Chemische elementen

Structuur van de materie

Onze aarde, natuur, alle levende wezens, objecten, de continenten, bergen, oceanen en wijzelf zijn gemaakt van chemische elementen die op verschillende manieren met elkaar verbonden zijn. Het leven is ontstaan ​​door de verbinding van elementen. Chemische elementen zijn atomen met hetzelfde aantal protonen in de kern. Het nummer wordt het atoomnummer genoemd (in het Engels atoomnummer). Bijvoorbeeld, carbon heeft atoomnummer 6 en heeft bijgevolg 6 protonen in zijn kern. Het eenvoudigste element is waterstof (H) met één proton en één elektron (atoomnummer 1, zonder neutronen). Pure stoffen worden ook wel elementen genoemd, bijvoorbeeld puur zuurstof. Ze kunnen niet verder worden onderverdeeld door eenvoudige chemische en fysische methoden. Elementen kunnen vast, gasvormig of zelden vloeibaar zijn (aggregatietoestanden). Meer dan 94 elementen komen van nature voor en er zijn er nog veel meer kunstmatig geproduceerd.

Samenstelling van de elementen

De afzonderlijke chemische elementen zijn samengesteld uit positief geladen protonen, neutrale neutronen en negatief geladen elektronen. De kern van het atoom bestaat uit protonen en neutronen die gezamenlijk nucleonen worden genoemd, en de elektronen bevinden zich in de atoomschil (elektronenschil).

  • Nucleonen = protonen + neutronen.

Het aantal protonen en elektronen is gelijk aan elkaar in ongeladen atomen. Omdat de beschuldigingen evenwicht, de elementen zijn elektrisch neutraal naar buiten toe. Als ze echter een elektron opgeven, zijn ze positief geladen (kationen). Als ze er een accepteren, zijn ze negatief geladen (anionen). Opgeladen atomen worden ionen genoemd. Samen vormen ze zouten. Atomen worden - ook in deze tekst - vaak weergegeven met het verouderde Bohr-atoommodel, waarin de elektronen in gedefinieerde banen rond de atoomkern draaien, dat wil zeggen zoals de planeten om de zon draaien. Tegenwoordig wordt het kwantummechanische orbitale model meestal gebruikt om elektronen weer te geven, waarbij de elektronen een duidelijke kans hebben op verblijf in de ruimte rond de kern.

Isotopen

Isotopen zijn atomen die alleen verschillen in het aantal neutronen en dus in massa. Dit is met hetzelfde aantal protonen. Deuterium (2H) is een isotoop van waterstof (1H) met één neutron. Omdat de massa groter is, wordt deuterium (D) zwaar genoemd waterstof en deuteriumoxide wordt zwaar genoemd water (D2O). Tot de bekendste isotopen behoren uraniumisotopen, waarvan de kernen splijtbaar zijn en worden gebruikt in kerncentrales en om kernwapens en voortstuwingssystemen te maken.

Herkomst van de elementen

De eenvoudigste elementen, waterstof (= 1) en helium (= 2), werden 13.8 miljard jaar geleden gevormd tijdens de oerknal, kort na de vorming van ons heelal. Waterstof blijft het meest voorkomende element in het uitgestrekte universum van vandaag, gevolgd door helium. De meeste van de overige elementen werden gevormd in sterren door kernfusie of in een supernova, in stervende sterren. Een paar zijn gevormd door de invloed van kosmische straling (lithium, beryllium, boor). Ten slotte bestaan ​​er elementen met een hoog atoomnummer, die kunstmatig door mensen zijn geproduceerd.

Voorbeelden

De volgende lijst toont een selectie van elementen. Het (elementsymbool) wordt tussen haakjes weergegeven, bijvoorbeeld C (carbon, van lat. , steenkool) voor carbon. De afkorting heeft een of twee letters.

  • Waterstof (H) is een bestanddeel van water, samen met zuurstof.
  • Koolstof (C) is de basisbouwsteen voor al het leven op aarde.
  • Stikstof (N) is de belangrijkste component van lucht.
  • Zuurstof (O) is essentieel voor de energieproductie in het lichaam.
  • Natrium (Na) zit in keukenzout.
  • Magnesium (Mg) komt voor in chlorofyl (bladgroen).
  • Aluminium (Al) zit in aluminiumfolie en carrosserieën.
  • Silicium (Si) komt voor in bijna alle mineralen en gesteenten van de aarde.
  • Fosfor (P) wordt gebruikt voor de productie van lucifers.
  • Zwavel (S) wordt vrijgegeven door vulkanen.
  • Kalium (K) speelt een centrale rol in de functie van de zenuwen.
  • Calcium (Ca) zit in botten.
  • Strijkijzer (Fe) is het meest voorkomende element op planeet Aarde.
  • kwik (Hg) is, in tegenstelling tot andere metalen, aanwezig als vloeistof.
  • Nikkel (Ni) wordt gebruikt voor metaallegeringen.
  • Zilver (Ag) en goud (Au) zijn inbegrepen in de sieraden.

