Chemický prvek

Periodická tabulka prvků

Chemický prvek je čistá látka , která již nemůže být rozděleny do jiné látky za použití chemických metod. Prvky jsou základními látkami chemických reakcí . Nejmenší možné množství prvku je atom . Všechny atomy prvku mají stejný počet protonů v atomovém jádře ( atomové číslo ). Proto mají stejnou strukturu jako elektronový obal a následně se chovají stejně chemicky.

Prvek je označen symbolem prvku , zkratkou, která je většinou odvozena z latinského názvu prvku (např.Pb z plumbum , Fe z ferrum ). Prvky jsou uspořádány v periodické tabulce v pořadí podle zvyšujícího se atomového čísla . K dnešnímu dni bylo identifikováno celkem 118 prvků. Z nich se prvky s atomovým číslem od 1 do 94 vyskytují na Zemi přirozeně, ale často ve formě chemických sloučenin a někdy jen v extrémně malých stopách, např. B. jako krátkodobé meziprodukty při radioaktivním rozpadu . 80 ze 118 známých chemických prvků má alespoň jeden stabilní nuklid .

Dějiny

Historie konceptu

Termín chemický prvek se objevil od 17. století, kdy se stále více uznávalo, že koncept prvku v alchymii je nevhodný pro vědecké objasnění různých vlastností látek a jejich vzájemných reakcí. Etienne de Clave učinil rozhodující krok , který v roce 1641 definoval, že prvky jsou „jednoduché látky, z nichž jsou smíchané látky složeny a na které lze smíchané látky nakonec znovu rozložit“. Robert Boyle publikoval vlivnou kritiku nedostatků alchymie v roce 1661 pod názvem Skeptický chymista . V něm uvedl, že chemickými prvky je třeba chápat ty primitivní látky, „které nepocházejí z jiných látek ani od sebe, ale tvoří složky, z nichž se skládají směsi“.

Oba vědci se tak oproti převažující teorie čtyři prvek s alchymisty , kteří se snažili vysvětlit všechny látky prostřednictvím různých směsí ohně , vody , vzduchu a země , a také termín prvek přístupné pro bližší experimentálního výzkumu. Na druhou stranu zůstali přichyceni k alchymii za předpokladu, že se tyto prvky ve skutečnosti nemohou vyskytovat jednotlivě , ale že každá skutečná látka je směsí všech prvků současně. Boyle pochyboval, že takové prvky vůbec existují. V duchu mechaniky, která se v té době objevila, předpokládal, že rovnoměrně se objevující látky sestávaly z jednotných malých částic , které jsou zase přesně definovaným způsobem složeny z nejmenších krvinek . Vysvětlil rozmanitost látek a jejich reakce prostřednictvím nesčetných možných způsobů, kterými se mohou krvinky spojit a vytvořit tyto částice, které jsou charakteristické pro každou látku. V důsledku přeskupení krvinek také viděl transmutaci hledanou v alchymii, jak je to možné, tj. H. transformace jednoho prvku (např. olovo ) na jinou (např zlata ).

Ale Boyle vydláždil cestu Antoinovi Laurentovi de Lavoisierovi , který odmítl krvinky jako metafyzické spekulace, ale v roce 1789 charakterizoval chemické prvky tím, že je nebylo možné rozložit na jiné látky. Přesněji: Všechny látky by měly být považovány za základní , tj. H. nekombinované, platí, dokud nebyly nalezeny žádné metody pro další separaci jednotlivých složek.

