Chemické prvky

Struktura hmoty

Naše Země, příroda, vše živé, předměty, kontinenty, hory, oceány a my sami jsme vyrobeni z chemických prvků, které jsou spojeny různými způsoby. Život vznikl spojením prvků. Chemické prvky jsou atomy se stejným počtem protonů v jádře. Číslo se nazývá atomové číslo (v angličtině atomové číslo). Například, uhlík má atomové číslo 6 a má tedy v jádru 6 protonů. Nejjednodušší prvek je vodík (H) s jedním protonem a jedním elektronem (atomové číslo 1, bez neutronů). Čisté látky se také nazývají prvky, například čisté kyslík. Nelze je dále dělit jednoduchými chemickými a fyzikálními metodami. Prvky mohou být pevné, plynné nebo vzácněji kapalné (stavy agregace). Více než 94 prvků se vyskytuje přirozeně a mnoho dalších bylo vyrobeno uměle.

Složení prvků

Jednotlivé chemické prvky se skládají z kladně nabitých protonů, neutrálních neutronů a záporně nabitých elektronů. Jádro atomu se skládá z protonů a neutronů, které se souhrnně nazývají nukleony, a elektrony se nacházejí v atomovém obalu (elektronový obal).

  • Nukleony = protony + neutrony.

Počet protonů a elektronů se v nenabitých atomech shoduje. Protože poplatky vyvážit, prvky jsou směrem ven elektricky neutrální. Pokud se však vzdají elektronu, jsou kladně nabité (kationty). Pokud jeden přijmou, jsou záporně účtovány (anionty). Nabité atomy se nazývají ionty. Společně tvoří soli. Atomy jsou často zastoupeny - i v tomto textu - zastaralým Bohrovým atomovým modelem, ve kterém elektrony obíhají kolem atomového jádra na definovaných drahách, tj. Jako planety obíhající kolem Slunce. Dnes se kvantově mechanický orbitální model obvykle používá k reprezentaci elektronů, ve kterých mají elektrony definitivní pravděpodobnost pobytu v prostoru kolem jádra.

Izotopy

Izotopy jsou atomy, které se liší pouze počtem neutronů, a tedy i hmota. To je se stejným počtem protonů. Například deuterium (2H) je izotop vodík (1H) s jedním neutronem. Protože hmota je větší, deuterium (D) se nazývá těžké vodík a oxid deuteria se nazývá těžký voda (D2Ó). Mezi nejznámější izotopy patří izotopy uranu, jejichž jádra jsou štěpná a používají se v jaderných elektrárnách a k výrobě jaderných zbraní a pohonných systémů.

Původ prvků

Nejjednodušší prvky, vodík (= 1) a helium (= 2), byly vytvořeny před 13.8 miliardami let během velkého třesku krátce po vzniku našeho vesmíru. Vodík zůstává nejhojnějším prvkem v dnešním obrovském vesmíru, následovaný heliem. Většina zbývajících prvků byla vytvořena buď ve hvězdách jadernou fúzí, nebo v supernově, v umírajících hvězdách. Několik jich bylo vytvořeno vlivem kosmického záření (lithium, berylium, bór). Konečně existují prvky s vysokým atomovým číslem, které byly vyrobeny uměle člověkem.

Příklady

Následující seznam ukazuje výběr prvků. (Symbol prvku) je uveden v závorkách, například C (uhlík, z lat. , uhlí) pro uhlík. Zkratka má jedno nebo dvě písmena.

  • Vodík (H) je součástí voda, spolu s kyslík.
  • Uhlík (C) je základním stavebním kamenem pro veškerý život na Zemi.
  • generátory dusíku (N) je nejdůležitější složkou vzduchu.
  • Kyslík (O) je nezbytný pro výrobu energie v těle.
  • Sodík (Na) je obsažen v kuchyňské soli.
  • Magnézium (Mg) se nachází v chlorofylu (listově zelená).
  • Hliník (Al) se nachází v hliníkové fólii a karoseriích automobilů.
  • Křemík (Si) se nachází téměř ve všech minerálech a horninách Země.
  • Fosfor (P) se používá k výrobě zápalek.
  • Síra (S) je uvolňován sopkami.
  • Draslík (K) hraje ústřední roli ve funkci nervy.
  • Vápník (Ca) je obsažen v kosti.
  • Železo (Fe) je nejhojnějším prvkem na planetě Zemi.
  • rtuť (Hg) je na rozdíl od jiných kovů přítomen jako kapalina.
  • Nikl (Ni) se používá pro slitiny kovů.
  • Stříbro (Ag) a zlato (Au) jsou součástí šperků.

Hmotnost a velikost

Téměř všechny hmota atomu je v jádru. The objem, na druhé straně, je určen elektronovým obalem, protože jádro je velmi malé. Hmotnost atomů je dána symbolem u nebo Da (dalton). u znamená. Odpovídá hmotnosti protonů, neutronů a elektronů. 1 u se udává jako jedna dvanáctina hmotnosti uhlíku-12 (12C) a je 1.660 10 - XNUMX-24 G. Hmotnost protonu a neutronu je asi 1 u, což je jedna jednotka hmotnosti. Protože uhlík-12 obsahuje 6 protonů a 6 neutronů a elektrony mají velmi malou hmotnost (1/1836 protonu), jeho atomová hmotnost je asi 12 u (12.011 u). Toto číslo se nazývá hromadné číslo. Hmotnostní číslo = počet protonů + počet neutronů Molekulovou hmotnost chemických sloučenin lze získat sečtením atomových hmotností atomů, z nichž jsou složeny. Atomy jsou nepředstavitelně malé - jejich průměr je v rozmezí 10-10 m (1 angstrom, 0.1 nm).

