Kemiskt element - en uppsättning atomer [K 1] [K 2] med samma laddning av atomkärnor . Atomkärnan består av protoner , vars antal är lika med elementets atomnummer , och neutroner , vars antal kan vara olika. Varje kemiskt element har sitt eget latinska namn och kemiska symbol, bestående av en eller ett par latinska bokstäver, reglerade av IUPAC och ges i synnerhet i tabellen i Mendeleevs periodiska system [8] .
Formen av existens av kemiska element i fri form är enkla ämnen (enkelelement) [9] . Det är nödvändigt att skilja mellan kemiska element - virtuella [10] abstrakta objekt skapade genom logisk generalisering av empiriska data och beskrivna genom sina specifika egenskaper, och motsvarande materiella objekt - enkla ämnen med vissa fysikaliska och kemiska egenskaper [1] [2] [3 ] [4] .
Från och med 2016 är 118 [11] kemiska grundämnen kända. 94 av dem finns i naturen (några endast i spårmängder), och de återstående 24 är artificiellt syntetiserade.
Ordet "element" ( lat. elementum ) användes i antiken ( av Cicero , Ovidius , Horace ) som en del av något (ett element av tal, ett element av utbildning, etc.). I forntida tider var talesättet utbrett: "Som ord är uppbyggda av bokstäver, så är kroppar uppbyggda av element." Därav det troliga ursprunget till detta ord: genom namnet på ett antal konsonantbokstäver i det latinska alfabetet: l, m, n, t ("el" - "em" - "en" - "tum") [12] .
Konceptet med ett kemiskt element, nära modern förståelse, återspeglades i det nya systemet för kemisk filosofi, som sattes upp av Robert Boyle i boken The Skeptic Chemist (1661). Boyle påpekade att varken Aristoteles fyra element eller alkemisternas tre principer kunde erkännas som element. Element, enligt Boyle, är praktiskt taget oupplösliga kroppar (ämnen), bestående av liknande homogena (bestående av primär materia) kroppar , från vilka alla komplexa kroppar är sammansatta och i vilka de kan sönderdelas. Korpuskler kan variera i form, storlek, vikt. De blodkroppar som kropparna bildas av förblir oförändrade under omvandlingarna av de senare [13] .
År 1789 ger Antoine Laurent Lavoisier i sin "Elementary course of kemi" den första listan över kemiska grundämnen i den nya kemins historia (en tabell över enkla kroppar), uppdelad i flera typer. För första gången identifierar han ett antal enkla ämnen med kemiska element (inklusive syre , kväve , väte , svavel , fosfor , kol och alla metaller som var kända vid den tiden). Beståndsdelarna inkluderade lätta , kalorier och " saltbildande jordnära ämnen " (svåra nedbrytbara oxider av kalcium , magnesium , etc.). Detta elementbegrepp brukar kallas empiriskt -analytiskt, eftersom Lavoisier valde erfarenhet och endast erfarenhet som kriterium för att bestämma grundämnet, och kategoriskt förkastade alla icke-empiriska resonemang om atomer och molekyler , vars själva existens inte kan bekräftas experimentellt [14] .
Tack vare John Dalton i början av XIX-talet. i kemi rådde den atom-molekylära hypotesen , som betraktade det kemiska elementet som en separat typ av atomer och indikerar naturen hos enkla och komplexa ämnen, som består av atomer av samma eller olika typer. Dalton pekar för första gången på atomvikt som den viktigaste egenskapen hos grundämnen, vilket bestämmer dess kemiska natur. Tack vare insatser från Jöns Berzelius och hans anhängare bestämdes atomvikterna (atommassorna) för de kända grundämnena mycket noggrant. Mitten av 1800-talet präglades av ett antal upptäckter av nya grundämnen. Vid den internationella kemistkongressen i Karlsruhe 1860 antogs definitioner av begreppen en molekyl och en atom.
