Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Materia » Elemente chimice

Elemente chimice

postat în: Materia 0

Un element chimic este o specie de atomi care are același număr de protoni în nucleul lor atomic (adică același număr atomic sau Z). Sunt identificate 118 elemente, dintre care primele 94 apar natural pe Pământ, restul fiind elemente sintetice. Există 80 de elemente care au cel puțin un izotop stabil și 38 care au exclusiv radionuclizi, care se descompun în timp în alte elemente. Fierul este cel mai abundent element (ca masă) care formează Pământul, în timp ce oxigenul este cel mai frecvent element din crusta Pământului.

Elementele chimice constituie toată materia obișnuită a universului. Cu toate acestea, observațiile astronomice sugerează că materia observabilă obișnuită reprezintă doar aproximativ 15% din materia din univers: restul este materia întunecată; compoziția acestui lucru este necunoscută, dar nu este compusă din elemente chimice. Cele două elemente mai ușoare, hidrogen și heliu, au fost formate în cea mai mare parte în Big Bang și sunt cele mai comune elemente din univers. Următoarele trei elemente (litiu, beriliu și bor) au fost formate în mare parte prin spalarea cu raze cosmice (nucleosinteză) și, prin urmare, sunt mai rare decât elementele mai grele. Formarea elementelor de la 6 până la 26 de protoni a apărut și continuă să apară în stelele secvenței principale prin nucleosinteză stelară. Abundența mare de oxigen, siliciu și fier pe Pământ reflectă producția lor obișnuită în astfel de stele. Elementele cu mai mult de 26 de protoni se formează prin nucleosinteza în supernove, care, atunci când explodează, aruncă aceste elemente ca rămășițe de supernova departe în spațiu, unde pot ajunge încorporate în planete atunci când sunt formate.

Termenul „element” este utilizat pentru atomii cu un număr dat de protoni (indiferent dacă sunt sau nu ioni sau legați chimic, de exemplu, hidrogenul din apă), precum și pentru o substanță chimică pură care constă dintr-un singur element (de exemplu, hidrogen gazos). Pentru al doilea sens, au fost sugerați termenii „substanță elementară” și „substanță simplă”, dar nu s-au bucurat de multă acceptare în literatura chimică engleză, în timp ce în alte limbi echivalentul lor este utilizat pe scară largă. Un singur element poate forma mai multe substanțe care diferă în structura lor; ele sunt numite alotropi ai elementului.

Atunci când diferite elemente sunt combinate chimic, cu atomii deținuți împreună prin legături chimice, ele formează compuși chimici. Numai o mică parte a elementelor se găsește nemodificată ca minerale relativ pure. Printre elementele native mai frecvente se numără cuprul, argintul, aurul, carbonul (sub formă de cărbune, grafit sau diamante) și sulful. Toate, cu excepția câtorva dintre cele mai inerte elemente, cum ar fi gazele nobile și metalele nobile, se găsesc de obicei pe Pământ în formă combinată chimic, ca și compuși chimici. În timp ce aproximativ 32 de elemente chimice apar pe Pământ în forme necombinate native, cele mai multe dintre acestea apar ca amestecuri. De exemplu, aerul atmosferic este în primul rând un amestec de azot, oxigen și argon, iar elementele solide native apar în aliaje, cum ar fi cele de fier și nichel.

Istoria descoperirii și utilizării elementelor a început cu societăți primitive umane care au găsit elemente native precum carbon, sulf, cupru și aur. Civilizațiile ulterioare au extras din minereurile lor, prin topire, cupru, staniu, plumb și fier, prin utilizarea cărbunelui. Alchimiștii și chimistii au identificat ulterior mult mai multe; aproape toate elementele naturale au fost cunoscute până în 1900.

Proprietățile elementelor chimice sunt rezumate în tabelul periodic, care organizează elementele prin creșterea numărului atomic pe rânduri („perioadele”) în care coloanele („grupurile”) au proprietăți fizice și chimice recurente („periodice”). Cu excepția elementelor radioactive instabile cu timpi de înjumătățire scurți, toate elementele sunt disponibile din punct de vedere industrial, majoritatea în grade scăzute de impurități.