Na základě této definice připravilo Lavoisierovo mimořádně přesné pozorování transformací chemických a fyzikálních materiálů cestu moderní chemii. Zejména objevil zachování celkové hmotnosti při všech materiálových přeměnách a určil přesné hmotnostní poměry, ve kterých čisté prvky reagují navzájem. Takže John Dalton byl veden k právu rozmanitých proporcí , který byl schopen vědecky zdůvodnit v roce 1803 za předpokladu existence nezměnitelné a nezničitelné nejmenších částeček hmoty, z atomů . Podle Daltona je prvek definován typem uniformního atomu, který lze kombinovat s jinými atomy podle pevných pravidel. Rozdílné chování prvků je vysvětleno jejich atomovými druhy v hmotě , velikosti a možnosti vazby se liší od ostatních atomů. Výsledkem je mimo jiné. možnost vzájemného určování relativních atomových hmot různých prvků , což bylo poprvé, kdy se atomy staly předmětem experimentální přírodní vědy.

Daltonův přístup se ukázal jako mimořádně úspěšný při interpretaci chemických reakcí a sloučenin . Jeho definice prvku a atomu proto zůstaly zachovány, i když předpoklady neměnnosti atomů (zejména jejich nedělitelnosti) a rovnosti všech atomů stejného prvku byly nakonec vyvráceny pozorováním radioaktivních prvků objevených v roce 1896 : v roce 1902 Ernest Rutherford ve své transmutační teorii vysvětlil, že série radioaktivního rozpadu v důsledku atomových dělení a dalších elementárních transformací. V roce 1910 Frederick Soddy objevil, že atomy stejného radioaktivního prvku se mohou vyskytovat v různých rozpadových řadách s různou hmotností ( izotopy ). Od roku 1920 byly tyto jevy nalezeny ve všech prvcích.

V první polovině 20. století byla atomová struktura objasněna v tom smyslu, že chemické chování je do značné míry určeno záporně nabitým elektronovým obalem atomu, který je zase určen kladným nábojem atomového jádra . Proto je dnešní koncept chemického prvku založen na elektrickém náboji atomového jádra. Je to dáno počtem protonů přítomných v jádru , které se proto označuje jako chemické atomové číslo atomu nebo prvku.

Při pohledu zpět na původní definice pojmu prvek od Clave, Boylea a Lavoisiera (viz výše) a také na Boyleovy částice se zdá, že nejlepší realizace těchto hypotetických myšlenek v té době není prostřednictvím dnešních chemických prvků a atomů, ale prostřednictvím jsou uvedeny atomové stavební bloky proton, neutron , elektron .

Objevný příběh

Sírový krystal

Kapky rtuti

V dávných dobách , a také do středověku , to bylo věřil, že svět se skládá ze čtyř prvků země , vody , ovzduší a požární .

Z prvků v moderním smyslu pouze deset prvky byly ve starověku čisté formě (. Tj .. známý, buď přirozeně Solid ) došlo nebo ruda k roztavení: uhlík , síra , železo , měď , zinek , stříbro , cín , zlato , rtuť a olovo . V průběhu středověké hornické historie , zejména v Krušných horách , byla v rudách objevena malá množství příměsí neznámých kovů a pojmenována podle horských duchů ( kobalt , nikl , wolfram ). Objev fosforu od Hennig značkou v roce 1669 konečně ohlašoval věku objevu většiny prvků, včetně uranu z uranine od Martin Heinrich Klaproth v roce 1789.

Před rokem 1751 bylo známo následujících 9 prvků podskupiny : železo , kobalt , nikl , měď , zinek , stříbro , platina , zlato a rtuť , jakož i 8 hlavních prvků skupiny uhlík , fosfor , síra , arsen , cín , antimon , olovo a vizmut . V roce 1751 bylo známo celkem 31 prvků.

Od roku 1751 do roku 1800 bylo přidáno dalších 13 prvků: vodík , titan , chrom , mangan , yttrium , zirkonium , molybden , wolfram , uran , dusík , kyslík , chlor a telur .

V letech 1800 až 1830 bylo objeveno celkem 22 nových prvků: podskupinové prvky vanad , tantal , rhodium , palladium , kadmium , osmium , iridium a thorium vzácných zemin , jakož i hlavní prvky skupiny lithium , berylium , sodík , hořčík , draslík , vápník , stroncium , baryum , bór , hliník , křemík , selen , jod a brom .

