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 94 leiduvad looduses, ülejäänud on saadud tehislikult. Esimesel 80 elemendil leidub vähemalt üks stabiilne isotoop, järgmistel on kõik isotoobid radioaktiivsed.

Element ja lihtaine

Lihtaine on keemiline aine, mis koosneb ainult ühe keemilise elemendi aatomitest.

Lihtaines võivad elemendi aatomid olla isoleeritud või moodustada mitmest ühesugusest aatomist koosnevad molekulid. Näiteks kloor ja fluor esinevad ainetena dikloor (Cl2) ja difluor (F2), mille igas molekulis on vastavalt kaks kloori aatomit ja kaks fluori aatomit.

Ühe ja sama keemilise elemendi esinemist eri lihtainetena nimetatakse allotroopiaks. Näiteks võib süsinik esineda nii grafiidi kui ka teemandi kujul.

Perioodilisussüsteem ja aatomnumber 

Kõige mugavam viis elementide loendi esitamiseks on Mendelejevi tabel, kus sarnaste keemiliste omadustega elemendid on kohakuti. Mendelejevi tabel põhineb keemiliste elementide perioodilisussüsteemil, mille 1869 esitas Dmitri Mendelejev (temast sõltumatult esitas selle Lothar Meyer).

Prootonite arvu aatomituumas nimetatakse elemendi aatomnumbriks. Näiteks kõik aatomid, mille tuumas on 6 prootonit, on keemilise elemendi süsiniku aatomid, ja kõik aatomid, mille tuumas on 92 prootonit, on uraani aatomid.

Perioodilisussüsteemis on elemendid esitatud aatommassi suurenemise järjekorras. See langeb kokku aatomnumbri suurenemise järjekorraga.

Isotoobid

Sama elemendi aatomid, mille tuumas on erinev arv neutroneid, kuuluvad selle elemendi erinevatele isotoopidele.

Elemendi aatomi mass
Elemendi aatomi (keskmine) mass on vesiniku aatomi massi ligikaudne kordne (erandiks on kloor). See tuleneb kahest asjaolust. Esiteks moodustab põhiosa aatomi massist prootonite ja neutronite mass, prooton ja neutron aga on ligikaudu võrdse massiga. Teiseks on looduses tavaliselt valdavas ülekaalus elemendi üks stabiilne isotoop, st kindla neutronite arvuga aatomid. Nii koosneb valdava osa vesinikuaatomite tuum ainult prootonist.

Kõrvalekalle täpsest kordsusest tuleneb järgmistest asjaoludest.
Esiteks ei ole prootoni ja neutroni mass täpselt võrdsed. 
Teiseks mõjutab elemendi keskmist massi vähemuses olevate isotoopide mass. Kloori puhul aga puudub ühe isotoobi ülekaal ning kloori aatomi keskmine mass moodustab ligikaudu 35,5 vesiniku aatomi keskmist massi.

Ühe elemendi isotoopide esinemissagedused on tavaliselt ühesugused, kuid plii puhul on need erinevad olenevalt sellest, kust plii on kaevandatud.

Väga täpsel mõõtmisel ilmneb massidefekt: seoseenergia tõttu on aatomituuma mass pisut väiksem kui seda moodustavate prootonite ja neutronite summaarne mass.

Nomenklatuur

Keemiliste elementide ametlikud nimetused otsustab Rahvusvaheline Puhta Keemia ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC), mis üldiselt aktsepteerib avastaja 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.

Keemilised ühendid  

Enamik elemente võib keemiliste reaktsioonide tulemusel moodustada keemilisi ühendeid (liitaineid). Liitaine koosneb kindla ehitusega molekulidest. Liitaine iga molekul sisaldab erinevate elementide aatomeid. See, milliste elementide aatomid millisel arvul molekuli kuuluvad, määrab liitaine keemilise koostise.

Liitained on näiteks vesi, soolad, oksiidid ja orgaanilised ühendid. Näiteks vesi H2O on ühend elementidest vesinik H (2 aatomit molekulis) ja hapnik O (1 aatom molekulis).

Eri elemendid võivad moodustada ka segu, näiteks sulami.

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.

Levik

Sisaldus maakoores
Elemendid on maakoores jaotunud väga ebaühtlaselt. Kaheksa kõige levinumat elementi moodustavad maakoores 95,48 massiprotsenti, 10 kõige levinumat 99,51 massiprotsenti, 20 kõige levinumat elementi 99,994 massiprotsenti. Nende hulka ei kuulu näiteks kuld, plaatina, seleen, hõbe, jood, elavhõbe, volfram, tina ja plii.

20 levinuma elemendi sisaldus maakoores on massiprotsentides järgmine:
hapnik 45,50%
räni 27,20%
alumiinium 8,30%
raud 6,20%
kaltsium 4,66%
magneesium 2,76%
naatrium 2,27%
kaalium 1,84%
titaan 0,63%
vesinik 0,15%
fosfor 0,112%
mangaan 0,106%
fluor 0,054%
baarium 0,039%
strontsium 0,038%
väävel 0,034%
süsinik 0,018%
tsirkoonium 0,016%
vanaadium 0,014%
kloor 0,013%

Ajalugu

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.

Vaata ka
Keemiliste elementide loend (nimetuste, sümbolite ja järjenumbrite järgi)
Keemiliste elementide avastamislugu
Keemiliste elementide perioodilisussüsteem
Keemiliste elementide levik
Keemilise elemendi esinemissagedus
Väljamõeldud keemilised elemendid
Isikute järgi nimetatud keemilised elemendid
Kohtade järgi nimetatud keemilised elemendid
Vaidlused keemilistele elementidele nime andmisel
Keemiliste elementide süstemaatilised nimetused
Nebuulium
Flogiston
Elektronegatiivsus

Märkused

Kirjandus
Erwin Riedel, Christoph Janiak. Anorganische Chemie, 7. trükk, 2007, lk 1–2, 6–9, 25–27, 58–63, 377. Google'i raamat

Välislingid

Videod iga keemilise elemendi kohta

Füüsika