العناصر الكيميائية

هيكل المسألة

أرضنا ، وطبيعتنا ، وكل الكائنات الحية ، والأشياء ، والقارات ، والجبال ، والمحيطات ونحن أنفسنا مكونون من عناصر كيميائية مرتبطة بطرق مختلفة. لقد نشأت الحياة من خلال ارتباط العناصر. العناصر الكيميائية هي ذرات لها نفس عدد البروتونات في النواة. الرقم يسمى العدد الذري (باللغة الإنجليزية ، العدد الذري). على سبيل المثال، كربون لديها عدد ذري 6 وبالتالي لديها 6 بروتونات في نواتها. أبسط عنصر هو الهدرجة (H) مع بروتون واحد وإلكترون واحد (العدد الذري 1 ، بدون نيوترونات). المواد النقية تسمى أيضًا العناصر ، على سبيل المثال نقية أكسجين. لا يمكن تقسيمها بطرق كيميائية وفيزيائية بسيطة. يمكن أن تكون العناصر صلبة أو غازية أو نادراً ما تكون سائلة (حالات التجمع). يوجد أكثر من 94 عنصرًا بشكل طبيعي والعديد من العناصر الأخرى تم إنتاجها بشكل مصطنع.

تكوين العناصر

تتكون العناصر الكيميائية الفردية من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة وإلكترونات سالبة الشحنة. تتكون نواة الذرة من البروتونات والنيوترونات التي تسمى مجتمعة النوكليونات ، وتقع الإلكترونات في الغلاف الذري (غلاف الإلكترون).

النيوكليونات = بروتونات + نيوترونات.

عدد البروتونات والإلكترونات يساوي بعضها البعض في الذرات غير المشحونة. لأن التهم تحقيق التوازن، العناصر محايدة كهربائيا للخارج. ومع ذلك ، إذا تخلوا عن الإلكترون ، فإنهم يكونون موجبين الشحنة (الكاتيونات). إذا قبلوا واحدًا ، فسيتم شحنهم سلبًا (الأنيونات). الذرات المشحونة تسمى الأيونات. معا يتشكلون أملاح. غالبًا ما يتم تمثيل الذرات - أيضًا في هذا النص - بنموذج بوهر الذري الذي عفا عليه الزمن ، حيث تدور الإلكترونات حول النواة الذرية في مدارات محددة ، مثل الكواكب التي تدور حول الشمس. اليوم ، عادةً ما يستخدم النموذج المداري الميكانيكي الكمومي لتمثيل الإلكترونات ، حيث يكون للإلكترونات احتمال محدد للبقاء في الفضاء حول النواة.

نظائر

النظائر هي ذرات تختلف فقط في عدد النيوترونات وبالتالي في كتلة. هذا مع نفس عدد البروتونات. على سبيل المثال ، الديوتيريوم (²ح) نظير الهدرجة (¹ح) نيوترون واحد. بسبب ال كتلة أكبر ، يسمى الديوتيريوم (D) ثقيل الهدرجة وأكسيد الديوتيريوم يسمى ثقيل ماء (D₂س). من بين أفضل النظائر المشهورة نظائر اليورانيوم ، نواتها قابلة للانشطار وتستخدم في محطات الطاقة النووية وفي صنع الأسلحة النووية وأنظمة الدفع.

أصل العناصر

أبسط العناصر ، الهيدروجين (= 1) والهيليوم (= 2) ، تشكلت قبل 13.8 مليار سنة خلال الانفجار العظيم بعد فترة وجيزة من تشكل كوننا. يظل الهيدروجين العنصر الأكثر وفرة في الكون الشاسع اليوم ، يليه الهيليوم. تشكلت معظم العناصر المتبقية إما في النجوم عن طريق الاندماج النووي أو في السوبرنوفا ، في النجوم المحتضرة. تم تشكيل عدد قليل من تأثير الأشعة الكونية (الليثيوموالبريليوم والبورون). أخيرًا ، توجد عناصر ذات عدد ذري مرتفع ، والتي تم إنتاجها بشكل مصطنع من قبل البشر.

