יסודות כימיים

מבנה החומר

האדמה שלנו, הטבע, כל היצורים החיים, העצמים, היבשות, ההרים, האוקיאנוסים ואנחנו עצמנו עשויים מיסודות כימיים המחוברים בדרכים שונות. החיים נוצרו באמצעות חיבור של אלמנטים. יסודות כימיים הם אטומים עם אותו מספר פרוטונים בגרעין. המספר נקרא המספר האטומי (באנגלית, מספר האטום). לדוגמה, פַּחמָן יש מספר אטומי 6 וכתוצאה מכך יש 6 פרוטונים בגרעין שלו. האלמנט הפשוט ביותר הוא הידרוגנציה (H) עם פרוטון אחד ואלקטרון אחד (מספר אטומי 1, ללא נויטרונים). חומרים טהורים נקראים גם יסודות, למשל טהורים חמצן. לא ניתן לחלק אותם עוד בשיטות כימיות ופיזיקליות פשוטות. אלמנטים יכולים להיות מוצקים, גזים או לעתים רחוקות יותר נוזלים (מצבי צבירה). מעל 94 אלמנטים מתרחשים באופן טבעי ורבים אחרים הופקו באופן מלאכותי.

הרכב היסודות

היסודות הכימיים הבודדים מורכבים מפרוטונים בעלי טעינה חיובית, נויטרונים ניטרליים ואלקטרונים טעונים שלילית. גרעין האטום מורכב מפרוטונים ונויטרונים הנקראים ביחד קולקלאונים, והאלקטרונים נמצאים בקליפה האטומית (מעטפת אלקטרונים).

  • גרעינים = פרוטונים + נויטרונים.

מספר הפרוטונים והאלקטרונים שווים זה לזה באטומים לא טעונים. בגלל ההאשמות לאזן, האלמנטים הם ניטרלים מבחינה חשמלית כלפי חוץ. עם זאת, אם הם מוותרים על אלקטרון, הם טעונים באופן חיובי (קטיונים). אם הם מקבלים אחד כזה, הם טעונים שלילית (אניונים). אטומים טעונים נקראים יונים. יחד הם נוצרים מלחים. אטומים מיוצגים לרוב - גם בטקסט זה - עם המודל האטומי המיוחד של בוהר, בו האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום במסלולים מוגדרים, כלומר כמו כוכבי הלכת מקיפים את השמש. כיום משתמשים בדרך כלל במודל מסלול מכני קוונטי לייצוג אלקטרונים, בהם האלקטרונים הם בעלי הסתברות מוגדרת למגורים במרחב סביב הגרעין.

איזוטופים

איזוטופים הם אטומים הנבדלים רק במספר הנויטרונים ולכן ב מסה. זה עם אותו מספר פרוטונים. לדוגמא, דאוטריום (2H) הוא איזוטופ של הידרוגנציה (1H) עם נויטרון אחד. בגלל ה מסה הוא גדול יותר, דאוטריום (D) נקרא כבד הידרוגנציה ותחמוצת הדאוטריום נקראת כבדה מַיִם (D2O). בין האיזוטופים המוכרים ביותר ניתן למנות איזוטופים אורניום, שגרעיניהם בקיעים ומשמשים בתחנות כוח גרעיניות וליצור נשק גרעיני ומערכות הנעה.

מקור האלמנטים

היסודות הפשוטים ביותר, מימן (= 1) והליום (= 2), נוצרו לפני 13.8 מיליארד שנה במהלך המפץ הגדול זמן קצר לאחר היווצרות היקום שלנו. מימן נותר היסוד הנפוץ ביותר ביקום העצום של ימינו, ואחריו הליום. רוב האלמנטים הנותרים נוצרו בכוכבים על ידי היתוך גרעיני או בסופרנובה, בכוכבים גוססים. כמה נוצרו על ידי השפעת קרניים קוסמיות (לִיתִיוּם, בריליום, בורון). לבסוף קיימים אלמנטים בעלי מספר אטומי גבוה שהופקו באופן מלאכותי על ידי בני אדם.

