Elements químics

Estructura de la matèria

La nostra terra, la natura, tots els éssers vius, els objectes, els continents, les muntanyes, els oceans i nosaltres mateixos estem fets d’elements químics connectats de diferents maneres. La vida ha sorgit a través de la connexió d’elements. Els elements químics són àtoms amb el mateix nombre de protons al nucli. El nombre s’anomena nombre atòmic (en anglès, atomic number). Per exemple, carboni té un número atòmic 6 i, en conseqüència, té 6 protons al nucli. L’element més senzill és hidrogen (H) amb un protó i un electró (número atòmic 1, sense neutrons). Les substàncies pures també s’anomenen elements, per exemple, pures oxigen. No es poden dividir encara més mitjançant mètodes físics i químics senzills. Els elements poden ser sòlids, gasosos o més rarament líquids (estats d’agregació). Més de 94 elements es produeixen de forma natural i molts més s’han produït artificialment.

Composició dels elements

Els elements químics individuals estan formats per protons amb càrrega positiva, neutrons neutres i electrons amb càrrega negativa. El nucli de l'àtom està format per protons i neutrons que es denominen col·lectivament nucleons, i els electrons es troben a la capa atòmica (closca d'electrons).

  • Nucleons = protons + neutrons.

El nombre de protons i electrons és igual en els àtoms sense càrrega. Perquè els càrrecs equilibrar, els elements són elèctricament neutres a l'exterior. No obstant això, si renuncien a un electró, es carreguen positivament (cations). Si n'accepten un, es carreguen negativament (anions). Els àtoms carregats s’anomenen ions. Junts es formen sals. Els àtoms sovint es representen –també en aquest text– amb el model atòmic de Bohr obsolet, en què els electrons orbiten al voltant del nucli atòmic en òrbites definides, és a dir, com els planetes orbiten al voltant del sol. Avui en dia, el model orbital de mecànica quàntica s’utilitza generalment per representar electrons, en què els electrons tenen una probabilitat definida de residència a l’espai al voltant del nucli.

Isòtops

Els isòtops són àtoms que només difereixen pel nombre de neutrons i, per tant, per massa. Això passa amb el mateix nombre de protons. Per exemple, el deuteri (2H) és un isòtop de hidrogen (1H) amb un neutró. Perquè el massa és més gran, el deuteri (D) s’anomena pesat hidrogen i l’òxid de deuteri s’anomena pesat aigua (D2O). Entre els isòtops més coneguts hi ha els isòtops de l’urani, els nuclis dels quals són fissibles i s’utilitzen en centrals nuclears i per fabricar armes nuclears i sistemes de propulsió.

Origen dels elements

Els elements més simples, l’hidrogen (= 1) i l’heli (= 2), es van formar fa 13.8 milions d’anys durant el Big Bang poc després de la formació del nostre univers. L’hidrogen continua sent l’element més abundant del vast univers actual, seguit de l’heli. La majoria dels elements restants es van formar en estrelles per fusió nuclear o en una supernova, en estrelles moribundes. Alguns s’han format per la influència dels rajos còsmics (liti, beril·li, bor). Finalment, existeixen elements amb un nombre atòmic elevat, que van ser produïts artificialment per humans.

Exemples

La llista següent mostra una selecció d'elements. El símbol (element) es mostra entre parèntesis, per exemple C (carboni, des del lat. , carbó) per carboni. L'abreviatura té una o dues lletres.

  • L’hidrogen (H) és un component de aigua, conjuntament amb oxigen.
  • El carboni (C) és el bloc bàsic per a tota la vida a la terra.
  • Nitrogen (N) és el component més important de l'aire.
  • Oxigen (O) és essencial per a la producció d’energia al cos.
  • Sodi (Na) es troba a la sal de taula.
  • Magnesi (Mg) es troba a la clorofil·la (fulla verda).
  • Alumini (Al) es troba en paper d'alumini i carrosseries de cotxes.
  • Silici (Si) es troba en gairebé tots els minerals i roques de la terra.
  • Fòsfor (P) s’utilitza per a la producció de llumins.
  • Sofre (S) és alliberat pels volcans.
  • potassi (K) té un paper central en la funció de els nervis.
  • Calci (Ca) està contingut a ossos.
  • Ferro (Fe) és l’element més abundant al planeta Terra.
  • Mercury (Hg), a diferència d’altres metalls, és present com a líquid.
  • El níquel (Ni) s’utilitza per als aliatges metàl·lics.
  • plata (Ag) i or (Au) s’inclouen a les joies.