أمثلة

تعرض القائمة التالية مجموعة مختارة من العناصر. يظهر (رمز العنصر) بين قوسين ، على سبيل المثال C (كربون، من اللات. والفحم) ل كربون. يتكون الاختصار من حرف واحد أو حرفين.

الهيدروجين (H) هو أحد مكونات ماء، مع أكسجين.
الكربون (C) هو لبنة البناء الأساسية لجميع أشكال الحياة على الأرض.
نتروجين (N) هو أهم مكون للهواء.
أكسجين (س) ضروري لإنتاج الطاقة في الجسم.
صوديوم (Na) موجود في ملح الطعام.
المغنيسيوم (ملغ) يوجد في الكلوروفيل (الورقة الخضراء).
الألومنيوم (Al) موجود في رقائق الألومنيوم وأجسام السيارات.
السيليكون تم العثور على (Si) في جميع المعادن وصخور الأرض تقريبًا.
الفسفور (P) يستخدم لإنتاج المباريات.
كبريت (S) تنطلق من البراكين.
بوتاسيوم (ك) يلعب دورًا مركزيًا في وظيفة الأعصاب.
الكلسيوم (Ca) وارد في العظام.
حديد (Fe) هو العنصر الأكثر وفرة على كوكب الأرض.
ميركوري (Hg) ، على عكس المعادن الأخرى ، موجود كسائل.
النيكل (نيكل) يستخدم في السبائك المعدنية.
فضي (حج) و الذهب (Au) مدرجة في المجوهرات.

الكتلة والحجم

تقريبا كل كتلة من ذرة في النواة. ال حجم، من ناحية أخرى ، يتم تحديدها بواسطة غلاف الإلكترون ، لأن النواة صغيرة جدًا. تُعطى كتلة الذرات بالرمز u أو Da (daltons). أنت تقف ل. يتوافق مع كتلة البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. 1 ش تُعطى في صورة واحد على اثني عشر من كتلة الكربون -12 (¹²ج) وهي 1.660 - 10^-24 ز. تبلغ كتلة البروتون والنيوترون حوالي 1 ش ، وهي وحدة واحدة من الكتلة. نظرًا لأن الكربون 12 يحتوي على 6 بروتونات و 6 نيوترونات والإلكترونات لها كتلة صغيرة جدًا (1/1836 من البروتون) ، فإن كتلتها الذرية تبلغ حوالي 12 ش (12.011 ش). هذا الرقم يسمى العدد الكتلي. عدد الكتلة = عدد البروتونات + عدد النيوترونات يمكن الحصول على الكتلة الجزيئية للمركبات الكيميائية عن طريق إضافة الكتل الذرية للذرات التي تتكون منها. الذرات صغيرة بشكل لا يمكن تصوره - قطرها في حدود 10^-10 م (1 أنجستروم ، 0.1 نانومتر).

مركبات كيميائية

تتحد العناصر الكيميائية بسهولة شديدة مع نفس العناصر أو عناصر أخرى - نقية أو غير مرتبطة ونادرًا ما تحدث. فقط الإلكترونات الموجودة في الغلاف الذري هي المسؤولة عن الروابط الكيميائية ، ولا تشارك النوى الذرية. أهم المركبات الكيميائية هي:

عضوي الجزيئات مع الروابط التساهمية.
الأملاح ذات الروابط الأيونية
المعادن ذات الرابطة المعدنية

الميزة الخاصة للمركبات الكيميائية هي أن خصائصها تختلف تمامًا عن خصائص العناصر التي تتكون منها. على سبيل المثال، كلوريد الصوديوم يتكون من الصوديوم المؤين و الكلور ذرات. صوديوم كعنصر ناعم ، فضي- معدن رمادي شديد التفاعل ، و الكلور موجود (في درجة حرارة الغرفة) كغاز سام. يشكلون معًا ملح الطعام البلوري الذي نستهلكه يوميًا كمُحسِّن للنكهة في الطعام. يمكن توضيح الشيء نفسه من خلال مثال ماء، والذي يتكون من غازات الهيدروجين والأكسجين في تفاعل الأكسجين الهيدروجين.