Vid tiden för upptäckten av den periodiska lagen av D. I. Mendeleev (1869), var 63 element kända. Det var atomvikt som han pekade ut som en egenskap hos atomer, som bestämmer den periodiska karaktären av förändringen i egenskaperna hos kemiska element , såväl som de enkla och komplexa ämnen de bildar. Mendeleev definierade kemiska element som "de materiella delarna av enkla eller komplexa kroppar som ger dem en viss uppsättning fysikaliska och kemiska egenskaper." Mendeleevs upptäckt gjorde det möjligt att förutse existensen, såväl som egenskaperna hos ett antal element som var okända vid den tiden, och fungerade som en vetenskaplig grund för deras klassificering .
Men Mendeleev var tvungen att göra flera permutationer i sekvensen av element, fördelade genom ökande atomvikt, för att upprätthålla periodiciteten av kemiska egenskaper, och även för att introducera tomma celler som motsvarar oupptäckta element. Senare (under de första decennierna av 1900-talet) blev det klart att periodiciteten hos kemiska egenskaper beror på atomnumret (laddningen av atomkärnan), och inte på grundämnets atommassa. Det senare bestäms av antalet stabila isotoper av elementet och deras naturliga överflöd. Men de stabila isotoper av ett grundämne har atommassor som grupperar sig runt ett visst värde, eftersom isotoper med ett överskott eller brist på neutroner i kärnan är instabila, och med en ökning av antalet protoner (det vill säga atomnumret), antalet neutroner som tillsammans bildar en stabil kärna ökar också. Därför kan den periodiska lagen också formuleras som ett beroende av kemiska egenskaper på atommassa, även om detta beroende bryts i flera fall.
Med upptäckten av isotoper blev det klart att även olika samlingar av atomer av samma grundämne kan ha olika atommassa; På grund av dominansen av 4He -isotopen har således radiogent helium isolerat från uranmineraler en atommassa som är större än kosmisk strålheliums (där den lätta 3He - isotopen också är närvarande ).
Den moderna förståelsen av ett kemiskt element som en samling atomer som kännetecknas av samma positiva kärnladdning , lika med grundämnesnumret i det periodiska systemet, dök upp på grund av Henry Moseleys (1915) och James Chadwicks (1920) grundläggande arbete [15] ] [K 3] .
Från och med december 2016 är 118 kemiska grundämnen kända (med serienummer från 1 till 118), varav 94 finns i naturen (vissa är endast i spårmängder), de återstående 24 erhålls på konstgjord väg som ett resultat av kärnreaktioner . Försök görs att syntetisera följande supertunga transuranelement , inklusive påståenden om syntesen av elementet unbiquadium (124) och indirekta bevis för elementen unbinylium (120) och unbihexium (126), som ännu inte har bekräftats. Upptäckten av grundämnet ecatorium-unbibium (122) i prover av naturligt torium [27] tillkännagavs också, men detta påstående bekräftades inte senare baserat på efterföljande försök att reproducera data med mer exakta metoder. Dessutom finns det rapporter om upptäckten i meteoritmaterial av spår av kollisioner med partiklar med atomnummer från 105 till 130, vilket kan vara indirekta bevis på att det finns stabila supertunga kärnor [28] . Sökandet efter supertunga transuranelement i naturen, möjligt enligt teorin om stabilitetsön , har ännu inte krönts med tillförlitlig framgång, och syntesen av nya transuranelement fortsätter i ryska, amerikanska, tyska och japanska centra för kärnforskning av internationella team av forskare. Information om kemiska grundämnen som ännu inte upptäckts finns i artikeln Extended Periodic Table of the Elements .
Syntesen av nya (som inte finns i naturen) grundämnen med ett atomnummer högre än det för uran (transuranelement) utfördes initialt med användning av multipel infångning av neutroner av urankärnor under förhållanden med ett intensivt neutronflöde i kärnreaktorer och ännu mer intensivt - under förhållanden av en nukleär (termonukleär) explosion. Den efterföljande kedjan av beta-sönderfall av neutronrika kärnor leder till en ökning av atomnumret och uppkomsten av dotterkärnor med atomnummer Z > 92 . Således upptäcktes neptunium ( Z = 93 ), plutonium (94), americium (95), berkelium (97), einsteinium (99) och fermium (100). Curium (96) och californium (98) kan också syntetiseras (och praktiskt taget erhållas) på detta sätt, men de upptäcktes ursprungligen genom att bestråla plutonium och curium med alfapartiklar i en accelerator. Tyngre grundämnen, som börjar med mendelevium (101), erhålls endast vid acceleratorer, genom att bestråla aktinidmål med lätta joner.