Mezi lety 1830 a 1869 bylo přidáno dalších 11 prvků. Byly také ukazatelem stavu technického a vědeckého vývoje, protože byly objeveny a popsány těžko dostupné a vzácné prvky. Byli to helium , rubidium , cesium , indium , thalium , niob , ruthenium , lanthan , cer , terbium , erbium . Do roku 1869 bylo tedy objeveno 77 prvků.

V průběhu 19. století byly objeveny kovy vzácných zemin , s nimiž byly známy téměř všechny přirozeně se vyskytující prvky. Během této doby bylo postulováno mnoho hypotetických prvků, které byly později odmítnuty, například nebulium . Ve 20. a na počátku 21. století bylo mnoho prvků, které se nevyskytují přirozeně - transuranové prvky - vyrobeno uměle, částečně v jaderných reaktorech a částečně v urychlovačích částic . Všechny tyto prvky mají společné to, že jsou nestabilní; To znamená, že se transformují na jiné prvky různou rychlostí. Lze očekávat objev dalších takových krátkodobých prvků; vyrábějí se pouze v extrémně malém množství. Názvy prvků získaly od svého objevitele, což vedlo ke kontroverzi pojmenování prvků ve 20. století . Prvky, které dosud nebyly vytvořeny ani pojmenovány, mají systematické názvy prvků .

Objednávkový systém

Prvky jsou uspořádány podle jejich atomového čísla (atomové číslo) a elektronové konfigurace jejich atomů v Periodické tabulce prvků (PSE) ve skupinách a periodách . Tento systém založil ruský vědec Dmitrij Iwanowitsch Mendelejew současně s německým lékařem a chemikem Lotharem Meyerem v roce 1869.

vlastnosti

Schematické znázornění atomu (ne v měřítku, jinak by oranžová oblast musela mít průměr přibližně 5 m)

Mobilní elektrony jsou zodpovědné za lesk kovů (zde čisté železo)

Chemické prvky jsou identifikovány pomocí detekčních reakcí z analytické chemie.

Mnoho vlastností prvků lze odvodit ze struktury jejich atomů. Teoretický základ pro to poskytují různé historicky pěstované atomové modely, zejména úspěšný model Bohrovy skořápky .

Všechny atomy prvku v elektricky nenabitém stavu mají v elektronovém obalu tolik elektronů, kolik je v atomovém jádře protonů. Pokud jsou prvky uspořádány podle zvyšujícího se počtu protonů ( atomové číslo ) v tzv. Periodické tabulce , vznikají periodicky se opakující vlastnosti (viz hlavní skupina , podskupina ).

V chemických reakcích jsou přeskupeny pouze elektrony na vnějších skořápkách reaktantů, atomové jádro však zůstává nezměněno. Atomy primárně „hledají“ takzvanou konfiguraci ušlechtilého plynu (stabilita v důsledku uzavřeného vnějšího pláště), i když je to na úkor elektrické neutrality , a pouze sekundárně se usilují o vyrovnání náboje celkové konfigurace . Tato „snaha“ je popsána elektronegativitou . Ušlechtilé plyny , tj. Prvky s vnějším pláštěm uzavřeným v neutrálním stavu, jsou slabě reaktivní a tvoří sloučeniny pouze za drastických podmínek.

Jedinečná „identifikace“ elektronů prvku poskytuje kvantové číslo Kvarteto : hlavní kvantové číslo , kvantové číslo , magnetické kvantové číslo , spinové kvantové číslo , tj . Vlastnosti kvantových fyzikálních prvků.

Izotopy, nuklidy

Všechny atomy stejného prvku mají stejný počet protonů, ale mohou obsahovat různý počet neutronů . Tyto druhy, které se liší pouze počtem neutronů, jsou izotopy dotyčného prvku. Obecný název pro typ atomu určený počtem protonů a počtem neutronů je nuklid .