דוגמאות

הרשימה הבאה מציגה מבחר של אלמנטים. (סמל האלמנט) מוצג בסוגריים, למשל C (פַּחמָן, מ- lat. , פחם) עבור פַּחמָן. בקיצור יש אות אחת או שתיים.

  • מימן (H) הוא מרכיב של מַיִם, ביחד עם חמצן.
  • פחמן (C) הוא אבן הבניין הבסיסית לכל החיים על פני כדור הארץ.
  • חנקן (N) הוא המרכיב החשוב ביותר באוויר.
  • חמצן (O) חיוני לייצור אנרגיה בגוף.
  • נתרן (Na) כלול במלח שולחן.
  • מגנזיום (Mg) נמצא בכלורופיל (ירוק עלים).
  • אֲלוּמִינְיוּם (אל) נמצא בנייר אלומיניום ובמרכבי מכוניות.
  • סיליקון (Si) נמצא כמעט בכל המינרלים וסלעי האדמה.
  • זרחן (P) משמש לייצור גפרורים.
  • גופרית (S) משוחרר על ידי הרי געש.
  • אשלגן (K) ממלא תפקיד מרכזי בתפקוד ה- עצבים.
  • סִידָן (Ca) כלול ב עצמות.
  • מגהץ (Fe) הוא היסוד הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ.
  • כספית (Hg), בניגוד למתכות אחרות, הוא קיים כנוזל.
  • ניקל (Ni) משמש לסגסוגות מתכת.
  • כסף (Ag) ו זהב (Au) כלולים בתכשיטים.

מסה וגודל

כמעט כל מסה של אטום נמצא בגרעין. ה כֶּרֶךלעומת זאת נקבע על ידי מעטפת האלקטרונים מכיוון שהגרעין קטן מאוד. מסת האטומים ניתנת על ידי הסמל u או Da (daltons). אתה מייצג. זה תואם את המסה של פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. 1 u ניתן כשליש-עשרה ממסת הפחמן -12 (12C) והוא 1.660 - 10-24 ז. המסה של פרוטון ונויטרון היא בערך 1 u, שהיא יחידת מסה אחת. מכיוון שפחמן 12 מכיל 6 פרוטונים ו -6 נויטרונים ולאלקטרונים יש מסה קטנה מאוד (1/1836 של פרוטון), המסה האטומית שלו היא בערך 12 u (12.011 u). מספר זה נקרא מספר המסה. מספר מסה = מספר פרוטונים + מספר נויטרונים ניתן להשיג את המסה המולקולרית של תרכובות כימיות על ידי הוספת המסה האטומית של האטומים מהם הם מורכבים. אטומים קטנים באופן בלתי מתקבל על הדעת - קוטרם הוא בטווח של 10-10 מ '(1 אנגסטרום, 0.1 ננומטר).

תרכובות כימיות

יסודות כימיים משתלבים בקלות רבה עם אותם או אלמנטים אחרים - טהורים או לא מאוגדים הם מתרחשים לעיתים נדירות. רק האלקטרונים בקליפת האטום אחראים לקשרים הכימיים, גרעיני האטום אינם מעורבים. התרכובות הכימיות החשובות ביותר הן:

  • אורגני מולקולות עם קשרים קוולנטיים.
  • מלחים עם קשרים יוניים
  • מתכות עם הקשר המתכתי

המאפיין המיוחד של תרכובות כימיות הוא שתכונותיהם שונות לחלוטין מאלו של היסודות מהם הם מורכבים. לדוגמה, נתרן כלורי מורכב מנתרן מיונן ו כלור אטומים. נתרן כאלמנט הוא רך, כסף-מתכת אפורה מאוד תגובתי, ו כלור קיים (בטמפרטורת החדר) כגז רעיל. יחד הם יוצרים את מלח השולחן הגבישי שאנו צורכים מדי יום כמשפר טעם במזון. ניתן להמחיש את אותו הדבר באמצעות הדוגמה של מַיִם, שנוצר מהגזים מימן וחמצן בתגובת oxyhydrogen.

