Kjemiske elementer

Struktur av materie

Jorden vår, naturen, alle levende ting, gjenstander, kontinentene, fjellene, havene og vi selv er laget av kjemiske elementer som er forbundet på forskjellige måter. Livet har blitt til gjennom forbindelse av elementer. Kjemiske elementer er atomer med samme antall protoner i kjernen. Nummeret kalles atomnummer (på engelsk, atomnummer). For eksempel, karbon har atomnummer 6 og har følgelig 6 protoner i kjernen. Det enkleste elementet er hydrogen (H) med ett proton og ett elektron (atomnummer 1, uten nøytroner). Rene stoffer kalles også grunnstoffer, for eksempel rene oksygen. De kan ikke deles videre med enkle kjemiske og fysiske metoder. Elementene kan være faste, gassformige eller sjeldnere flytende (aggregasjonstilstander). Over 94 elementer forekommer naturlig og mange flere er produsert kunstig.

Sammensetningen av elementene

De individuelle kjemiske elementene er sammensatt av positivt ladede protoner, nøytrale nøytroner og negativt ladede elektroner. Atomkjernen består av protoner og nøytroner som kollektivt kalles nukleoner, og elektronene er lokalisert i atomskallet (elektronskall).

  • Nukleoner = protoner + nøytroner.

Antall protoner og elektroner tilsvarer hverandre i uladede atomer. Fordi anklagene balansereelementene er elektrisk nøytrale mot utsiden. Men hvis de gir opp et elektron, er de positivt ladede (kationer). Hvis de godtar en, er de negativt ladede (anioner). Ladede atomer kalles ioner. Sammen danner de seg salter. Atomer er ofte representert - også i denne teksten - med den utdaterte Bohr-atommodellen, der elektronene kretser atomkjernen på definerte baner, dvs. som planetene kretser rundt solen. I dag brukes den kvantemekaniske orbitale modellen vanligvis til å representere elektroner, der elektronene har en bestemt sannsynlighet for opphold i rommet rundt kjernen.

isotoper

Isotoper er atomer som bare skiller seg i antall nøytroner og derfor i masse. Dette er med samme antall protoner. For eksempel deuterium (2H) er en isotop av hydrogen (1H) med ett nøytron. Fordi det masse er større, kalles deuterium (D) tung hydrogen og deuteriumoksid kalles tungt Vann (D2O). Blant de mest kjente isotoper er uranisotoper, hvis kjerner er fissile og brukes i atomkraftverk og til å lage atomvåpen og fremdriftssystemer.

Elementenes opprinnelse

De enkleste elementene, hydrogen (= 1) og helium (= 2), ble dannet for 13.8 milliarder år siden under Big Bang kort tid etter dannelsen av vårt univers. Hydrogen er fortsatt det vanligste elementet i dagens enorme univers, etterfulgt av helium. De fleste av de gjenværende elementene ble dannet enten i stjerner ved atomfusjon eller i en supernova, i døende stjerner. Noen få er blitt dannet av påvirkning fra kosmiske stråler (litium, beryllium, bor). Til slutt eksisterer elementer med høyt atomnummer som ble produsert kunstig av mennesker.

Eksempler

Følgende liste viser et utvalg av elementer. (Element-symbolet) vises i parentes, for eksempel C (karbon, fra lat. , kull) for karbon. Forkortelsen har enten en eller to bokstaver.

  • Hydrogen (H) er en komponent av Vann, sammen med oksygen.
  • Karbon (C) er den grunnleggende byggesteinen for alt liv på jorden.
  • Nitrogen (N) er den viktigste komponenten av luft.
  • Oksygen (O) er viktig for energiproduksjon i kroppen.
  • natrium (Na) er inneholdt i bordsalt.
  • Magnesium (Mg) finnes i klorofyll (bladgrønn).
  • Aluminum (Al) finnes i aluminiumsfolie og karosserier.
  • Silicon (Si) finnes i nesten alle mineraler og bergarter på jorden.
  • Fosfor (P) brukes til produksjon av fyrstikker.
  • Svovel (S) frigjøres av vulkaner.
  • Kalium (K) spiller en sentral rolle i funksjonen til nerver.
  • Kalsium (Ca) er inneholdt i bein.
  • Stryke (Fe) er det mest utbredte elementet på planeten Jorden.
  • Mercury (Hg), i motsetning til andre metaller, er til stede som en væske.
  • Nikkel (Ni) brukes til metalllegeringer.
  • Sølv (Ag) og gull (Au) er inkludert i smykkene.

