Kemisk grundstof - et sæt atomer [K 1] [K 2] med samme ladning af atomkerner . Atomkernen består af protoner , hvis antal er lig med grundstoffets atomnummer , og neutroner , hvis antal kan være forskelligt. Hvert kemisk grundstof har sit eget latinske navn og kemiske symbol, bestående af et eller et par latinske bogstaver, reguleret af IUPAC og er især angivet i tabellen i Mendeleevs periodiske system [8] .
Formen for eksistensen af kemiske grundstoffer i fri form er simple stoffer (enkelt-element) [9] . Det er nødvendigt at skelne mellem kemiske elementer - virtuelle [10] abstrakte objekter skabt ved logisk generalisering af empiriske data og beskrevet gennem deres specifikke karakteristika, og tilsvarende materielle objekter - simple stoffer med visse fysiske og kemiske egenskaber [1] [2] [3 ] [4] .
Fra 2016 er 118 [11] kemiske grundstoffer kendt. 94 af dem findes i naturen (nogle kun i spormængder), og de resterende 24 er kunstigt syntetiseret.
Ordet "element" ( lat. elementum ) blev brugt i antikken ( af Cicero , Ovid , Horace ) som en del af noget (et element af tale, et element af uddannelse osv.). I oldtiden var ordsproget udbredt: "Som ord er opbygget af bogstaver, så er kroppe opbygget af elementer." Deraf dette ords sandsynlige oprindelse: ved navnet på en række konsonantbogstaver i det latinske alfabet: l, m, n, t ("el" - "em" - "en" - "tum") [12] .
Begrebet et kemisk grundstof, tæt på moderne forståelse, blev afspejlet i det nye system af kemisk filosofi, som Robert Boyle opstillede i bogen The Skeptic Chemist (1661). Boyle påpegede, at hverken Aristoteles' fire elementer eller alkymisternes tre principper kunne genkendes som elementer. Elementer er ifølge Boyle praktisk talt uopløselige kroppe (stoffer), der består af lignende homogene (bestående af primært stof) kroppe , hvorfra alle komplekse kroppe er sammensat, og i hvilke de kan nedbrydes. Korpuskler kan variere i form, størrelse, vægt. De blodlegemer, hvorfra kroppene er dannet, forbliver uændrede under transformationerne af sidstnævnte [13] .
I 1789 giver Antoine Laurent Lavoisier i sit "Kemiens grundforløb" den første liste over kemiske grundstoffer i den nye kemis historie (en tabel over simple legemer), opdelt i flere typer. For første gang identificerer han en række simple stoffer med kemiske grundstoffer (inklusive oxygen , nitrogen , brint , svovl , fosfor , kul og alle de metaller, som dengang kendte). Elementerne omfattede lette , kalorieholdige og " saltdannende jordagtige stoffer " (svært nedbrydelige oxider af calcium , magnesium osv.). Dette elementbegreb kaldes normalt empirisk -analytisk, eftersom Lavoisier valgte erfaring og kun erfaring som kriteriet for at bestemme grundstoffet, og kategorisk afviser enhver ikke-empirisk ræsonnement om atomer og molekyler , hvis eksistens ikke kan bekræftes eksperimentelt [14] .
Takket være John Dalton i begyndelsen af det XIX århundrede. i kemi sejrede den atom-molekylære hypotese , idet man betragtede det kemiske element som en separat type atomer og angiver arten af simple og komplekse stoffer, som henholdsvis består af atomer af samme eller forskellige typer. Dalton peger for første gang på atomvægt som grundstoffernes vigtigste egenskab, som bestemmer dets kemiske natur. Takket være indsatsen fra Jöns Berzelius og hans tilhængere blev atomvægtene (atommasserne) af de kendte grundstoffer meget nøjagtigt bestemt. Midten af det 19. århundrede var præget af en række opdagelser af nye grundstoffer. På den internationale kemikerkongres i Karlsruhe i 1860 blev definitioner af begreberne et molekyle og et atom vedtaget.
