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" eri 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 eri 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 eelkõige nende molekulides olevate aatomite aatomnumbrist.
On teada 118 keemilist elementi. Neist 94 leiduvad looduses, ülejäänud on saadud tehislikult. Esimesel 80 elemendil on 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 süsinik võib esineda nii grafiidi kui ka teemandi kujul.
Perioodilisussüsteem ja aatomnumber.
Kõige mugavam elementide reastamise viis on Mendelejevi tabel, kus sarnaste keemiliste omadustega elemendid on kohakuti. Mendelejevi tabel põhineb keemiliste elementide perioodilisussüsteemil, mille 1869 esitas Dmitri Mendelejev (tema tööst sõltumata esitas selle ka Lothar Meyer).
Prootonite arvu aatomituumas nimetatakse elemendi aatomnumbriks. Näiteks kõik aatomid, mille tuumas on kuus prootonit, on 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.
Keemilise elemendi isotoopide aatomituumades on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid.
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 vesiniku aatomi massi täpsest kordsest tuleneb järgmistest asjaoludest.
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.
Keemilise elemendi ametliku nimetuse määrab Rahvusvaheline Puhta Keemia ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC), mis üldiselt aktsepteerib avastaja valitud nime. See võib tekitada vaidluse selle üle, mis uurimisrühm on tegelikult elemendi avastanud. Elementidele järjenumbriga alates 104 on nimetuse andmine seetõttu veninud.
Elemendile antakse ka kindel keemiline sümbol, mis põhineb elemendi ladinakeelsel nimetusel. Näiteks süsiniku "(Carbonium)" sümbol on C ja naatriumi "(Natrium)" sümbol on Na. Keemilised sümbolid lihtsustavad keemikute suhtlust. Keemiline sümbol kirjutatakse alati suure algustähega, elemendi eestikeelne nimetus väikese algustähega (kui ta just ei ole lause alguses). Elemendi ladinakeelne 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 eri elementide aatomeid. Liitaine keemilise koostise määravad aine molekulis olevate elementide aatomid ja nende arv.
Näiteks vesi (H2O) on liitaine, mille molekulis on kaks vesiniku (H) aatomit ja üks hapniku (O) aatom. Liitained on veel näiteks soolad, oksiidid ja orgaanilised ühendid.
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 ise nõuab 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:
Sisaldus rakkudes.
Organismides leiduvad samasugused keemilised elemendid nagu eluta looduseski. See on ka mõistetav, kui eeldada, et elu on tekkinud ja arenenud Maal. Eri tüüpi rakkude keemiline sisaldus on üldiselt ühesugune (vaata tabelit allpool). Kõige rohkem on rakkudes hapnikku, süsinikku ja vesinikku. Need keemilised elemendid kuuluvad kõigi orgaaniliste ühendite koostisse. Mõnevõrra vähem on rakkudes lämmastikku, fosforit ja väävlit, sest need esinevad peamiselt valkude ja nukleiinhapete molekulides. Kõik need kuus elementi (hapnik, süsinik, vesinik, lämmastik, fosfor ja väävel) moodustavad kokku üle 98% raku keemiliste elementide kogumassist. Kuna organismid vajavad neid elemente suhteliselt suurtes kogustes, siis nimetatakse neid makroelementideks. Kümnendik- ja sajandikprotsentides on rakkudes kaalium, tsink, vask, jood, fluor ja teised. Kokku on organismides avastatud 16 sellist keemilist elementi, mis esinevad väga väikestes kogustes, kuid on siiski hädavajalikud enamiku organismide elutegevuseks. Neid nimetatakse mikroelementideks.
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.