Rätten att föreslå ett namn på ett nytt kemiskt grundämne ges till upptäckarna. Detta namn måste dock uppfylla vissa regler. Budskapet om en ny upptäckt kontrolleras i flera år av oberoende laboratorier, och, om det bekräftas, godkänner International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC ) officiellt namnet på det nya grundämnet.
Alla 118 element som är kända i december 2016 har permanenta namn godkända av IUPAC. Från tidpunkten för upptäcktsansökan till godkännandet av IUPAC-namnet visas elementet under ett tillfälligt systematiskt namn , härlett från latinska siffror som bildar siffror i grundämnets atomnummer, och indikeras av en tillfällig symbol med tre bokstäver bildad från de första bokstäverna i dessa siffror. Till exempel hade det 118:e elementet, oganesson, innan det officiella godkännandet av det permanenta namnet, det tillfälliga namnet ununoctium och symbolen Uuo.
Oupptäckta eller ej godkända element namnges ofta med det system som redan används av Mendeleev - med namnet på den högre homologen i det periodiska systemet, med tillägg av prefixen "eka-" eller (sällan) "dvi-", vilket betyder sanskritsiffrorna "en" och "två" (beroende på om homologen är 1 eller 2 perioder högre). Till exempel, före upptäckten kallades germanium (som står under kisel i det periodiska systemet och förutspått av Mendeleev ) eka-kisel, oganeson (ununoctium, 118) kallades också ekaradon , och flerovium (ununquadium, 114) kallades eka- bly .
Efter kemiska egenskaper:
Enligt konfigurationen av elektronorbitaler i det yttre skalet av atomer:
Symboler för kemiska grundämnen används som förkortningar för namn på grundämnen. Som symbol tar man vanligtvis initialbokstaven i elementets namn och lägger vid behov till nästa eller en av följande. Vanligtvis är dessa initialbokstäverna i de latinska namnen på grundämnena: Cu - koppar ( cuprum ), Ag - silver ( argentum ), Fe - järn ( ferrum ), Au - gold ( aurum ), Hg - kvicksilver ( hydrargyrum ). Ett sådant system av kemiska symboler föreslogs 1814 av den svenske kemisten J. Berzelius . Tillfälliga symboler för element, som används innan det officiella godkännandet av deras permanenta namn och symboler, består av tre bokstäver, vilket betyder de latinska namnen på tre siffror i decimalbeteckningen för deras atomnummer (till exempel ununoctium - det 118:e elementet - hade ett tillfälligt beteckning Uuo). Notationssystemet för högre homologer som beskrivs ovan (Eka-Rn, Eka-Pb, etc.) används också.
Mindre siffror bredvid elementets symbol anges: överst till vänster - atommassan, längst ner till vänster - serienumret, uppe till höger - jonladdningen, längst ner till höger - antalet atomer i molekylen [15] :
atomisk massa | jonladdning | |
Element symbol | ||
---|---|---|
serienummer | antal atomer i en molekyl |
Exempel:
I det periodiska systemet innehåller ett kort för ett kemiskt element vanligtvis följande egenskaper:
Av de kemiska grundämnena är syre och kisel de vanligaste i jordskorpan . Dessa grundämnen utgör tillsammans med grundämnena aluminium , järn , kalcium , natrium , kalium , magnesium , väte och titan över 99 % av massan av jordskalet, så att de återstående grundämnena står för mindre än 1 %. I havsvatten, förutom syre och väte - komponenterna i själva vattnet, har element som klor , natrium , magnesium , svavel , kalium , brom och kol en hög halt . Massinnehållet av ett grundämne i jordskorpan kallas grundämnets clarkenummer eller clarke.
