Nguyên tố hóa học

Cấu trúc của vật chất

Trái đất, thiên nhiên, mọi sinh vật, vật thể, lục địa, núi non, đại dương và bản thân chúng ta đều được cấu tạo từ các nguyên tố hóa học được kết nối theo những cách khác nhau. Sự sống đã ra đời nhờ sự kết nối của các yếu tố. Nguyên tố hóa học là những nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân. Con số được gọi là số nguyên tử (trong tiếng Anh là số nguyên tử). Ví dụ, carbon có số nguyên tử 6 và do đó có 6 proton trong hạt nhân của nó. Yếu tố đơn giản nhất là khinh khí (H) với một proton và một electron (nguyên tử số 1, không có nơtron). Các chất tinh khiết còn được gọi là các nguyên tố, ví dụ tinh khiết ôxy. Chúng không thể được phân chia thêm bằng các phương pháp hóa học và vật lý đơn giản. Các nguyên tố có thể ở thể rắn, thể khí hoặc hiếm khi ở thể lỏng (trạng thái tập hợp). Hơn 94 nguyên tố xuất hiện tự nhiên và nhiều nguyên tố khác được sản xuất nhân tạo.

Thành phần của các yếu tố

Các nguyên tố hóa học riêng lẻ bao gồm các proton tích điện dương, neutron trung hòa và các electron mang điện tích âm. Hạt nhân của nguyên tử gồm các proton và nơtron gọi chung là nucleon, các electron nằm trong lớp vỏ nguyên tử (electron shell).

  • Nucleon = proton + neutron.

Số proton và electron bằng nhau trong nguyên tử chưa tích điện. Vì phí cân bằng, các phần tử trung hòa về điện với bên ngoài. Tuy nhiên, nếu chúng từ bỏ một electron, chúng mang điện tích dương (cation). Nếu chúng chấp nhận một, chúng mang điện tích âm (anion). Các nguyên tử mang điện được gọi là ion. Họ cùng nhau tạo thành muối. Các nguyên tử thường được biểu diễn - cũng trong văn bản này - với mô hình nguyên tử Bohr đã lỗi thời, trong đó các electron quay quanh hạt nhân nguyên tử trên những quỹ đạo xác định, tức là giống như các hành tinh quay quanh mặt trời. Ngày nay, mô hình quỹ đạo cơ học lượng tử thường được sử dụng để biểu diễn các electron, trong đó các electron có xác suất cư trú xác định trong không gian xung quanh hạt nhân.

Đồng vị

Đồng vị là những nguyên tử chỉ khác nhau về số nơtron và do đó ở khối lượng. Điều này xảy ra với cùng một số proton. Ví dụ, deuterium (2H) là một đồng vị của khinh khí (1H) với một nơtron. Bởi vì khối lượng lớn hơn, đơteri (D) được gọi là nặng khinh khí và oxit deuterium được gọi là nặng nước (D2O). Trong số các đồng vị nổi tiếng nhất là đồng vị uranium, mà hạt nhân của chúng có thể phân hạch và được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân và để chế tạo vũ khí hạt nhân và các hệ thống đẩy.

Nguồn gốc của các yếu tố

Các nguyên tố đơn giản nhất, hydro (= 1) và heli (= 2), được hình thành cách đây 13.8 tỷ năm trong vụ nổ Big Bang ngay sau khi hình thành vũ trụ của chúng ta. Hydro vẫn là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ bao la ngày nay, tiếp theo là heli. Hầu hết các nguyên tố còn lại được hình thành trong các ngôi sao bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân hoặc trong một siêu tân tinh, trong các ngôi sao sắp chết. Một số ít được hình thành do ảnh hưởng của các tia vũ trụ (lithiumberi, bo). Cuối cùng, các nguyên tố có số nguyên tử cao tồn tại, được con người tạo ra một cách nhân tạo.

Các ví dụ

Danh sách sau đây hiển thị một loạt các phần tử. (Ký hiệu phần tử) được hiển thị trong dấu ngoặc đơn, ví dụ C (carbon, từ vĩ độ. , than) cho carbon. Chữ viết tắt có một hoặc hai chữ cái.