V přirozeném výskytu jsou například tři izotopy vodíku : protium (bez neutronů), deuterium (1 neutron) a tritium (2 neutrony). Jádro nejběžnějšího izotopu vodíku (Protium, 99,9851%) se skládá z jediného protonu. Deuterium se vyskytuje pouze v přírodním vodíku s podílem 0,0149%, tritium s <10 ⁻¹⁰  %. ${\ displaystyle ^ {1} \ mathrm {H}}$

Nejběžnější atomové jádro helia se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů. Existuje také izotop , hélium-3 , jehož jádro obsahuje pouze jeden neutron , v přirozeném výskytu s podílem pouze 0,000137% . ${\ displaystyle ^ {4} \ mathrm {He}}$${\ displaystyle ^ {3} \ mathrm {He}}$

Přírodní chlor (17 protonů) se skládá ze směsi izotopů s 18 neutrony (75,8%) a 20 neutrony (24,2%).

Rozměry

Měděný nugget

Atomové hmotnosti izotopů jsou přibližné , ale ne přesně, celočíselné násobky hmotnosti atomu vodíku . Důvody těchto odchylek, které jsou menší než 0,9 procenta, jsou:

• Vazebná energie atomového jádra komponenty ukáže jako hmotnostní defekt , tak, že jaderná hmota je vždy o něco menší, než je součet hmotnosti všech základních součástí. Tento efekt dosahuje svého maxima v oblasti železných a niklových jader 0,945 procenta.
• Atomová jádra se skládají z protonů a neutronů . Neutrony jsou o 0,138 procent těžší než protony.
• Protony se vyskytují v elektricky neutrálním atomu pouze společně se stejným počtem elektronů, které mají 0,055 procent protonové hmoty.

Poslední dva efekty se navzájem kompenzují jen částečně.

Čisté a smíšené prvky

Brom s párou v ampuli

Chemické prvky, které mají ve svém přirozeném výskytu pouze jeden druh atomu, se nazývají čisté prvky ; na druhou stranu, pokud se skládají ze dvou nebo více izotopů, říká se jim smíšené prvky . Většina prvků jsou smíšené prvky. Existuje 19 stabilních a tři nestálé nestabilní čisté prvky ( vizmut , thorium a plutonium ), celkem tedy 22 čistých prvků.

V periodické tabulce stojí průměrná atomová hmotnost pro smíšené prvky podle relativního množství izotopů. Přirozený směšovací poměr je u jednoho prvku většinou konstantní, u některých prvků však může lokálně kolísat. Například olovo ukazuje různé průměrné atomové hmotnosti v závislosti na jeho původu ( ložisku ). 2010 rozhodl IUPAC, že v budoucnu pro prvky vodík , bór , lithium , uhlík , dusík , kyslík , křemík , síra , chlor a thalium v periodické tabulce bude uvedena hmotnost jako hmotnostní rozmezí .

Je třeba přísně rozlišovat mezi pojmy čistá látka a čistý prvek , jakož i směs látek a smíšený prvek .

Chemické sloučeniny

Prostorově náplň model na molekuly vody

Krystalová struktura z chloridu sodného

S výjimkou několika vzácných plynů mohou chemické prvky vstupovat do chemických sloučenin . Několik elementárních atomů je kombinováno za vzniku molekul nebo iontových krystalů .

Prvky se mohou kombinovat s jinými prvky nebo se sebou samými: V mnoha plynech, jako je chlor Cl nebo fluor F, se dva atomy stejného prvku spojí a vytvoří molekulu, zde Cl ₂ a F ₂ . Kromě O ₂ tvoří kyslík také méně stabilní triatomické molekuly O ₃ , síra tvoří kruhový tvar od šesti do osmi atomů. Běžná voda ( empirický vzorec : H ₂ O), na druhé straně, je kombinací prvků vodíku H (2 atomy v molekule) a kyslík (1 atom v molekule).

