عناصر شیمیایی

ساختار ماده

زمین ، طبیعت ، همه موجودات زنده ، اشیا، ، قاره ها ، کوه ها ، اقیانوس ها و خود ما از عناصر شیمیایی ساخته شده ایم که به طرق مختلف به هم متصل می شوند. زندگی از طریق اتصال عناصر به وجود آمده است. عناصر شیمیایی ، اتمهایی هستند که به همان تعداد پروتون در هسته وجود دارند. این عدد را عدد اتمی می نامند (به انگلیسی ، number atomic). مثلا، کربن دارای عدد اتمی 6 و در نتیجه دارای 6 پروتون در هسته خود است. ساده ترین عنصر است هیدروژن (H) با یک پروتون و یک الکترون (عدد اتمی 1 ، بدون نوترون). به مواد خالص عناصر گفته می شود ، به عنوان مثال خالص اکسیژن. با روشهای ساده شیمیایی و فیزیکی نمی توان آنها را بیشتر تقسیم کرد. عناصر می توانند جامد ، گازی یا به ندرت مایع باشند (حالت های تجمع). بیش از 94 عنصر به طور طبیعی اتفاق می افتد و عناصر بیشتری به طور مصنوعی تولید شده اند.

ترکیب عناصر

عناصر شیمیایی منفرد از پروتون های بار مثبت ، نوترون های خنثی و الکترون های بار منفی تشکیل شده اند. هسته اتم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که در مجموع نوکلئون نامیده می شوند و الکترون ها در پوسته اتمی (پوسته الکترون) قرار دارند.

نوکلئونها = پروتونها + نوترونها.

تعداد پروتون ها و الکترون ها در اتم های بدون بار برابر با یکدیگر هستند. چون اتهامات تعادل، عناصر از نظر الکتریکی خنثی هستند. با این حال ، اگر آنها الکترون را رها کنند ، بار مثبت دارند (کاتیون ها). اگر یکی را بپذیرند ، بار منفی دارند (آنیون). به اتم های باردار یون گفته می شود. با هم تشکیل می شوند نمک. اتمها اغلب - همچنین در این متن - با مدل اتمی منسوخ بور ، که در آن الکترونها در مدارهای مشخص شده ، مانند هسته ها به دور خورشید می چرخند ، نشان داده می شوند. امروزه از مدل مداری مکانیکی کوانتوم معمولاً برای نشان دادن الکترونها استفاده می شود که در آن الکترونها احتمال اقامت مشخصی را در فضای اطراف هسته دارند.

ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ها اتم هایی هستند که فقط از نظر تعداد نوترون و در نتیجه از نظر اختلاف با یکدیگر تفاوت دارند توده. این با همان تعداد پروتون است. به عنوان مثال ، دوتریم (²ح) ایزوتوپ از است هیدروژن (¹ح) با یک نوترون. از آنجا که توده بزرگتر است ، دوتریم (D) سنگین نامیده می شود هیدروژن و اکسید دوتریم سنگین نامیده می شود آب (D₂O) از مشهورترین ایزوتوپ ها ایزوتوپ های اورانیوم هستند که هسته های آنها شکاف پذیر است و در نیروگاه های هسته ای و ساخت سلاح های هسته ای و سیستم های پیشرانه مورد استفاده قرار می گیرند.

منشأ عناصر

ساده ترین عناصر ، هیدروژن (= 1) و هلیوم (= 2) ، 13.8 میلیارد سال پیش در هنگام انفجار بزرگ اندکی بعد از شکل گیری جهان ما شکل گرفتند. هیدروژن همچنان فراوانترین عنصر در جهان پهناور امروز و پس از آن هلیوم باقی مانده است. بیشتر عناصر باقی مانده یا در ستاره ها توسط همجوشی هسته ای و یا در ابرنواختر ، در ستاره های در حال مرگ شکل گرفته اند. تعداد کمی از آنها تحت تأثیر اشعه های کیهانی تشکیل شده اند (لیتیوم، بریلیم ، بور). سرانجام ، عناصری با تعداد اتمی بالا وجود دارند که به طور مصنوعی توسط انسان تولید شده اند.