  • Hydro (H) là một thành phần của nước, Cùng với ôxy.
  • Carbon (C) là thành phần cơ bản của tất cả sự sống trên trái đất.
  • nitơ (N) là thành phần quan trọng nhất của không khí.
  • Ôxy (O) cần thiết cho quá trình sản xuất năng lượng trong cơ thể.
  • Sodium (Na) có trong muối ăn.
  • Magnesium (Mg) có trong chất diệp lục (màu xanh lá cây).
  • Nhôm (Al) được tìm thấy trong lá nhôm và thùng xe.
  • Silicon (Si) được tìm thấy trong hầu hết các khoáng chất và đá trên trái đất.
  • Photpho (P) được sử dụng để sản xuất diêm.
  • Lưu huỳnh (S) được giải phóng bởi núi lửa.
  • kali (K) đóng một vai trò trung tâm trong chức năng của dây thần kinh.
  • Calcium (Ca) được chứa trong xương.
  • Bàn là (Fe) là nguyên tố phong phú nhất trên hành tinh Trái đất.
  • thủy ngân (Hg), không giống như các kim loại khác, ở dạng lỏng.
  • Niken (Ni) được sử dụng cho hợp kim kim loại.
  • Gói Bạc (Ag) và vàng (Au) được bao gồm trong đồ trang sức.

Khối lượng và kích thước

Hầu như tất cả khối lượng của nguyên tử nằm trong hạt nhân. Các khối lượng, mặt khác, được xác định bởi lớp vỏ electron, vì hạt nhân rất nhỏ. Khối lượng của nguyên tử được cho bởi ký hiệu u hoặc Da (dalton). u là viết tắt của. Nó tương ứng với khối lượng của proton, neutron và electron. 1 u được cho là một phần mười hai khối lượng của cacbon-12 (12C) và là 1.660 - 10-24 g. Khối lượng của một proton và một nơtron là khoảng 1 u, là một đơn vị khối lượng. Bởi vì cacbon-12 chứa 6 proton và 6 neutron và các electron có khối lượng rất nhỏ (1/1836 của một proton) nên khối lượng nguyên tử của nó là khoảng 12 u (12.011 u). Số này được gọi là số khối. Số khối = số proton + số nơtron Khối lượng phân tử của các hợp chất hóa học có thể thu được bằng cách cộng khối lượng nguyên tử của các nguyên tử mà chúng được tạo thành. Các nguyên tử có kích thước nhỏ không thể tưởng tượng được - đường kính của chúng nằm trong khoảng 10-10 m (1 angstrom, 0.1 nm).

Các hợp chất hóa học

Các nguyên tố hóa học kết hợp rất dễ dàng với các nguyên tố giống nhau hoặc khác - nguyên chất hoặc không liên kết chúng hiếm khi xảy ra. Chỉ có các electron ở vỏ nguyên tử làm nhiệm vụ liên kết hóa học, hạt nhân nguyên tử không tham gia. Các hợp chất hóa học quan trọng nhất là:

  • Hữu cơ phân tử với các liên kết cộng hóa trị.
  • Muối có liên kết ion
  • Kim loại có liên kết kim loại

Điểm đặc biệt của các hợp chất hóa học là tính chất của chúng hoàn toàn khác với tính chất của các nguyên tố mà chúng được cấu tạo. Ví dụ, natri clorua bao gồm natri ion hóa và clo các nguyên tử. Sodium như một phần tử là một phần mềm, bạc-m kim loại có phản ứng cao, và clo tồn tại (ở nhiệt độ thường) dưới dạng khí độc. Chúng kết hợp với nhau tạo thành muối ăn tinh thể mà chúng ta tiêu thụ hàng ngày như một chất điều vị trong thực phẩm. Điều tương tự có thể được minh họa bằng ví dụ về nước, được hình thành từ khí hydro và oxy trong phản ứng oxyhydro hóa.