טבלה מחזורית

הטבלה המחזורית של האלמנטים היא סקירה תיאורית ומעשית של כל האלמנטים, שפותחה לראשונה בשנות ה -1860 של המאה ה -1. זה מתחיל במימן (XNUMX) והוא מסודר לפי סדר הגדלת המספר האטומי. על ידי הצגתם בתקופות אופקיות וקבוצות אנכיות, מרכיבים קשורים בעלי תכונות כימיות ופיזיקליות דומות מקובצים יחד. אלו כוללים:

  • מתכות אלקליות
  • מתכות אלקליות
  • מתכות מעבר
  • לנתנידים
  • אקטינואידים
  • מתכות
  • מתכות למחצה
  • לא מתכות
  • הלוגנים
  • גזים אצילים

קישור (גרסה אנגלית): טבלה מחזורית של IUPAC עם הורדת PDF.

בלתי נבדל של האלמנטים

ניתן להשיג אלמנטים מתערובות הנתונות לתהליכי הפרדה כימיים ופיזיקליים שונים, כגון בעירה, זרם חשמלי או תוספת חומצה. בסופו של דבר, התהליכים הנפוצים מותירים אחריהם את האלמנטים הטהורים. המונח אטום נגזר מיוונית, שפירושה אינו ניתן לחלוקה. למעשה, היסודות אינם ניתנים לחלוקה נוספת בשיטות הכימיות הרגילות. עם הגילוי של רדיואקטיביות וריקבון רדיואקטיבי, לעומת זאת, הוכח כי המונח אינו מדויק וכי מה שמכונה ביקוע גרעיני לאלמנטים בעלי מספר אטומי נמוך יותר. לעומת זאת, היתוך גרעיני יכול לייצר יסודות בעלי מספר אטומי גבוה יותר. לדוגמא, השמש יוצרת הליבה ממימן בליבה, המשחררת את האנרגיה והחום שהם הבסיס לכל החיים על פני כדור הארץ.

מבנה האדם

כאמור בהתחלה, אנו בני האדם מורכבים גם מהיסודות הידועים. הנציגים החשובים ביותר הם חמצן (O), פחמן (C), מימן (H), חנקן (N), סידן (Ca) ו זרחן (P). 6 האלמנטים הללו יחד מהווים מעל 99% ממסת הגוף! מינרלים אחרים כגון אשלגן, מגנזיום ו נתרן, למשל, כמו גם יסודות קורט רבים כגון כרום, ברזל, פלואור, סלניום or נחושת כלולים בכמות קטנה בהרבה, אך יש להם פונקציות חיוניות.

מקור החיים עלי אדמות

היסודות עלי אדמות מקורם, כאמור, מצד אחד במפץ הגדול, שהתרחש לפני כ -13.8 מיליארד שנים ואיתו נוצרו היקום, החלל והזמן. אלמנטים גבוהים יותר נוצרו בעיקר בפעילות וגוססת. כוכבים (סופרנובות). לכדור הארץ יש גיל של כ -4.5 מיליארד שנים. החיים על פני כדור הארץ צצו באופן ספונטני מהטבע הדומם אולי לפני 4 מיליארד שנים על ידי שילוב של אלמנטים לתרכובות כימיות אורגניות. תגובות אלו התרחשו בעיקר במים מכיוון שתגובות כימיות מתרחשות בצורה לא מספקת במוצקים או גזים. מחקרים כמו ניסוי מילר-אורי משנות החמישים הראו כי ביומולקולות כמו חומצות אמינו or חומצות גרעין יכול להיווצר מתרכובות פשוטות יותר בטבע. המרכזי במעבר מכדור הארץ הדומם לכדור הארץ היה היווצרותו של פולימר רבייה מולקולות ממונומרים. אלה מכילים את המידע לרצף במבנה שלהם. חושבים שמדובר בחומצה ריבונוקולאית ראשונה (RNA), שזרזה את השכפול שלה. פַּעַם מולקולות שכפול עצמי, האבולוציה יצאה לדרך, מה שהוביל למורכבות הולכת וגוברת, אורגניזמים חד תאיים, צמחים, פטריות, בעלי חיים, ואחרי זמן רב שלא ניתן לדמיין, אנו בני האדם.