På tidspunktet for opdagelsen af den periodiske lov af D. I. Mendeleev (1869), var 63 grundstoffer kendt. Det var atomvægt, han udpegede som en egenskab ved atomer, som bestemmer den periodiske karakter af ændringen i egenskaberne af kemiske elementer såvel som de simple og komplekse stoffer, de danner. Mendeleev definerede kemiske elementer som "de materielle dele af simple eller komplekse legemer, der giver dem et bestemt sæt fysiske og kemiske egenskaber." Mendeleevs opdagelse gjorde det muligt at forudse eksistensen, såvel som egenskaberne af en række elementer, der var ukendte på det tidspunkt, og tjente som et videnskabeligt grundlag for deres klassificering .
Mendeleev blev imidlertid tvunget til at foretage flere permutationer i sekvensen af grundstoffer, fordelt ved stigende atomvægt, for at opretholde periodiciteten af kemiske egenskaber og også for at indføre tomme celler svarende til uopdagede grundstoffer. Senere (i de første årtier af det 20. århundrede) blev det klart, at periodiciteten af kemiske egenskaber afhænger af atomnummeret (ladning af atomkernen) og ikke af grundstoffets atommasse. Sidstnævnte bestemmes af antallet af stabile isotoper af elementet og deres naturlige overflod. Men de stabile isotoper af et grundstof har atommasser grupperet omkring en bestemt værdi, da isotoper med et overskud eller en mangel på neutroner i kernen er ustabile, og med en stigning i antallet af protoner (det vil sige atomnummeret), antallet af neutroner, der tilsammen danner en stabil kerne, stiger også. Derfor kan den periodiske lov også formuleres som en afhængighed af kemiske egenskaber af atommasse, selvom denne afhængighed overtrædes i flere tilfælde.
Med opdagelsen af isotoper blev det klart, at selv forskellige samlinger af atomer af det samme grundstof kan have forskellige atommasser; På grund af overvægten af 4 He - isotopen har radiogent helium isoleret fra uranmineraler således en atommasse, der er større end kosmisk stråleheliums (hvor den lette 3He -isotop også er til stede ).
Den moderne forståelse af et kemisk grundstof som en samling af atomer karakteriseret ved den samme positive kerneladning , svarende til grundstoftallet i det periodiske system, dukkede op på grund af det grundlæggende arbejde af Henry Moseley (1915) og James Chadwick (1920) [15 ] [K 3] .
Fra december 2016 kendes 118 kemiske grundstoffer (med serienumre fra 1 til 118), hvoraf 94 findes i naturen (nogle er kun i spormængder), de resterende 24 opnås kunstigt som følge af kernereaktioner . Der gøres forsøg på at syntetisere følgende supertunge transuranelementer , herunder påstande om syntesen af grundstoffet unbiquadium (124) og indirekte beviser for grundstofferne unbinylium (120) og unbihexium (126), som endnu ikke er blevet bekræftet. Opdagelsen af grundstoffet ecatorium-unbibium (122) i prøver af naturligt thorium [27] blev også annonceret, men denne påstand blev ikke efterfølgende bekræftet baseret på efterfølgende forsøg på at reproducere dataene ved hjælp af mere nøjagtige metoder. Derudover er der rapporter om opdagelsen i meteoritstof af spor af kollisioner med partikler med atomnumre fra 105 til 130, hvilket kan være indirekte bevis på eksistensen af stabile supertunge kerner [28] . Søgningen efter supertunge transuranelementer i naturen, mulig ifølge teorien om stabilitetsøen , er endnu ikke blevet kronet med pålidelig succes, og syntesen af nye transuranelementer fortsætter i russiske, amerikanske, tyske og japanske centre for nuklear forskning af internationale hold af videnskabsmænd. Oplysninger om kemiske grundstoffer, der endnu ikke er opdaget, er tilgængelig i artiklen Udvidet periodisk system af grundstofferne .
Syntesen af nye (ikke fundet i naturen) grundstoffer med et atomnummer, der er højere end det for uran (transuran-elementer) blev oprindeligt udført ved hjælp af multipel opfangning af neutroner af uraniumkerner under betingelser med en intens neutronflux i atomreaktorer og endnu mere intens - under betingelser for en nuklear (termonuklear) eksplosion. Den efterfølgende kæde af beta-henfald af neutronrige kerner fører til en stigning i atomnummeret og fremkomsten af datterkerner med atomnummer Z > 92 . Således blev neptunium ( Z = 93 ), plutonium (94), americium (95), berkelium (97), einsteinium (99) og fermium (100) opdaget. Curium (96) og californium (98) kan også syntetiseres (og praktisk taget opnås) på denne måde, men de blev oprindeligt opdaget ved at bestråle plutonium og curium med alfapartikler i en accelerator. Tungere grundstoffer, begyndende med mendelevium (101), opnås kun ved acceleratorer ved at bestråle actinid-mål med lette ioner.