Descriere

Cele mai ușoare elemente chimice sunt hidrogenul și heliul, ambele create de nucleosinteza Big Bang în primele 20 de minute ale universului într-un raport de aproximativ 3: 1 în masă (sau 12: 1 în număr de atomi), împreună cu urme minuscule ale următoarelor două elemente, litiu și beriliu. Aproape toate celelalte elemente găsite în natură au fost create prin diferite metode naturale de nucleosinteză. Pe pământ, cantități mici de atomi noi sunt produse în mod natural în reacții nucleogene sau în procese cosmogene, cum ar fi spalarea cu raze cosmice. Atomii noi sunt, de asemenea, produși natural pe Pământ ca izotopi radiogeni ai fiilor proceselor de dezintegrare radioactivă în curs de desfășurare, cum ar fi dezintegrarea alfa, dezintegrarea beta, fisiunea spontană, dezintegrarea clusterului și alte moduri mai rare de dezintegrare.

Dintre cele 94 de elemente naturale, cele cu numere atomice de la 1 la 82 au fiecare cel puțin un izotop stabil (cu excepția technețiului, elementul 43, și prometiu, elementul 61, care nu au izotopi stabili). Izotopii considerați stabili sunt aceia pentru care nu a fost încă observată dezintegrarea radioactivă. Elementele cu numerele atomice de la 83 până la 94 sunt instabile până la punctul în care se poate detecta dezintegrarea radioactivă a tuturor izotopilor. Unele dintre aceste elemente, în special bismut (număr atomic 83), toriu (număr atomic 90) și uraniu (număr atomic 92), au unul sau mai mulți izotopi cu jumătăți de viață suficient de lungi pentru a supraviețui ca rămășițe ale nucleosintezei stelare explozive care au produse metale grele înainte de formarea sistemului nostru solar. Cu peste 1,9×1019 ani, de peste un miliard de ori mai mare decât vârsta estimată a universului, bismutul-209 (numărul atomic 83) are cel mai lung timp de înjumătățire la dezintegrarea alfa față de oricare element natural, și este aproape întotdeauna considerat la egalitate cu cele 80 de elemente stabile. Elementele cele mai grele (cele dincolo de plutoniu, elementul 94) suferă dezintegrare radioactivă, cu jumătăți de viață atât de scurte încât nu se găsesc în natură și trebuie sintetizate.

Începând cu anul 2010, există 118 elemente cunoscute (în acest context, „cunoscut” înseamnă observat suficient de bine, chiar din doar câteva produse de dezintegrare, care au fost diferențiate de alte elemente). Dintre aceste 118 elemente, 94 apar natural pe Pământ. Șase dintre acestea apar în cantități extreme: technețiu, număr atomic 43; prometiu, numărul 61; astatiniu, numărul 85; franciu, numărul 87; neptuniu, numărul 93; și plutoniu, numărul 94. Aceste 94 de elemente au fost detectate în univers în general, în spectrul stelelor și supernovelor, unde sunt create elemente radioactive cu durată scurtă de viață. Primele 94 de elemente au fost detectate direct pe Pământ ca nuclizi primordiali prezenți din formarea sistemului solar sau ca produse de fisiune sau transmutație apărute în mod natural de uraniu și toriu.

Celelalte 24 de elemente mai grele rămase, care nu se găsesc astăzi nici pe Pământ, nici în spectrul astronomic, au fost produse artificial: toate acestea sunt radioactive, cu jumătăți foarte scurte de viață; dacă există vreun atom al acestor elemente la formarea Pământului, este extrem de probabil, până la punct de certitudine, că au fost deja dezintegrate și, dacă sunt prezente în nove, au fost în cantități prea mici pentru a fi observate. Technețiul a fost primul element sintetizat, care nu a fost natural, în 1937, deși în natură s-au găsit urme de technețiu (și, de asemenea, elementul a fost descoperit în mod natural în 1925). Acest model al producției artificiale și descoperirea naturală ulterioară a fost repetat cu mai multe alte elemente rare, radioactive, naturale.

Originea elementelor

(Distribuția estimată a materiei întunecate și a energiei întunecate în univers(Distribuția estimată a materiei întunecate și a energiei întunecate în univers. Numai fracțiunea din masa și energia din univers numită „atomi” este compusă din elemente chimice.)