Innehållet av grundämnen i jordskorpan skiljer sig från innehållet av grundämnen i jorden som helhet, eftersom den kemiska sammansättningen av jordskorpan, manteln och kärnan av jorden är olika. Kärnan består alltså huvudsakligen av järn och nickel. I sin tur skiljer sig även överflöden av element i solsystemet och i universum som helhet från dem på jorden. Väte är det vanligaste grundämnet i universum , följt av helium . Studiet av de relativa förekomsterna av kemiska element och deras isotoper i rymden är en viktig informationskälla om nukleosyntesprocesserna och utvecklingen av solsystemet och himlakropparna.
De flesta av de kemiska grundämnena (94 av de kända 118) hittades i naturen (i jordskorpan ), även om några av dem först erhölls på konstgjord väg (nämligen: teknetium Tc (nummer 43), prometium Pm (61), astatin At ( 85), såväl som transuran neptunium Np (93) och plutonium Pu (94); efter deras konstgjorda skapelse hittades dessa fem grundämnen också i försvinnande små mängder i naturen; de uppstår som mellanliggande kärnor under det radioaktiva sönderfallet av uran och torium , såväl som under infångning av uran neutroner och efterföljande beta-sönderfall ). I jordskorpan finns alltså (i mycket olika koncentrationer) alla de första 94 grundämnena i det periodiska systemet.
Bland dessa 94 kemiska grundämnen som finns i jordskorpan, är majoriteten (83) primära eller primordiala ; de härstammar från nukleosyntes i galaxen före bildandet av solsystemet , och dessa element har isotoper som antingen är stabila eller tillräckligt långlivade för att inte förfalla under de 4,567 miljarder år som har förflutit sedan dess. De återstående 11 naturliga grundämnena ( teknetium , prometium , polonium , astatin , radon , francium , radium , actinium , protactinium , neptunium och plutonium ) är radiogena - de har inte så långlivade isotoper, så alla naturliga atomer i dessa grundämnen existerar i jordskorpan uppstod under radioaktivt sönderfall av andra grundämnen [29] [30] .
Alla grundämnen som följer efter plutonium Pu (serienummer 94) i D. I. Mendeleevs periodiska system är helt frånvarande i jordskorpan [31] , även om några av dem kan bildas i rymden under supernovaexplosioner . Halveringstiderna för alla kända isotoper av dessa grundämnen är små jämfört med jordens livstid . Långvariga sökningar efter hypotetiska naturliga supertunga element har ännu inte gett resultat.
De flesta av de kemiska grundämnena, förutom några av de lättaste, uppstod i universum huvudsakligen under stjärnnukleosyntesen (grundämnen upp till järn - som ett resultat av termonukleär fusion, tyngre grundämnen - under successiv infångning av neutroner av atomkärnor och efterföljande beta-sönderfall , såväl som i ett antal andra kärnreaktioner). De lättaste grundämnena (väte och helium - nästan helt, litium , beryllium och bor - delvis) bildades under de första tre minuterna efter Big Bang ( primär nukleosyntes ).
En av huvudkällorna till särskilt tunga grundämnen i universum bör enligt beräkningar vara sammanslagningar av neutronstjärnor , med frisättning av betydande mängder av dessa grundämnen, som därefter deltar i bildandet av nya stjärnor och deras planeter [32] .
Kemiska ämnen kan bestå av både ett kemiskt element ( enkelt ämne ) och av olika ( komplext ämne eller kemisk förening ).
Kemiska grundämnen bildar cirka 500 enkla ämnen [33] . Förmågan hos ett grundämne att existera i form av olika enkla ämnen som skiljer sig åt i egenskaper kallas allotropi [33] . I de flesta fall sammanfaller namnen på enkla ämnen med namnet på motsvarande grundämnen (till exempel zink, aluminium, klor), men i fallet med förekomsten av flera allotropa modifieringar, namnen på ett enkelt ämne och ett grundämne kan skilja sig åt, till exempel syre (dioxygen, O 2 ) och ozon (trioxygen, O 3 ); diamant , grafit och ett antal andra allotropa modifieringar av kol existerar tillsammans med amorfa former av kol.
Under normala förhållanden existerar 11 grundämnen i form av enkla gasformiga ämnen ( H , He , N , O , F , Ne , Cl , Ar , Kr , Xe , Rn ), 2- vätskor ( Br och Hg ), de återstående grundämnena bilda fasta ämnen .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodiskt system av kemiska element av D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|