Retten til at foreslå et navn til et nyt kemisk grundstof gives til opdagerne. Dette navn skal dog opfylde visse regler. Beskeden om en ny opdagelse kontrolleres i flere år af uafhængige laboratorier, og hvis bekræftet, godkender International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC ) officielt navnet på det nye grundstof.
Alle 118 elementer kendt fra december 2016 har permanente navne godkendt af IUPAC. Fra tidspunktet for opdagelsesansøgningen til godkendelsen af IUPAC-navnet optræder grundstoffet under et midlertidigt systematisk navn , afledt af latinske tal, der danner cifre i grundstoffets atomnummer, og er angivet med et tre-bogstavs midlertidigt symbol dannet fra de første bogstaver i disse tal. For eksempel havde det 118. element, oganesson, før den officielle godkendelse af det permanente navn, det midlertidige navn ununoctium og symbolet Uuo.
Uopdagede eller ikke-godkendte elementer navngives ofte ved hjælp af det system, der allerede er brugt af Mendeleev - med navnet på den højere homolog i det periodiske system, med tilføjelse af præfikserne "eka-" eller (sjældent) "dvi-", hvilket betyder sanskrittallene "en" og "to" (afhængig af om homologen er 1 eller 2 perioder højere). For eksempel, før opdagelsen blev germanium (som står under silicium i det periodiske system og forudsagt af Mendeleev ) kaldt eka-silicium, oganeson (ununoctium, 118) blev også kaldt ecaradon , og flerovium (ununquadium, 114) blev kaldt eka- lead .
Efter kemiske egenskaber:
Ifølge konfigurationen af elektronorbitaler i den ydre skal af atomer:
Symboler for kemiske grundstoffer bruges som forkortelser for navnene på grundstoffer. Som symbol tager man normalt begyndelsesbogstavet i elementets navn og tilføjer om nødvendigt det næste eller et af følgende. Normalt er disse begyndelsesbogstaver i de latinske navne på grundstofferne: Cu - kobber ( cuprum ), Ag - sølv ( argentum ), Fe - jern ( ferrum ), Au - guld ( aurum ), Hg - kviksølv ( hydrargyrum ). Et sådant system af kemiske symboler blev foreslået i 1814 af den svenske kemiker J. Berzelius . Midlertidige symboler på grundstoffer, brugt før den officielle godkendelse af deres permanente navne og symboler, består af tre bogstaver, hvilket betyder de latinske navne på tre cifre i decimalnotationen af deres atomnummer (f.eks. havde ununoctium - det 118. grundstof - et midlertidigt betegnelse Uuo). Notationssystemet for højere homologer beskrevet ovenfor (Eka-Rn, Eka-Pb, etc.) bruges også.
Mindre tal ved siden af elementets symbol er angivet: øverst til venstre - atommassen, nederst til venstre - serienummeret, øverst til højre - ladningen af ionen, nederst til højre - antallet af atomer i molekylet [15] :
atommasse | ion ladning | |
Element symbol | ||
---|---|---|
serienummer | antal atomer i et molekyle |
Eksempler:
I det periodiske system indeholder et kort for et kemisk grundstof normalt følgende egenskaber:
Af de kemiske grundstoffer er ilt og silicium de mest almindelige i jordskorpen . Disse grundstoffer udgør sammen med grundstofferne aluminium , jern , calcium , natrium , kalium , magnesium , brint og titanium over 99 % af massen af jordskallen, så de resterende grundstoffer udgør mindre end 1 %. I havvand, ud over ilt og brint - selve vandets komponenter, har elementer som klor , natrium , magnesium , svovl , kalium , brom og kulstof et højt indhold . Masseindholdet af et grundstof i jordskorpen kaldes grundstoffets clarkenummer eller clarke.