الجدول الدوري

الجدول الدوري للعناصر هو نظرة عامة وصفية وعملية لجميع العناصر ، تم تطويره لأول مرة في ستينيات القرن التاسع عشر. يبدأ بالهيدروجين (1860) ويتم ترتيبه بترتيب زيادة العدد الذري. من خلال تقديمها في فترات أفقية ومجموعات رأسية ، يتم تجميع العناصر ذات الصلة ذات الخواص الكيميائية والفيزيائية المتشابهة معًا. وتشمل هذه:

الفلزات القلوية
المعادن الأرضية القلوية
المعادن الانتقالية
اللانثينيدات
الأكتينويد
المعادن
أشباه المعادن
غير معادن
الهالوجينات
غازات نبيلة

رابط (النسخة الإنجليزية): الجدول الدوري IUPAC مع تنزيل PDF.

عدم قابلية العناصر للتجزئة

يمكن الحصول على العناصر من المخاليط التي تخضع لعمليات فصل كيميائية وفيزيائية مختلفة ، مثل الاحتراق أو التيار الكهربائي أو الإضافة الحمضية. في النهاية ، تترك العمليات المشتركة ورائها العناصر النقية. مصطلح الذرة مشتق من الكلمة اليونانية ، والتي تعني غير قابلة للتجزئة. في الواقع ، لا يمكن تقسيم العناصر بالطرق الكيميائية المعتادة. ومع اكتشاف النشاط الإشعاعي والانحلال الإشعاعي ، فقد ثبت أن المصطلح غير دقيق وأن ما يسمى بالانشطار النووي إلى عناصر ذات عدد ذري أقل ممكن. على العكس من ذلك ، يمكن أن ينتج الاندماج النووي عناصر ذات عدد ذري أعلى. على سبيل المثال ، تشكل الشمس الهيليوم من الهيدروجين في قلبها ، والذي يطلق الطاقة والحرارة التي هي أساس كل أشكال الحياة على الأرض.

هيكل الإنسان

كما ذكرنا في البداية ، نحن البشر نتكون أيضًا من العناصر المعروفة. أهم الممثلين هم الأكسجين (O) ، والكربون (C) ، والهيدروجين (H) ، نتروجين (ن)، الكلسيوم (كاليفورنيا) و الفسفور (ف). تشكل هذه العناصر الستة مجتمعة أكثر من 6٪ من كتلة الجسم! معادن أخرى مثل بوتاسيوم, المغنيسيوم و صوديوم، على سبيل المثال ، بالإضافة إلى العديد من العناصر النزرة مثل الكروم ، حديدالفلور عنصر السيلينيوم or copper بكمية أقل بكثير ، ولكن لها وظائف حيوية.

أصل الحياة على الأرض

نشأت العناصر الموجودة على الأرض ، كما ذكرنا سابقًا ، من ناحية واحدة من الانفجار العظيم ، الذي حدث منذ حوالي 13.8 مليار سنة والذي تم من خلاله تكوين الكون والمكان والزمان. النجوم (المستعرات الأعظمية). يبلغ عمر الأرض حوالي 4.5 مليار سنة. ظهرت الحياة على الأرض بشكل عفوي من الطبيعة غير الحية ربما قبل 4 مليارات سنة من خلال دمج العناصر في المركبات الكيميائية العضوية. حدثت هذه التفاعلات بشكل رئيسي في الماء ، لأن التفاعلات الكيميائية تحدث بشكل غير كافٍ في المواد الصلبة أو الغازات. أظهرت دراسات مثل تجربة Miller-Urey من الخمسينيات أن الجزيئات الحيوية مثل الأحماض الأمينية or احماض نووية يمكن أن تتكون من مركبات أبسط في الطبيعة. كان محور الانتقال من الجماد إلى الأرض الحية هو تكوين البوليمر المتكاثر الجزيئات من المونومرات. تحتوي هذه على معلومات التسلسل في هيكلها. يُعتقد أن هذا كان أول حمض نووي الريبي (RNA) ، والذي حفز تكاثره. مرة واحدة الجزيئات بدأ التطور ، المتكاثر ذاتيًا ، على قدم وساق ، مما أدى إلى زيادة التعقيد ، والكائنات أحادية الخلية ومتعددة الخلايا ، والنباتات ، والفطريات ، والحيوانات ، وبعد فترة طويلة لا يمكن تصورها ، نحن البشر.