Doar aproximativ 4% din masa totală a universului este făcută din atomi sau ioni și astfel este reprezentată de elemente chimice. Această fracție reprezintă aproximativ 15% din totalul materiei, restul materiei (85%) fiind materie întunecată. Natura materiei întunecate nu este cunoscută, dar nu este compusă din atomi de elemente chimice, deoarece nu conține protoni, neutroni sau electroni. (Partea rămasă non-materială a masei universului este compusă din energia întunecată și mai misterioasă).

94 de elemente chimice care apar în mod natural se crede că au fost produse de cel puțin patru procese cosmice. Majoritatea hidrogenului și heliului din univers a fost produsă primordial în primele câteva minute ale Big Bang-ului. Se crede că trei procese ulterioare recurente au produs elementele rămase. Nucleosinteza stelară, un proces continuu, produce toate elementele de la carbon trecând prin fier în număr atomic, dar puțin litiu, beriliu sau bor. Elementele mai grele în număr atomic decât fierul, precum uraniul și plutoniul, sunt produse prin nucleosinteză explozivă în supernove și alte evenimente cosmice cataclismice. Spalarea razei cosmice (fragmentarea) carbonului, azotului și oxigenului este importantă pentru producerea de litiu, beriliu și bor.

În fazele timpurii ale Big Bang, nucleosinteza nucleilor de hidrogen a dus la producerea de hidrogen-1 (protium, 1H) și heliu-4 (4He), precum și o cantitate mai mică de deuteriu (2H) și cantități foarte minuscule de ordinul 10-10) de litiu și beriliu. Chiar și cantități mai mici de bor s-au produs în Big Bang, deoarece s-au observat în unele stele foarte vechi, în timp ce carbonul nu a fost produs. În general, s-a căzut de acord că nu au fost produse elemente mai grele decât borul în Big Bang. Ca urmare, abundența primordială a atomilor (sau a ionilor) a constat din aproximativ 75% 1H, 25% 4Heși 0,01% 2H, cu doar urme mici de litiu, beriliu și, probabil, bor. Îmbogățirea ulterioară a halourilor galactice a apărut datorită nucleosintezei stelare și nucleosintezei supernovelor. Cu toate acestea, abundența elementelor din spațiul intergalactic încă să se aseamănă foarte mult cu condițiile primordiale, dacă nu a fost îmbogățită prin anumite mijloace.

Tabel periodic care arată originea cosmogenă a fiecărui element din Big Bang sau în stele mari sau mici
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Nucleosynthesis_periodic_table.svg 

(Tabel periodic care arată originea cosmogenă a fiecărui element din Big Bang sau în stele mari sau mici. Stelele mici pot produce anumite elemente până la sulf, prin procesul alfa. Supernoveele sunt necesare pentru a produce elemente „grele” (cele peste fier și nichel) rapid prin acumularea de neutroni, în procesul r. Anumite stele mari produc încet alte elemente mai grele decât fierul în procesul s, acestea putând apoi să fie aruncate în spațiu prin îndepărtarea gazelor nebulare planetare.)

Pe Pământ (și în altă parte), cantități diferite de elemente continuă să fie produse din alte elemente ca produse ale proceselor de transmutare nucleară. Acestea includ unele produse de raze cosmice sau alte reacții nucleare și alții produși ca produse de dezintegrare a nucleolilor primordiali de lungă durată. De exemplu, cantitățile de carbon-14 (14C) care sunt detectabile sunt produse continuu în atmosferă de razele cosmice care afectează atomii de azot, iar argon-40 (40Ar) este produs în mod continuu prin dezintegrarea primară, dar instabilă, a potasiului-40 (40K). De asemenea, trei ocurențe prmordiale dar radioactive ale actinidelor, toriu, uraniu și plutoniu, se dezintegrează printr-o serie de elemente radioactive produse recurent dar instabil, cum ar fi radiium și radonul, care sunt prezente în mod tranzitoriu în orice probă ai acestor metale sau minereurile sau compușii lor. Trei alte elemente radioactive, technețiu, prometiu și neptuniu, apar doar întâmplător în materiale naturale, produse ca atomi individuali prin fisiune nucleară a nucleelor ​​diferitelor elemente grele sau în alte procese nucleare rare.

Tehnologia umană a produs diferite elemente suplimentare dincolo de aceste prime 94 de elemente, cele cunoscute până la numărul atomic 118 acum.