V zásadě existují tři typy chemických vazeb mezi atomy prvků:

• Molekulární sloučeniny vznikají z nekovových a nekovových - jsou non-vodiče (elektricky nevodivého) s většinou relativně nízkými teplotami varu ( s výjimkou diamantu, jako je nebo plastu -jako sloučenin s obřími molekulami ). Kromě vody jsou příklady molekulárních sloučenin methan a cukr .
• Iontové sloučeniny vznikají z kovu ( kation ) a nekovu ( anion ). Jsou slané : křehké , často s vysokou teplotou tání a elektricky vodivé v tavenině nebo roztoku . Příklady iontových sloučenin jsou oxid železitý a běžná sůl ( chlorid sodný ).
• Kovové sloučeniny jsou vytvářeny ze dvou nebo více kovů. Atomy kovů jsou zde spojeny kovovými vazbami a nezřídka dalšími iontovými nebo kovalentními složkami vazeb. Nesmí být zaměňovány se slitinami .

Vytváření prvků

Na konci své světelné fáze těžké hvězdy také produkují těžší atomová jádra a vypouštějí materiál ve formě mraků, zde: mlhovina kolem extrémně hmotné hvězdy eta Carinae , vytvořené erupcemi o 100 až 150 let dříve.

Světlo prvky vodíku (cca. 75%) a helium (cca. 25%), společně s malým množstvím lithia a berylia , byly vytvořeny během velkého třesku . Na začátku kosmochemie je vodík s relativní atomovou hmotností přibližně 1,0 u (jeden proton). Těžší prvky jsou vytvořeny ve vesmíru pomocí jaderných reakcí v hvězd . Například v hlavních sekvenčních hvězdách, jako je naše slunce , čtyři jádra atomu vodíku splývají za vysoké teploty (několik milionů stupňů Celsia) a vysokého tlaku přes několik mezistupňů a tvoří jádro atomu helia (relativní atomová hmotnost přibližně 4,0 u ). To je o něco lehčí než čtyři protony dohromady, hmotnostní rozdíl se uvolňuje jako energie .

Tato fúze (atomy s nižším počtem protonů fúzují za vzniku vyšších) pokračuje u většiny hvězd až po vznik uhlíku, u hmotných hvězd až po vznik železa , nejhustěji zabaleného atomového jádra. K tomu vždy dochází s uvolňováním energie, přičemž energetický výnos klesá se zvyšujícím se atomovým počtem formovaných prvků až po železo. Fúzní reakce na těžší jádra by vyžadovaly přísun energie.

Prvky těžší než železo proto nevznikají jadernou fúzí , ale neutronovým zachycením existujících atomů, které se převádějí na prvky s vyšším atomovým číslem. U hvězd s nízkou hmotností k tomu dochází v takzvaném s-procesu , s hmotnými hvězdami na konci životnosti hvězd během supernovy v r-procesu .

Výsledné prvky vstupují do mezihvězdného média (kontinuálně prostřednictvím slunečního větru nebo výbušně v supernově) a jsou k dispozici pro formování další generace hvězd nebo jiných astronomických objektů . Mladší hvězdné systémy proto obsahují hned od začátku malá množství těžších prvků , které mohou formovat planety jako v naší sluneční soustavě .

Statistika chemických prvků

Ze 118 známých prvků (stav z roku 2015) je 80 stabilních. Všechny stabilní prvky se přirozeně vyskytují na Zemi, stejně jako 14 radioaktivních prvků (viz počet prvků ). Jiné radioaktivní prvky byly vyrobeny uměle a je pravděpodobné, že jejich počet bude i nadále stoupat.

Jednotlivé prvky lze rozdělit podle různých kritérií. Nejběžnější je rozdělení do těch prvků, které tvoří kovy a tvoří většinu prvků, stejně jako do nekovy a mezistupně návěsy kovů .