Indholdet af grundstoffer i jordskorpen adskiller sig fra indholdet af grundstoffer i jorden taget som helhed, da den kemiske sammensætning af jordskorpen, kappen og jordens kerne er forskellige. Kernen består således hovedsageligt af jern og nikkel. Til gengæld adskiller mængderne af grundstoffer i solsystemet og i universet som helhed sig også fra dem på jorden. Brint er det mest udbredte grundstof i universet , efterfulgt af helium . Studiet af den relative overflod af kemiske elementer og deres isotoper i rummet er en vigtig kilde til information om nukleosynteseprocesserne og udviklingen af solsystemet og himmellegemerne.
De fleste af de kemiske grundstoffer (94 af de kendte 118) blev fundet i naturen (i jordskorpen ), selvom nogle af dem først blev opnået kunstigt (nemlig: technetium Tc (nummer 43), promethium Pm (61), astatin At ( 85), såvel som transuran neptunium Np (93) og plutonium Pu (94); efter deres kunstige skabelse blev disse fem grundstoffer også fundet i forsvindende små mængder i naturen; de opstår som mellemliggende kerner under det radioaktive henfald af uran og thorium , samt under indfangning af uran neutroner og efterfølgende beta-henfald ). I jordskorpen er der således (i meget forskellige koncentrationer) alle de første 94 grundstoffer i det periodiske system.
Blandt disse 94 kemiske grundstoffer, der findes i jordskorpen, er størstedelen (83) primære eller primordiale ; de stammer fra nukleosyntese i galaksen forud for dannelsen af solsystemet , og disse grundstoffer har isotoper, der enten er stabile eller langlivede nok til ikke at henfalde i de 4,567 milliarder år, der er gået siden da. De resterende 11 naturlige grundstoffer ( technetium , promethium , polonium , astatin , radon , francium , radium , actinium , protactinium , neptunium og plutonium ) er radiogene - de har ikke så langlivede isotoper, så alle de naturlige atomer i disse grundstoffer eksisterer i jordskorpen opstod under radioaktivt henfald af andre grundstoffer [29] [30] .
Alle grundstoffer, der følger efter plutonium Pu (løbenummer 94) i D. I. Mendeleevs periodiske system er fuldstændig fraværende i jordskorpen [31] , selvom nogle af dem kan dannes i rummet under supernovaeksplosioner . Halveringstiden for alle kendte isotoper af disse grundstoffer er små sammenlignet med Jordens levetid . Langsigtede søgninger efter hypotetiske naturlige supertunge elementer har endnu ikke givet resultater.
De fleste af de kemiske grundstoffer, bortset fra nogle få af de letteste, opstod i universet hovedsageligt i løbet af stjernernes nukleosyntese (grundstoffer op til jern - som et resultat af termonuklear fusion, tungere grundstoffer - under successiv indfangning af neutroner af atomkerner og efterfølgende beta-henfald såvel som i en række andre nukleare reaktioner). De letteste grundstoffer (brint og helium - næsten fuldstændigt, lithium , beryllium og bor - delvist) blev dannet i de første tre minutter efter Big Bang ( primær nukleosyntese ).
En af hovedkilderne til særligt tunge grundstoffer i Universet skulle ifølge beregninger være sammensmeltninger af neutronstjerner , med frigivelse af betydelige mængder af disse grundstoffer, som efterfølgende deltager i dannelsen af nye stjerner og deres planeter [32] .
Kemiske stoffer kan både bestå af ét kemisk element ( simpelt stof ) og af forskellige ( komplekst stof eller kemisk forbindelse ).
Kemiske grundstoffer danner omkring 500 simple stoffer [33] . Et grundstofs evne til at eksistere i form af forskellige simple stoffer, der adskiller sig i egenskaber, kaldes allotropi [33] . I de fleste tilfælde falder navnene på simple stoffer sammen med navnet på de tilsvarende grundstoffer (for eksempel zink, aluminium, klor), men i tilfælde af eksistensen af flere allotrope modifikationer, navnene på et simpelt stof og et grundstof kan afvige, for eksempel oxygen (dioxygen, O 2 ) og ozon (trioxygen, O 3 ); diamant , grafit og en række andre allotropiske modifikationer af kulstof findes sammen med amorfe former for kulstof.
Under normale forhold eksisterer 11 grundstoffer i form af gasformige simple stoffer ( H , He , N , O , F , Ne , Cl , Ar , Kr , Xe , Rn ), 2- væsker ( Br og Hg ), de resterende grundstoffer danner faste stoffer .
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodisk system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|