Keemiline element

Keemiline element ehk element on aatomituumas sama arvu prootoneid omavate (ehk sama aatomnumbriga) aatomite klass.
Teise definitsiooni järgi on keemiline element sama aatomnumbriga aatomite kogum.
Kolmanda definitsiooni järgi on keemiline element aine, milles esinevad ainult ühe ja sama aatomnumbriga aatomid.
Need kolm definitsiooni vastavad küll lähedastele, kuid erinevatele mõistetele. Mitme definitsiooni olemasolu tuleneb väljendi "keemiline element" erinevatest kasutusviisidest.
Klassikalise definitsiooni järgi on keemiliseks  elemendiks nimetatud ainet, mida ei saa  keemiliste (varasemas sõnastuses: ja ka füüsikaliste) meetodite abil lihtsamateks aineteks lahutada.
Klassikaline definitsioon on instrumentaalne ega eelda keemilise elemendi olemuse tundmist. Kui avastati, et erinevate elementide olemasolu tuleneb aatomite aatomnumbrite erinevusest ning see omakorda prootonite erinevast arvust aatomituumas, siis osutus, et klassikalise definitsiooni tagapõhjaks on asjaolu, et keemilised ained koosnevad aatomitest, mille aatomnumber keemiliste reaktsioonide ega muude tavaliste muundumisprotsesside käigus ei muutu. Aatomnumber muutub ainult tuumareaktsioonides.
Eri keemiliste elementide olemasolu tuleneb sellest, et ainete keemilised omadused olenevad põhiliselt nende molekulide koosseisus olevate aatomite aatomnumbrist.
On teada 118 keemilist elementi. Neist 92 leiduvad looduses, ülejäänud on saadud tehislikult. Esimesel 80 elemendil leidub vähemalt üks stabiilne isotoop, järgmistel on kõik isotoobid radioaktiivsed.

Nomenklatuur

Keemiliste elementide ametlikud nimetused otsustab Rahvusvaheline Puhta Keemia ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC), mis üldiselt aktsepteerib avastaja poolt valitud nime. See võib tekitada vaidluse selle üle, milline uurimisrühm elemendi tegelikult avastas. Elementide puhul järjenumbriga alates 104-st on nimetuste andmine seetõttu veninud.
Elementidele antakse ka kindel keemiline sümbol, mis põhineb elemendi ladinakeelsel nimetusel. Keemilised sümbolid võimaldavad keemikute suhtlemist hoolimata keelte erinevustest. Näiteks süsiniku sümbol on C ja naatriumi sümbol on Na. Keemiline sümbol kirjutatakse alati suure algustähega, elemendi eestikeelne nimetus väikese algustähega (kui ta just ei esine lause alguses). Ladinakeelne elemendi nimetus kirjutatakse alati suure algustähega.

Elementide päritolu

Juba Suure Paugu ajal tekkisid kerged elemendid vesinik (75%) ja heelium (umbes 25%) ning väikeses koguses liitiumi ja berülliumi.
Keskmise raskusega elemendid tekivad Universumis tähtedes toimuvate tuumareaktsioonide (enamasti tuumasünteesi) tulemusel. Tähtedes on olemas vesinik, mille aatommass on umbes 1,0 (üks prooton). Peajada tähtedes, mille hulka kuulub ka Päike, ühinevad vesinikutuumad kõrgel temperatuuril (mitu miljonit kraadi) ja kõrgel rõhul heeliumituumadeks (aatommass umbes 4,0). See ühinemine läbib mitu vaheastet. Saadav kahest prootonist ja kahest neutronist koosnev heeliumituum on pisut kergem kui neli prootonit kokku. Masside vahe läheb väljuva gammakiirguse arvele.
Sarnane tuumasüntees, kus kergemad aatomituumad ühinevad raskemateks, jõuab enamikus tähtedes välja süsinikutuumade moodustumiseni, suurema massiga tähtedes rauatuumadeni.
Eralduv energia jääb seejuures aina väiksemaks. Raua-aatomi tuum on kõige tihedamini kokku pakitud. Raskemate tuumade moodustumiseks vajaliku tuumasünteesi puhul energia enam ei vabane, vaid reaktsioon nõuab ise energiat. Tähed säilivad seni, kui tuumasünteesist energiat vabaneb. Kui sünteesimaterjal on otsas, siis täht kustub.
Rauast raskemad elemendid tekivad tähtedes nende eluaja lõpul. Aatomituumad võtavad vastu neutroneid, mis seejärel muutuvad prootoniteks. See toimub kas s-protsessis (väiksema massiga tähtedes) või r-protsessis (suurema massiga tähtedes supernoova staadiumis).
Eluaja lõpul kaotab täht suurel hulgal materjali (aeglaselt päikesetuulena või plahvatuslikult supernoovas). Nii satuvad tähes tekkinud elemendid tähtedevahelisse keskkonda. Seetõttu on nooremates tähesüsteemides juba algusest peale vähesel hulgal raskemaid elemente, mis võivad moodustada näiteks planeete, nagu meie Päikesesüsteemis.