مثال ها

لیست زیر مجموعه ای از عناصر را نشان می دهد. (نماد عنصر) در پرانتز نشان داده شده است ، به عنوان مثال C (کربن، از Lat. ، ذغال سنگ) برای کربن. این مخفف یا یک یا دو حرف دارد.

هیدروژن (H) جز a آب، همراه با اکسیژن.
کربن (C) عنصر اصلی سازنده تمام زندگی روی زمین است.
نیتروژن (N) مهمترین جز component هوا است.
اکسیژن (O) برای تولید انرژی در بدن ضروری است.
سدیم (Na) در نمک سفره موجود است.
منیزیم (میلی گرم) در کلروفیل (سبز برگ) یافت می شود.
آلومینیوم (آل) در فویل آلومینیوم و بدنه اتومبیل یافت می شود.
سیلیکون (Si) تقریباً در تمام مواد معدنی و سنگهای زمین یافت می شود.
فسفر (P) برای تولید کبریت استفاده می شود.
گوگرد (S) توسط آتشفشان ها آزاد می شود.
پتاسیم (K) نقش اصلی در عملکرد اعصاب.
کلسیم (Ca) در موجود است استخوان ها.
اهن (Fe) فراوانترین عنصر در سیاره زمین است.
عطارد (Hg) ، برخلاف سایر فلزات ، به صورت مایع وجود دارد.
نیکل (Ni) برای آلیاژهای فلزی استفاده می شود.
نقره (Ag) و طلا (طلا) در جواهرات گنجانده شده است.

جرم و اندازه

تقریباً همه توده یک اتم در هسته است. حجماز طرف دیگر ، توسط پوسته الکترون تعیین می شود ، زیرا هسته بسیار کوچک است. جرم اتمها با نماد u یا Da (دالتون) داده می شود. تو مخفف هستی با جرم پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها مطابقت دارد. 1 u به عنوان یک دوازدهم جرم کربن 12 داده می شود (¹²C) و 1.660 - 10 است^-24 g جرم پروتون و نوترون در حدود 1 u است که یک واحد جرم است. از آنجا که کربن -12 حاوی 6 پروتون و 6 نوترون است و الکترون ها جرم بسیار کمی دارند (1/1836 پروتون) ، جرم اتمی آن حدود 12 u (12.011 u) است. این عدد را عدد جرمی می نامند. تعداد جرم = تعداد پروتونها + تعداد نوترونها جرم مولکولی ترکیبات شیمیایی را می توان با افزودن جرم اتمی اتمهایی که از آنها تشکیل شده اند بدست آورد. اتمها غیر قابل تصور کوچک هستند - قطر آنها در محدوده 10 است^-10 متر (1 آنگستروم ، 0.1 نانومتر).

ترکیبات شیمیایی

عناصر شیمیایی خیلی راحت با همان عناصر یا عناصر دیگر ترکیب می شوند - به ندرت خالص یا غیر محدود می شوند. فقط الکترونهای موجود در پوسته اتمی مسئول پیوندهای شیمیایی هستند ، هسته های اتمی درگیر نیستند. مهمترین ترکیبات شیمیایی عبارتند از:

الی مولکول ها با پیوندهای کووالانسی.
نمک با پیوند یونی
فلزات دارای پیوند فلزی

ویژگی خاص ترکیبات شیمیایی این است که خصوصیات آنها کاملاً متفاوت از عناصری است که از آنها تشکیل شده است. مثلا، سدیم کلرید از سدیم یونیزه شده و تشکیل شده است کلرین اتمها سدیم به عنوان یک عنصر نرم است ، نقرهفلز خاکستری که بسیار واکنش پذیر است و کلرین وجود دارد (در دمای اتاق) به عنوان یک گاز سمی. آنها با هم نمک سفره بلوری را تشکیل می دهند که ما هر روز به عنوان تقویت کننده طعم در غذا مصرف می کنیم. همان را می توان با مثال نشان داد آب، که از گازهای هیدروژن و اکسیژن در واکنش اکسی هیدروژن تشکیل می شود.