Abundenţa

Abundențe ale elementelor chimice din sistemul solar
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png 

(Abundențe ale elementelor chimice din sistemul solar. Hidrogenul și heliul sunt cele mai frecvente, de la Big Bang. Următoarele trei elemente (Li, Be, B) sunt rare deoarece sunt puțin sintetizate în Big Bang și, de asemenea, în stele. Cele două tendințe generale ale elementelor stelare rămase sunt: (1) o alternanță a abundenței în elemente, având numere atomice pare sau impare (regula Oddo-Harkins) și (2) o scădere generală a abundenței cu cât elementele devin mai grele. Fierul este deosebit de obișnuit, deoarece reprezintă nucleul minim de energie care poate fi produs prin fuziunea heliului în supernove. )

Graficul de mai sus arată abundența elementelor din sistemul nostru solar. Tabelul prezintă cele douăsprezece elemente cele mai comune din galaxia noastră (estimată spectroscopic), măsurată în părți per milion, în funcție de masă. Galaxiile din apropiere care au evoluat pe linii similare au o îmbogățire corespunzătoare a elementelor mai grele decât hidrogenul și heliul. Cele mai îndepărtate galaxii sunt privite așa cum au apărut în trecut, astfel încât abundențele lor de elemente apar mai aproape de amestecul primordial. Deoarece legile fizice și procesele apar în comun în întregul univers vizibil, totuși, omul de știință se așteaptă ca aceste galaxii să evolueze similar în abundență.

Abundența elementelor din sistemul solar este în concordanță cu originea lor din nucleosinteza în Big Bang și o serie de stele supranovente progenitoare. Abu7ndența mare de hidrogen și heliu se datorează Big Bang-ului, dar următoarele trei elemente sunt rare, deoarece au avut puțin timp să se formeze în Big Bang și nu sunt produse în stele (acestea sunt totuși produse în cantități mici prin dezintegrarea elementelor mai grele în praful interstelar, ca urmare a impactului cauzat de razele cosmice). Începând cu carbon, elementele sunt produse în stele prin acumularea de particule alfa (nuclei de heliu), rezultând o abundență alternantă mai mare de elemente cu numere atomice pare (acestea sunt și mai stabile). În general, astfel de elemente până la fier se produc în stele mari în procesul de a deveni supernove. Fierul-56 este deosebit de obișnuit, deoarece este cel mai stabil element care poate fi ușor realizat din particule alfa (fiind un produs al dezintegrării de nichel-56 radioactiv, în cele din urmă produs din 14 nuclee de heliu). Elemente mai grele decât fierul sunt produse în procesele de absorbție a energiei în stele mari, iar abundența lor în univers (și pe Pământ) scade, în general, cu numărul lor atomic.

Abundența elementelor chimice de pe Pământ variază de la aer la crustă și la ocean și în diferite tipuri de viață. Abundența elementelor din scoarța Pământului diferă de cea a sistemului solar (așa cum se vede în Soare și planete grele ca Jupiter), în principal în pierderea selectivă a elementelor foarte ușoare (hidrogen și heliu) și neon volatil, carbon (ca hidrocarburi) , azot și sulf, ca urmare a încălzirii solare în formarea timpurie a sistemului solar. Oxigenul, cel mai abundent element al Pământului în masă, este reținut pe Pământ prin combinarea cu siliciu. Aluminiul, la 8% din masă, este mai frecvent în crusta Pământului decât în ​​univers și sistemul solar, dar compoziția mantalei mult mai voluminoase, care conține magneziu și fier în locul aluminiului (care se produce acolo doar la 2% din masă ) reflectă mai îndeaproape compoziția elementară a sistemului solar, cu excepția pierderii consemnate a elementelor volatile în spațiu și a pierderii de fier care a migrat spre miezul Pământului.

Compoziția corpului uman, în schimb, urmărește mai mult compoziția apelor de mare – cu excepția faptului că corpul uman are stocuri suplimentare de carbon și azot necesare pentru a forma proteinele și acizii nucleici, împreună cu fosforul în acizii nucleici și moleculele de transfer de energie adenozin trifosfat (ATP) care apare în celulele tuturor organismelor vii. Anumite tipuri de organisme necesită elemente specifice suplimentare, de exemplu magneziu în clorofilă în plante verzi, calciu în cochiliile de moluște sau fier în hemoglobina din celulele roșii din vertebrate.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *