindelige element der er hydrogen, efterfulgt af dets enkleste fusionsprodukt, helium, som begge blev dannet kort efter Big Bang . De næste mest udbredte elementer er kulstof og ilt . Lithium, beryllium og bor blev også dannet i Big Bang, men i meget mindre mængder.

Helium, kulstof og ilt samt alle andre typer atomer blev dannet ved atomfusion i stjerner eller ved andre astrofysiske processer. Atomer med et lige antal protoner , såsom ilt, neon, jern eller svovl, blev dannet oftere, mens elementer med et ulige antal protoner er sjældnere. Denne regel er for den amerikanske kemiker William Draper Harkins kaldet (1873-1951) Harkinssche-reglen. Den særlige frekvens af jern som slutpunktet for mulig atomfusion i stjerner er slående.

Fordelingen på jorden adskiller sig fra den, der hersker i hele universet. Især er der forholdsvis små mængder hydrogen og helium på jorden, fordi disse gasser ikke kan tilbageholdes af jordens tyngdefelt ; i solsystemet findes de hovedsageligt på gasplaneterne som Jupiter og Neptun . På stenede planeter som Jorden dominerer de tungere elementer, især ilt, silicium, aluminium og jern.

Organismer består hovedsageligt af hydrogen , ilt , kulstof og nitrogen .

Elementer, der forekommer meget hyppigt i det pågældende område, kaldes bulkelementer og meget sjældne som sporstoffer .

Klassificering i ordningen med kemiske stoffer

Skematisk klassificering af stofferne
 
 
 
 
 
 
 
 
materiale
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(Stof) blanding
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rent stof
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
homogen
(Stof) blanding
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
forbindelse
 
element
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Gasblanding
Blanding af flere
Gasser
 
legering
Blanding med metalliske egenskaber ,
indeholder mindst et metal
 
løsning
Fast , flydende ,
Gas opløst i en væske
 
 
 
 
 
 
molekylær
 
Ionisk
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
heterogen
(Stof) blanding
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
skum
Gasformige vesikler i
en væske
 
Stift skum
Gasformige vesikler i
et fast stof
 
Aerosol
 
affjedring
Faste partikler i
en væske
 
emulsion
Blanding af flere ikke
blandbare væsker
 
Fast blanding
Blanding af flere ikke
blandbare faste stoffer
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
røg
Faste partikler
i en gas
 
tåge
Flydende partikler
i en gas
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Se også

litteratur

  • Theodore Gray: Elements. Fackelträger-Verlag, Köln 2009, ISBN 978-3-7716-4435-2 .
  • Ulf von Rauchhaupt : Stoffernes rækkefølge. En rejse gennem en verden af ​​kemiske grundstoffer. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-596-18590-0 .
  • Lucien F. Trueb: De kemiske elementer - Et angreb gennem det periodiske system. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8 .
  • Harry H. Binder: Leksikon for de kemiske grundstoffer - det periodiske system i fakta, tal og data. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
  • Alexander C. Wimmer: De kemiske elementer. SMT, Leoben 2011, ISBN 978-3-200-02434-2 .

Weblinks

Commons : Kemisk element - album, der indeholder billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: kemisk element - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Wikibooks: Wikijunior The Elements - lærings- og undervisningsmateriale

Individuelle beviser

  1. ^ Marie Boas: Robert Boyle og det syttende århundredes kemi . Cambridge University Press, Cambridge 1958, ISBN 978-0-527-09250-4 . (Genoptryk)
  2. ^ William H. Brock: Viewegs kemihistorie . Vieweg, Braunschweig 1992, ISBN 978-3-528-06645-1 .
  3. Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic vægte af elementerne 2009 (IUPAC tekniske rapport). I: Ren og anvendt kemi . 2010, s. 1, doi: 10.1351 / PAC-REP-10-09-14 .