Masse og størrelse

Nesten alle masse av et atom er i kjernen. De volumderimot, bestemmes av elektronskallet, fordi kjernen er veldig liten. Massen av atomer er gitt av symbolet u eller Da (dalton). du står for. Det tilsvarer massen av protoner, nøytroner og elektroner. 1 u er gitt som en tolvtedel av massen av karbon-12 (12C) og er 1.660 - 10-24 g. Massen til et proton og et nøytron er omtrent 1 u, som er en masseenhet. Fordi karbon-12 inneholder 6 protoner og 6 nøytroner, og elektronene har en veldig liten masse (1/1836 av en proton), er dens atommasse omtrent 12 u (12.011 u). Dette tallet kalles massenummeret. Massetall = antall protoner + antall nøytroner Molekylmassen til kjemiske forbindelser kan oppnås ved å legge til atommassene til atomene som de består av. Atomer er utenkelig små - diameteren er i området 10-10 m (1 Ångstrøm, 0.1 nm).

Kjemiske forbindelser

Kjemiske elementer kombineres veldig lett med de samme eller andre grunnstoffene - rene eller ubundet forekommer de sjelden. Bare elektronene i atomskallet er ansvarlige for de kjemiske bindingene, atomkjernene er ikke involvert. De viktigste kjemiske forbindelsene er:

  • organisk molekyler med kovalente bindinger.
  • Salter med ioniske bindinger
  • Metaller med metallbinding

Det spesielle med kjemiske forbindelser er at egenskapene deres er helt forskjellige fra elementene de består av. For eksempel, natriumklorid består av ionisert natrium og klor atomer. natrium som et element er et mykt, sølv-grått metall som er veldig reaktivt, og klor eksisterer (ved romtemperatur) som en giftig gass. Sammen danner de det krystallinske bordsaltet som vi spiser hver dag som smaksforsterker i maten. Det samme kan illustreres med eksemplet på Vann, som dannes fra gassene hydrogen og oksygen i oksyhydrogenreaksjonen.

Periodiske tabell

Elementets periodiske system er en beskrivende og praktisk oversikt over alle elementene, først utviklet på 1860-tallet. Det begynner med hydrogen (1) og er ordnet i rekkefølge etter økende atomnummer. Ved å presentere dem i horisontale perioder og vertikale grupper, er relaterte elementer med lignende kjemiske og fysiske egenskaper gruppert sammen. Disse inkluderer:

  • Alkalimetaller
  • Jordalkalimetaller
  • Overgangsmetaller
  • Lanthanider
  • Actinoider
  • Metaller
  • Halvmetaller
  • Ikke-metaller
  • Halogener
  • Edelgasser

Link (engelsk versjon): IUPAC periodisk tabell med PDF-nedlasting.

Udelbarhet av elementene

Elementer kan fås fra blandinger som er utsatt for forskjellige kjemiske og fysiske separasjonsprosesser, slik som forbrenning, elektrisk strøm eller syretilsetning. Til slutt etterlater de vanlige prosessene de rene elementene. Begrepet atom er avledet fra gresk, som betyr udelelig. Elementene er faktisk ikke delbare med de vanlige kjemiske metodene. Med oppdagelsen av radioaktivitet og radioaktivt forfall har det imidlertid vist seg at begrepet er unøyaktig, og at såkalt kjernefysisk fisjon i grunnstoffer med et lavere atomnummer er mulig. Motsatt kan kjernefusjon produsere elementer med et høyere atomnummer. For eksempel danner solen helium fra hydrogen i kjernen, som frigjør energien og varmen som er grunnlaget for alt liv på jorden.

Menneskets struktur

Som nevnt i begynnelsen består vi mennesker også av de kjente elementene. De viktigste representantene er oksygen (O), karbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), kalsium (Ca) og fosfor (P). Disse 6 elementene utgjør tilsammen over 99% av kroppsmassen! Andre mineraler som kalium, magnesium og natrium, for eksempel, så vel som mange sporstoffer som krom, jern, fluor, selen or kobber er inneholdt i en mye mindre mengde, men har viktige funksjoner.

Opprinnelsen til livet på jorden

Elementene på jorden stammer, som allerede nevnt, på den ene siden fra big bang, som fant sted for rundt 13.8 milliarder år siden, og som universet, rommet og tiden ble skapt med. Høyere elementer ble dannet hovedsakelig i aktiv og døende stjerner (supernovaer). Jorden har en alder på ca 4.5 milliarder år. Livet på jorden har oppstått spontant fra den livløse naturen for kanskje 4 milliarder år siden ved kombinasjonen av grunnstoffer til organiske kjemiske forbindelser. Disse reaksjonene har skjedd hovedsakelig i vann, fordi kjemiske reaksjoner foregår utilstrekkelig i faste stoffer eller gasser. Studier som Miller-Urey-eksperimentet fra 1950-tallet har vist at biomolekyler som aminosyrer or nukleinsyrer kan dannes fra enklere forbindelser i naturen. Sentralt i overgangen fra den livløse til den levende jorden var dannelsen av prolifererende polymer molekyler fra monomerer. Disse inneholder informasjonen for sekvensen i strukturen. Det antas at dette først var ribonukleinsyre (RNA), som katalyserte sin egen replikasjon. En gang molekyler selvreplikert, evolusjonen kom i gang, noe som førte til økende kompleksitet, encellede og flercellede organismer, planter, sopp, dyr, og etter ufattelig lang tid, oss mennesker.