Massa en grootte

Bijna alle massa van een atoom is in de kern. De volume, aan de andere kant, wordt bepaald door de elektronenschil, omdat de kern erg klein is. De massa van atomen wordt gegeven door het symbool u of Da (dalton). u staat voor. Het komt overeen met de massa van protonen, neutronen en elektronen. 1 u wordt gegeven als een twaalfde van de massa koolstof-12 (12C) en is 1.660 - 10-24 g. De massa van een proton en een neutron is ongeveer 1 u, wat één massa-eenheid is. Omdat koolstof-12 6 protonen en 6 neutronen bevat en de elektronen een zeer kleine massa hebben (1/1836 van een proton), is de atoommassa ongeveer 12 u (12.011 u). Dit nummer wordt het massagetal genoemd. Massagetal = aantal protonen + aantal neutronen De moleculaire massa van chemische verbindingen kan worden verkregen door de atoommassa's van de atomen waaruit ze zijn samengesteld op te tellen. Atomen zijn onvoorstelbaar klein - hun diameter ligt in het bereik van 10-10 m (1 Angstrom, 0.1 nm).

Chemische bestanddelen

Chemische elementen combineren heel gemakkelijk met dezelfde of andere elementen - puur of ongebonden komen zelden voor. Alleen de elektronen in de atoomschil zijn verantwoordelijk voor de chemische bindingen, de atoomkernen zijn er niet bij betrokken. De belangrijkste chemische verbindingen zijn:

  • Organic moleculen met covalente banden.
  • Zouten met ionische bindingen
  • Metalen met de metaalbinding

Het bijzondere van chemische verbindingen is dat hun eigenschappen volledig verschillen van die van de elementen waaruit ze zijn samengesteld. Bijvoorbeeld, natriumchloride is samengesteld uit geïoniseerd natrium en chloor atomen. Natrium als een element is een zachte, zilver-grijs metaal dat zeer reactief is, en chloor bestaat (bij kamertemperatuur) als een giftig gas. Samen vormen ze het kristallijne tafelzout dat we dagelijks consumeren als smaakversterker in voeding. Hetzelfde kan worden geïllustreerd door het voorbeeld van water, die wordt gevormd uit de gassen waterstof en zuurstof in de knalgasreactie.

Periodiek systeem

Het periodiek systeem der elementen is een beschrijvend en praktisch overzicht van alle elementen, voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1860. Het begint met waterstof (1) en is gerangschikt in volgorde van toenemend atoomnummer. Door ze in horizontale perioden en verticale groepen te presenteren, worden gerelateerde elementen met vergelijkbare chemische en fysische eigenschappen gegroepeerd. Deze omvatten:

  • Alkalimetalen
  • Aardalkalimetalen
  • Overgangsmetalen
  • Lanthaniden
  • Actinoïden
  • Metalen
  • Halfmetalen
  • Niet-metalen
  • Halogenen
  • Edele gassen

Link (Engelse versie): IUPAC periodiek systeem met pdf-download.

Ondeelbaarheid van de elementen

Elementen kunnen worden verkregen uit mengsels die zijn onderworpen aan verschillende chemische en fysische scheidingsprocessen, zoals verbranding, elektrische stroom of zuuradditie. Uiteindelijk laten de gemeenschappelijke processen de pure elementen achter zich. De term atoom is afgeleid van het Grieks, wat ondeelbaar betekent. In feite zijn de elementen niet verder deelbaar door de gebruikelijke chemische methoden. Met de ontdekking van radioactiviteit en radioactief verval is echter aangetoond dat de term onnauwkeurig is en dat zogenaamde kernsplijting tot elementen met een lager atoomnummer mogelijk is. Omgekeerd kan kernfusie elementen produceren met een hoger atoomnummer. De zon vormt bijvoorbeeld helium uit waterstof in zijn kern, dat de energie en warmte vrijgeeft die de basis vormen van al het leven op aarde.

Structuur van de mens

Zoals in het begin vermeld, bestaan ​​ook wij mensen uit de bekende elementen. De belangrijkste vertegenwoordigers zijn zuurstof (O), koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), calcium (Ca) en fosfor (P). Deze 6 elementen vormen samen meer dan 99% van de lichaamsmassa! Andere mineralen zoals kalium, magnesium en natrium, bijvoorbeeld, evenals talrijke sporenelementen zoals chroom, ijzer, fluor, selenium or koper zitten in een veel kleinere hoeveelheid, maar hebben vitale functies.

Oorsprong van het leven op aarde

De elementen op aarde zijn, zoals reeds vermeld, enerzijds afkomstig van de oerknal, die ongeveer 13.8 miljard jaar geleden plaatsvond en waarmee het heelal, de ruimte en de tijd werden gecreëerd. Hogere elementen werden voornamelijk gevormd in actieve en stervende sterren (supernovae). De aarde heeft een leeftijd van ongeveer 4.5 miljard jaar. Het leven op aarde is spontaan ontstaan ​​uit de levenloze natuur, misschien 4 miljard jaar geleden, door de combinatie van elementen tot organische chemische verbindingen. Deze reacties hebben voornamelijk plaatsgevonden in water, omdat chemische reacties onvoldoende plaatsvinden in vaste stoffen of gassen. Studies zoals het Miller-Urey-experiment uit de jaren vijftig hebben aangetoond dat biomoleculen zoals aminozuren or nucleïnezuren kan ontstaan ​​uit eenvoudigere verbindingen in de natuur. Centraal in de overgang van de levenloze naar de levende aarde was de vorming van prolifererend polymeer moleculen van monomeren. Deze bevatten de informatie voor de volgorde in hun structuur. Aangenomen wordt dat dit het eerste ribonucleïnezuur (RNA) was, dat zijn eigen replicatie katalyseerde. Een keer moleculen zichzelf gerepliceerd, kwam de evolutie op gang, wat leidde tot toenemende complexiteit, eencellige en meercellige organismen, planten, schimmels, dieren en na een onvoorstelbaar lange tijd, wij mensen.