Massa i mida

Gairebé tots massa d'un àtom es troba al nucli. El volum, en canvi, està determinat per la closca d’electrons, perquè el nucli és molt petit. La massa dels àtoms ve donada pel símbol u o Da (daltons). u significa. Correspon a la massa de protons, neutrons i electrons. 1 u es dóna com una dotzena part de la massa de carboni-12 (12C) i és 1.660-10-24 g. La massa d’un protó i d’un neutró és d’aproximadament 1 u, que és una unitat de massa. Com que el carboni-12 conté 6 protons i 6 neutrons i els electrons tenen una massa molt petita (1/1836 d’un protó), la seva massa atòmica és d’uns 12 u (12.011 u). Aquest nombre s’anomena número de massa. Nombre de massa = nombre de protons + nombre de neutrons La massa molecular dels compostos químics es pot obtenir afegint les masses atòmiques dels àtoms dels quals es componen. Els àtoms són inimaginablement petits: el seu diàmetre oscil·la entre els 10-10 m (1 angstrom, 0.1 nm).

Compostos químics

Els elements químics es combinen molt fàcilment amb els mateixos o amb altres elements, purs o sense lligar poques vegades. Només els electrons de la capa atòmica són els responsables dels enllaços químics, els nuclis atòmics no estan implicats. Els compostos químics més importants són:

  • Organic molècules amb enllaços covalents.
  • Sals amb enllaços iònics
  • Metalls amb l’enllaç metàl·lic

La característica especial dels compostos químics és que les seves propietats són completament diferents de les dels elements que els componen. Per exemple, clorur de sodi està compost per sodi i ionitzat clor àtoms. Sodi com a element és un soft, plata-metall gris altament reactiu i clor existeix (a temperatura ambient) com a gas tòxic. Junts formen la sal de taula cristal·lina que consumim cada dia com a potenciador del sabor dels aliments. El mateix es pot il·lustrar amb l'exemple de aigua, que es forma a partir dels gasos hidrogen i oxigen de la reacció oxihidrogen.

Taula periòdica

La taula periòdica dels elements és una descripció pràctica i descriptiva de tots els elements, desenvolupada per primera vegada a la dècada de 1860. Comença per l’hidrogen (1) i s’ordena per ordre de nombre atòmic creixent. En presentar-los en períodes horitzontals i grups verticals, s’agrupen elements relacionats amb propietats químiques i físiques similars. Això inclou:

  • Metalls alcalins
  • Metalls alcalins terrestres
  • Metalls de transició
  • Lantànids
  • Actinoides
  • Metalls
  • Semi-metalls
  • No metalls
  • Halògens
  • Gasos nobles

Enllaç (versió en anglès): taula periòdica de la IUPAC amb descàrrega de PDF.

Indivisibilitat dels elements

Els elements es poden obtenir a partir de mescles sotmeses a diversos processos de separació química i física, com ara la combustió, el corrent elèctric o l’addició d’àcids. Al final, els processos comuns deixen enrere els elements purs. El terme àtom deriva del grec, que significa indivisible. De fet, els elements no són més divisibles pels mètodes químics habituals. Amb el descobriment de la radioactivitat i la desintegració radioactiva, però, s’ha demostrat que el terme és imprecís i que és possible l’anomenada fissió nuclear en elements amb un nombre atòmic inferior. Per contra, la fusió nuclear pot produir elements amb un nombre atòmic superior. Per exemple, el Sol forma heli a partir de l’hidrogen del nucli, que allibera l’energia i la calor que són la base de tota la vida a la Terra.

Estructura de l’ésser humà

Com es va esmentar al principi, els humans també estem formats pels elements coneguts. Els representants més importants són l’oxigen (O), el carboni (C), l’hidrogen (H), nitrogen (N), calci (Ca) i fòsfor (P). Aquests 6 elements junts representen més del 99% de la massa corporal. Altres minerals com potassi, magnesi i sodi, per exemple, així com nombrosos oligoelements com el crom, de ferro, fluor, seleni or de coure es contenen en una quantitat molt menor, però tenen funcions vitals.

Origen de la vida a la terra

Els elements de la terra s’originen, com ja s’ha dit, d’una banda a partir del big bang, que va tenir lloc fa uns 13.8 milions d’anys i amb el qual es van crear l’univers, l’espai i el temps. Els elements superiors es van formar principalment en actius i moribunds estrelles (supernoves). La terra té una edat d’uns 4.5 milions d’anys. La vida a la Terra ha sorgit espontàniament de la naturalesa inanimada fa potser 4 milions d’anys per la combinació d’elements en compostos químics orgànics. Aquestes reaccions s’han produït principalment a l’aigua, perquè les reaccions químiques tenen lloc de manera inadequada en sòlids o gasos. Estudis com l’experiment de Miller-Urey dels anys 1950 han demostrat que biomolècules com ara aminoàcids or àcids nucleics es poden formar a partir de compostos més senzills a la natura. La formació de polímers proliferants van ser fonamentals en la transició de la Terra inanimada a la Terra animada molècules a partir de monòmers. Aquests contenen la informació de la seqüència en la seva estructura. Es creu que va ser primer l'àcid ribonucleic (ARN), que va catalitzar la seva pròpia replicació. Un cop molècules autoreplicada, l’evolució va començar, cosa que va provocar una complexitat creixent, organismes unicel·lulars i pluricel·lulars, plantes, fongs, animals i, després d’un temps inimaginablement llarg, els humans.