Mõistelugu

Keemilise elemendi mõiste hakkas tekkima 17. sajandil, kui sai üha selgemaks, et alkeemia elemendimõiste ei sobi keemiliste ainete ja keemiliste reaktsioonide teaduslikuks selgitamiseks. Mõõduandva sammu astus  Étienne de Clave, kes 1641 andis definitsiooni, mille järgi elemendid on "lihtsad ained, millest segatud ained koosnevad ja milleks segatud aineid saab lõpuks jälle lahutada." Robert Boyle avaldas 1661 raamatu "The Sceptical Chymist", mis esitas alkeemia puuduste mõjuka kriitika. Seal leidis ta, et keemiliste elementide all tuleks mõista neid primitiivseid aineid, "mis ei ole tekkinud ei teistest substantsidest ega üksteisest, vaid moodustavad koostisosad, millest segatud ained koosnevad." Mõlemad uurijad vastandusid ühest küljest valitsevale alkeemikute nelja elemendi õpetusele, mis püüdis kõiki aineid seletada tule, vee, õhu ja maa erinevate segudena ja tegid elemendi mõiste üldse lähemale eksperimentaalsele uurimisele kättesaadavaks. Teiselt poolt jäid nad alkeemia kütkeisse, sest nad oletasid, et need elemendid ei saa tegelikkuses eraldi esineda, vaid iga reaalne aine on kõikide elementide segu. Boyle kahtles, kas niisuguseid elemente on  üldse olemas. Täiesti tollal tekkiva klassikalise mehaanika vaimus oletas ta, et ühelaadsena paistvad ained koosnevad ühelaadsetest osakestest, mis omakorda koosnevad iga aine puhul täpselt määratletud viisil kõige väiksematest korpusklitest. Ainete ja reaktsioonide mitmekesisust seletas ta arvutute võimalike viisidega, kuidas korpusklid saavad liituda iga aine jaoks iseloomulikeks osakesteks. Korpusklite ümberpaiknemise tagajärjena  pidas ta võimalikuks ka alkeemias taotletud transmutatsiooni, st ühe elemendi (näiteks plii) muundumist teiseks (näiteks kullaks).
Siiski rajas Boyle sellega teed Antoine Laurent de Lavoisier'le, kes heitis küll korpusklid kõrvale kui metafüüsilise idee, kuid iseloomustas 1789 keemilisi elemente sellega, et neid ei saa lahutada teisteks substantsideks. Täpsemalt: kõiki aineid tuleks pidada elementaarseteks, st mitteliitseteks, kuni pole leitud meetodit eraldi koostisosade edasiseks eraldamiseks.
Selle derfinitsiooni toel panid Lavoisier' erakordselt täpsed vaatlused ainete keemiliste ja füüsikaliste muundumiste kohta aluse tänapäeva keemiale. Eriti tähtis on tema avastatud massi jäävuse seadus, mille järgi ainete kõigi muundumiste puhul kogumass säilib, ning puhaste elementide vahelisteks reaktsioonideks vajalikud täpsed massiproportsioonid, mille ta kindlaks tegi. John Dalton formuleeris selle põhjal kordsete suhete seaduse, mida ta 1803 teaduslikult põhjendas oletusega, et eksisteerivad aatomid, muutumatud ja hävimatud vähimad aineosakesed. Daltoni järgi on element defineeritud teatud ühelaadsete aatomite liigiga, kusjuures aatomid liituvad teiste aatomitega kindlate reeglite järgi. Elementide erinevat käitumist seletab see, et nende aatomiliigid erinevad omavahel massi, suuruse ja ühinemisvõimaluste poolest. Nii tekkis ka võimalus määrata eri elementide aatommassi (vähemalt eri elementide aatommasside suhet), millega aatomitest said esimest korda eksperimentaalse loodusteaduse objektid.
Daltoni lähenemine osutus keemiliste reaktsioonide ja keemiliste ühendite tõlgendamisel erakordselt edukaks. Sellepärast säilitati tema elemendi ja aatomi definitsioon ka siis, kui oletus, et aatomid on muutumatud (eeskätt jagamatud) lõplikult ümber lükati, vaadeldes 1896 avastatud radioaktiivseid elemente: aastal 1902 seletas Ernest Rutherford radioaktiivseid lagunemisridasid aatomite lõhustumiste ja edasiste elementide muundumiste tagajärjena. Aastal 1910 avastas Frederick Soddy, et ühe ja sellesama radioaktiivse elemendi aatomid võivad eri lagunemisridades esineda erineva massiga (isotoopia). Alates 1920. aastast leiti sellised nähtused ka teiste elementide puhul.
20. sajandi esimesel poolel selgus, et aatomi keemilise käitumise määrab valdavalt aatomi elektronkate, millel on negatiivne elektrilaeng. Seetõttu lähtub tänapäevane keemilise elemendi mõiste aatomituuma elektrilaengust, mille määrab tuumas leiduvate prootonite arv. Viimast nimetatakse aatomi või elemendi aatomnumbriks.