جدول تناوبی

جدول تناوبی عناصر ، نمای کلی و توصیفی از کلیه عناصر است که برای اولین بار در دهه 1860 ساخته شد. با هیدروژن (1) شروع می شود و به ترتیب افزایش تعداد اتمی مرتب می شود. با ارائه آنها در دوره های افقی و گروه های عمودی ، عناصر مرتبط با خصوصیات شیمیایی و فیزیکی مشابه در یک گروه قرار می گیرند. این شامل:

فلزات قلیایی
فلزات خاکی قلیایی
فلزات واسطه
لانتانید
اکتینوئیدها
Metals
نیمه فلزات
غیر فلزات
هالوژن ها
گازهای نجیب

پیوند (نسخه انگلیسی): جدول تناوبی IUPAC با بارگیری PDF.

تقسیم ناپذیری عناصر

عناصر را می توان از مخلوطی که تحت فرآیندهای مختلف جداسازی شیمیایی و فیزیکی قرار دارد ، مانند احتراق ، جریان الکتریکی یا افزودن اسید به دست آورد. در پایان ، فرایندهای مشترک عناصر خالص را پشت سر می گذارند. اصطلاح اتم از یونانی گرفته شده است که به معنای غیر قابل تقسیم است. در واقع ، عناصر با روش های معمول شیمیایی بیشتر قابل تقسیم نیستند. با این حال ، با کشف رادیواکتیویته و پوسیدگی رادیواکتیو ، نشان داده شده است که این اصطلاح نادرست است و به اصطلاح شکافت هسته ای در عناصر با تعداد اتمی کمتر امکان پذیر است. برعکس ، همجوشی هسته ای می تواند عناصری با تعداد اتمی بالاتر تولید کند. به عنوان مثال ، خورشید از هیدروژن موجود در هسته خود هلیوم تشکیل می دهد که باعث آزاد شدن انرژی و گرما می شود که اساس تمام حیات کره زمین است.

ساختار انسان

همانطور که در ابتدا ذکر شد ، ما انسانها نیز از عناصر شناخته شده تشکیل شده ایم. مهمترین نمایندگان اکسیژن (O) ، کربن (C) ، هیدروژن (H) ، نیتروژن (ن) ، کلسیم (Ca) و فسفر (پ). این 6 عنصر با هم بیش از 99٪ از توده بدن را تشکیل می دهند! مواد معدنی دیگر مانند پتاسیم, منیزیم و سدیم، به عنوان مثال ، و همچنین عناصر کمیاب زیادی مانند کروم ، اهن، فلوئور ، سلنیوم or مس در مقدار بسیار کمتری وجود دارد ، اما عملکردهای حیاتی دارند.

منشأ زندگی روی زمین

عناصر روی زمین ، همانطور که قبلاً ذکر شد ، از یک سو از انفجار بزرگ ناشی می شوند ، که در حدود 13.8 میلیارد سال پیش اتفاق افتاد و جهان ، فضا و زمان با آن ایجاد شد. عناصر بالاتر به طور عمده در فعال و در حال مرگ شکل گرفتند ستاره ها (ابرنواخترها). زمین حدود 4.5 میلیارد سال سن دارد. زندگی روی کره زمین به طور خودجوش از طبیعت بی جان شاید 4 میلیارد سال پیش با ترکیب عناصر در ترکیبات شیمیایی آلی بوجود آمده است. این واکنشها عمدتا در آب اتفاق افتاده است ، زیرا واکنشهای شیمیایی به طور ناکافی در جامدات یا گازها اتفاق می افتد. مطالعاتی مانند آزمایش میلر-اوری از دهه 1950 نشان داده است که مولکول های زیستی مانند اسیدهای آمینه or اسیدهای نوکلئیک می تواند از ترکیبات ساده تر در طبیعت تشکیل شود. عامل اصلی انتقال از زمین بی جان به زمین زنده ، تشکیل پلیمری در حال تکثیر بود مولکول ها از مونومرها. اینها شامل اطلاعات مربوط به توالی در ساختار خود هستند. تصور می شود که این اولین اسید ریبونوکلئیک (RNA) بود که همانند سازی خود را کاتالیز می کند. یک بار مولکول ها تکثیر خود به خود ، در حال انجام است و منجر به افزایش پیچیدگی ، ارگانیسم های تک سلولی و چند سلولی ، گیاهان ، قارچ ها ، حیوانات و پس از مدت طولانی غیر قابل تصوری ، ما انسان ها می شود.