Pouze 17 ze všech prvků patří do skupiny nekovů; tyto za normálních podmínek netvoří kovy. Z nich je šest vzácných plynů monatomických, protože jejich atomy netvoří molekuly, tj. H. nereagují na sebe. Na druhou stranu se jiné spojují s atomy stejného prvku a vytvářejí molekuly. Patří sem dalších pět prvků, které jsou za normálních podmínek plynné: vodík (H ₂ ), dusík (N ₂ ), kyslík (O ₂ ), fluor (F ₂ ) a chlor (Cl ₂ ) a také kapalný brom (Br ₂ ) a pevný jód (I ₂ ).

Množství chemických prvků

Relativní množství prvků v zemské kůře

Polykrystalický křemík

99,999% krystalů gália

Kousky lithia v parafinovém oleji na ochranu před oxidací

Množství chemických prvků se liší v závislosti na uvažované oblasti.

Ve vesmíru je úzce spjat s procesy tvorby v kosmologickém časovém rámci ( nukleosyntéza ). Zdaleka nejběžnějším prvkem je vodík, následovaný nejjednodušším fúzním produktem, hélium, které vzniklo krátce po Velkém třesku . Dalšími nejhojnějšími prvky jsou uhlík a kyslík . Ve velkém třesku se také tvořilo lithium, berylium a bór, ale v mnohem menším množství.

Hélium, uhlík a kyslík i všechny ostatní typy atomů vznikly jadernou fúzí ve hvězdách nebo jinými astrofyzikálními procesy. Atomy se sudým počtem protonů , jako je kyslík, neon, železo nebo síra, se tvořily častěji , zatímco prvky s lichým počtem protonů jsou vzácnější. Toto pravidlo platí pro amerického chemika Williama Drapera Harkinsa (1873-1951), kterého Harkinssche obvykle volal. Zvláštní frekvence železa jako koncového bodu možné jaderné fúze ve hvězdách je zarážející .

Distribuce na Zemi se liší od distribuce, která převládá v celém vesmíru. Zejména existují poměrně malá množství vodíku a helia na Zemi, protože tyto plyny nemohou být zadrženy zemským gravitačním polem ; ve sluneční soustavě se nacházejí hlavně na plynných planetách, jako je Jupiter a Neptun . Na skalnatých planetách, jako je Země, převažují těžší prvky, zejména kyslík, křemík, hliník a železo.

Organismy se skládají hlavně z vodíku , kyslíku , uhlíku a dusíku .

Prvky, které se v uvažované oblasti vyskytují velmi často, se označují jako hromadné prvky a velmi vzácné jako stopové prvky .

Zařazení do systému chemických látek

Viz také

• Seznam chemických prvků

literatura

• Theodore Gray: Prvky. Fackelträger-Verlag, Kolín nad Rýnem 2009, ISBN 978-3-7716-4435-2 .
• Ulf von Rauchhaupt : Pořadí hmoty. Cesta světem chemických prvků. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt nad Mohanem 2009, ISBN 978-3-596-18590-0 .
• Lucien F. Trueb: Chemické prvky - nájezd přes periodickou tabulku. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8 .
• Harry H. Binder: Lexikon chemických prvků - periodická tabulka ve faktech, číslech a datech. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
• Alexander C. Wimmer: Chemické prvky. SMT, Leoben 2011, ISBN 978-3-200-02434-2 .

webové odkazy

Wikislovník: chemický prvek  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• www.chemieseite.de obsahuje podrobný popis hlavních prvků
• www.pse-mendelejew.de obsahuje mnoho fotografií čistých prvků
• www.pse.merck.de obsahuje bohatý výběr atomových vlastností v interaktivní tabulce
• Úplný přehled

Individuální důkazy

1. ^ Marie Boas: Robert Boyle a chemie sedmnáctého století . Cambridge University Press, Cambridge 1958, ISBN 978-0-527-09250-4 .  (Dotisk)
2. ^ William H. Brock: Viewegova historie chemie . Vieweg, Braunschweig 1992, ISBN 978-3-528-06645-1 . 
3. ↑ Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomové váhy prvků z roku 2009 (technická zpráva IUPAC). In: Čistá a aplikovaná chemie . 2010, s. 1, doi: 10.1351 / PAC-REP-10-09-14 .