Bảng tuần hoàn

Bảng tuần hoàn các nguyên tố là một tổng quan mô tả và thực tế về tất cả các nguyên tố, được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1860. Nó bắt đầu bằng hydro (1) và được sắp xếp theo thứ tự số nguyên tử tăng dần. Bằng cách trình bày chúng theo chu kỳ ngang và nhóm dọc, các nguyên tố liên quan có tính chất hóa học và vật lý tương tự được nhóm lại với nhau. Bao gồm các:

  • Kim loại kiềm
  • Kim loại kiềm thổ
  • Kim loại chuyển tiếp
  • lantanua
  • Actinoid
  • Kim loại
  • Bán kim loại
  • Phi kim loại
  • Các halogen
  • khí trơ

Link (phiên bản tiếng Anh): Bảng tuần hoàn IUPAC với tải xuống PDF.

Tính không thể tách rời của các phần tử

Các nguyên tố có thể thu được từ các hỗn hợp trải qua các quá trình phân tách hóa học và vật lý khác nhau, chẳng hạn như đốt cháy, dòng điện hoặc thêm axit. Cuối cùng, các quá trình thông thường để lại các yếu tố thuần túy. Thuật ngữ nguyên tử có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là không thể phân chia. Trong thực tế, các nguyên tố không thể chia hết theo phương pháp hóa học thông thường. Tuy nhiên, với việc phát hiện ra phóng xạ và phân rã phóng xạ, người ta đã chỉ ra rằng thuật ngữ này không chính xác và cái gọi là sự phân hạch hạt nhân thành các nguyên tố có số nguyên tử thấp hơn là có thể xảy ra. Ngược lại, phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể tạo ra các nguyên tố có số nguyên tử cao hơn. Ví dụ, Mặt trời hình thành heli từ hydro trong lõi của nó, nó giải phóng năng lượng và nhiệt là cơ sở của tất cả sự sống trên Trái đất.

Cấu trúc của con người

Như đã đề cập ở phần đầu, con người chúng ta cũng được tạo thành từ các yếu tố đã biết. Các đại diện quan trọng nhất là oxy (O), carbon (C), hydro (H), nitơ (NS), canxi (Ca) và phốt pho (P). 6 yếu tố này cùng nhau tạo nên hơn 99% khối lượng cơ thể! Các khoáng chất khác như kali, magiê và natri, ví dụ, cũng như nhiều nguyên tố vi lượng như crom, ủi, flo, selen or đồng được chứa trong một số lượng nhỏ hơn nhiều, nhưng có chức năng quan trọng.

Nguồn gốc của sự sống trên trái đất

Các nguyên tố trên trái đất, như đã đề cập, một mặt bắt nguồn từ vụ nổ lớn, diễn ra khoảng 13.8 tỷ năm trước và cùng với đó vũ trụ, không gian và thời gian được tạo ra. các ngôi sao (sao băng). Trái đất có tuổi khoảng 4.5 tỷ năm. Sự sống trên Trái đất đã xuất hiện một cách tự nhiên từ thiên nhiên vô tri có lẽ cách đây 4 tỷ năm bằng cách kết hợp các nguyên tố thành các hợp chất hóa học hữu cơ. Những phản ứng này chủ yếu diễn ra với nước, vì các phản ứng hóa học diễn ra không thích hợp trong chất rắn hoặc khí. Các nghiên cứu như thí nghiệm Miller-Urey từ những năm 1950 đã chỉ ra rằng các phân tử sinh học như amino axit or axit nucleic có thể hình thành từ những hợp chất đơn giản hơn trong tự nhiên. Trung tâm của quá trình chuyển đổi từ trái đất vô tri vô giác sang trái đất sống động là sự hình thành các cao phân tử sinh sôi phân tử từ monome. Chúng chứa thông tin cho trình tự trong cấu trúc của chúng. Người ta cho rằng đây là axit ribonucleic (RNA) đầu tiên, xúc tác cho quá trình sao chép của chính nó. Một lần phân tử tự tái tạo, quá trình tiến hóa được tiến hành, dẫn đến sự phức tạp ngày càng tăng, các sinh vật đơn bào và đa bào, thực vật, nấm, động vật, và sau một thời gian dài không thể tưởng tượng được là con người chúng ta.