Chemické sloučeniny

Chemické prvky se velmi snadno kombinují se stejnými nebo jinými prvky - čisté nebo nevázané se vyskytují zřídka. Pouze elektrony v atomovém obalu jsou zodpovědné za chemické vazby, atomová jádra nejsou zahrnuta. Nejdůležitější chemické sloučeniny jsou:

  • organický molekuly s kovalentními vazbami.
  • Soli s iontovými vazbami
  • Kovy s kovovým pojivem

Zvláštností chemických sloučenin je, že jejich vlastnosti jsou zcela odlišné od vlastností prvků, z nichž jsou složeny. Například, chlorid sodný je složen z ionizovaného sodíku a chlór atomy. Sodík jako prvek je měkký, stříbro-šedý kov, který je vysoce reaktivní, a chlór existuje (při pokojové teplotě) jako toxický plyn. Společně tvoří krystalickou kuchyňskou sůl, kterou každý den konzumujeme jako zvýrazňovač chuti v potravinách. Totéž lze ilustrovat na příkladu voda, který je tvořen z plynů vodík a kyslík při oxyhydrogenové reakci.

Periodická tabulka

Periodická tabulka prvků je popisný a praktický přehled všech prvků, který byl poprvé vyvinut v 1860. letech 1. století. Začíná to vodíkem (XNUMX) a je uspořádáno v pořadí zvyšujícího se atomového čísla. Jejich prezentací v horizontálních obdobích a vertikálních skupinách jsou seskupeny související prvky s podobnými chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Tyto zahrnují:

  • Alkalické kovy
  • Kovy alkalických zemin
  • Přechodové kovy
  • Lanthanidy
  • Aktinoidy
  • Kovy
  • Polokovy
  • Nekovy
  • Halogeny
  • vzácné plyny

Odkaz (anglická verze): Periodická tabulka IUPAC se stahováním PDF.

Nedělitelnost prvků

Prvky lze získat ze směsí podrobených různým chemickým a fyzikálním separačním procesům, jako je spalování, elektrický proud nebo přidání kyseliny. Společné procesy nakonec zanechají čisté prvky. Termín atom je odvozen z řečtiny, což znamená nedělitelný. Ve skutečnosti prvky nejsou dále dělitelné obvyklými chemickými metodami. S objevem radioaktivity a radioaktivního rozpadu se však ukázalo, že tento termín je nepřesný a že je možné takzvané jaderné štěpení na prvky s nižším atomovým číslem. Naopak, jaderná fúze může produkovat prvky s vyšším atomovým číslem. Například Slunce tvoří ve svém jádru z vodíku helium, které uvolňuje energii a teplo, které je základem všeho života na Zemi.

Struktura lidské bytosti

Jak jsme zmínili na začátku, my lidé se také skládáme ze známých prvků. Nejdůležitějšími zástupci jsou kyslík (O), uhlík (C), vodík (H), dusík (N), vápník (Ca) a fosfor (P). Těchto 6 prvků dohromady tvoří více než 99% tělesné hmotnosti! Další minerály jako např draslík, magnézium a sodíknapříklad i mnoho stopových prvků, jako je chrom, železo, fluor, selen or měď jsou obsaženy v mnohem menším množství, ale mají životně důležité funkce.

Původ života na Zemi

Prvky na Zemi pocházejí, jak již bylo zmíněno, na jedné straně z velkého třesku, ke kterému došlo před 13.8 miliardami let a s nímž byl vytvořen vesmír, prostor a čas. Vyšší prvky se formovaly hlavně v aktivních a umírajících hvězdy (supernovy). Země má stáří asi 4.5 miliardy let. Život na Zemi vznikl spontánně z neživé přírody asi před 4 miliardami let kombinací prvků do organických chemických sloučenin. Tyto reakce probíhaly převážně ve vodě, protože chemické reakce probíhají nedostatečně v pevných látkách nebo v plynech. Studie jako Miller-Ureyův experiment z padesátých let ukázaly, že biomolekuly jako např aminokyseliny or nukleové kyseliny se mohou v přírodě tvořit z jednodušších sloučenin. Ústředním bodem přechodu z neživé na živou Zemi byla tvorba množícího se polymeru molekuly z monomerů. Ty obsahují informace o sekvenci v jejich struktuře. Předpokládá se, že to byla první kyselina ribonukleová (RNA), která katalyzovala svou vlastní replikaci. Jednou molekuly samy se replikovaly, evoluce začala, což vedlo ke zvýšení složitosti jednobuněčných a mnohobuněčných organismů, rostlin, hub, zvířat a po nepředstavitelně dlouhé době i nás lidí.