Periodická tabulka chemických prvků
Chemický prvek nebo prvek je typ atomu, který se odlišuje svým atomovým číslem, tedy počtem protonů v jeho jádře. Tento termín se používá také pro označení čisté chemické látky složené z atomů se stejným počtem protonů.
Běžnými příklady prvků jsou vodík, uhlík, dusík a kyslík. Celkem bylo k roku 2007 pozorováno 117 prvků, z nichž 94 se přirozeně vyskytuje na Zemi. Prvky s atomovým číslem větším než 82 (bismut a výše) jsou ze své podstaty nestabilní a procházejí radioaktivním rozpadem. Z prvních 82 prvků má 80 stabilních izotopů. Prvky 43 a 61 (technecium a promethium) nemají stabilní izotopy a rozpadají se. Prvky od 83 do atomového čísla 94, které nemají stabilní jádra, se nicméně v přírodě vyskytují, buď přežívají jako zbytky prvotní hvězdné nukleosyntézy, která produkovala prvky ve sluneční soustavě, nebo jako novější krátkověké dceřiné izotopy při přirozeném rozpadu uranu a thoria.
Veškerá chemická hmota se skládá z těchto prvků. Čas od času se objevují nové prvky s vyšším atomovým číslem jako produkty umělých jaderných reakcí.
Prvky zájmu psychologů
Termín ‚prvky‘ (stoicheia) poprvé použil řecký filozof Platón okolo roku 360 př. n. l. ve svém dialogu Timaeus, který zahrnuje diskusi o složení anorganických a organických těles a je základním pojednáním o chemii. Platón předpokládal, že nepatrná částice každého prvku odpovídá jednomu z pravidelných mnohostěnů: čtyřstěnu (oheň), osmistěnu (vzduch), dvacetistěnu (voda) a krychli (země).
Přidáme-li ke čtyřem prvkům řeckého filozofa Empedokla, asi v roce 350 př. n. l. použil Aristoteles také termín „prvek“ a pojal pátý prvek zvaný „kvintesence“, který tvořil nebesa. Aristoteles definoval prvek jako:
V roce 1524 přijal švýcarský chemik Paracelsus Aristotelovu teorii čtyř prvků, ale zdůvodnil to tím, že se objevují v tělesech jako Geberovy tři principy. Paracelsus tyto principy považoval za zásadní a zdůvodnil je odkazem na popis toho, jak hoří dřevo v ohni. Rtuť obsahovala soudržný princip, takže když zůstala v kouři, dřevo se rozpadlo. Kouř představoval těkavost (rtuťový princip), teplonosné plameny představovaly hořlavost (síru) a zbytkový popel představoval pevnost (sůl).
V roce 1669 vydal německý lékař a chemik Johann Becher knihu Physica Subterranea. V modifikaci Paracelsových myšlenek tvrdil, že složkami těles jsou vzduch, voda a tři druhy zeminy: terra fluida, rtuťový prvek, který přispívá k plynulosti a těkavosti; terra lapida, tuhnoucí prvek, který vytváří tavitelnost nebo vázací kvalitu; a terra pinguis, tukový prvek, který dává hmotné látce její mastné a hořlavé vlastnosti. Tyto tři zeminy odpovídají Geberovým třem principům. Kus dřeva se například podle Bechera skládá z popela a terra pinguis; když se dřevo spálí, uvolní se terra pinguis a popel zůstane. Jinými slovy, při spalování se tuková zemina spálí.
V roce 1661 Robert Boyle ukázal, že existují více než jen čtyři klasické prvky, jak předpokládali staří. První moderní seznam chemických prvků byl uveden v díle Antoina Lavoisiera Základy chemie z roku 1789, který obsahoval třiatřicet prvků včetně lehkých a kalorických. V roce 1818 Jöns Jakob Berzelius určil atomovou hmotnost pro pětačtyřicet z devětačtyřiceti přijatých prvků. Dmitrij Mendělejev měl šestašedesát prvků ve své periodické tabulce z roku 1869, viz níže.
Mendělejevova periodická tabulka z roku 1869
Od Boylea až do počátku 20. století byl prvek definován jako čistá látka, kterou nelze rozložit na žádnou jednodušší látku. Jinak řečeno, chemický prvek nemůže být chemickými procesy přeměněn na jiné chemické prvky. V roce 1913 Henry Moseley zjistil, že fyzikálním základem atomového čísla atomu je jeho jaderný náboj, což nakonec vedlo k současné definici. Současná definice se také vyhýbá určitým nejasnostem kvůli izotopům a alotropům.
Do roku 1919 bylo známo sedmdesát dva prvků. V roce 1955 byl objeven prvek 101, který byl pojmenován mendelevium na počest Mendělejeva, prvního, který uspořádal prvky periodicky. V říjnu 2006 byla ohlášena syntéza prvku 118, avšak prvek 117 nebyl dosud v laboratoři vytvořen.
Nejlehčí prvky jsou vodík a hélium, oba vytvořené nukleosyntézou Velkého třesku během prvních 20 minut vesmíru v poměru kolem 3:1 hmotnosti (přibližně 12:1 počtu atomů). Téměř všechny ostatní prvky nalezené v přírodě, včetně některých dalších vodíků a hélia vytvořených od té doby, byly vytvořeny různými přírodními nebo (občas) umělými metodami nukleosyntézy, včetně příležitostně činnostmi, jako je jaderné štěpení.
Zbývajících 22 prvků, které se nenacházejí na Zemi ani v astronomických spektrech, bylo odvozeno uměle. Všechny prvky, které jsou odvozeny výhradně umělými prostředky, jsou radioaktivní s velmi krátkým poločasem rozpadu; pokud byly některé atomy těchto prvků přítomny při formování Země, je velmi pravděpodobné, že se již rozpadly, a pokud jsou přítomny v novách, byly v množstvích příliš malých, než aby byly zaznamenány. Technecium byl první údajně nepřirozeně se vyskytující prvek, který byl syntetizován, v roce 1937, i když stopová množství technecia byla od té doby nalezena v přírodě a prvek mohl být objeven přirozeně v roce 1925. Tento vzorec umělé výroby a pozdějšího přírodního objevu se opakoval s několika dalšími radioaktivními přirozeně se vyskytujícími stopovými prvky.
K dispozici jsou seznamy prvků podle názvu, symbolu, atomového čísla, hustoty, bodu tání a bodu varu a také Ionizační energie prvků. Nejvhodnější prezentace prvků je v periodické tabulce, která seskupuje prvky s podobnými chemickými vlastnostmi dohromady.
Atomové číslo prvku, Z, se rovná počtu protonů, který prvek definuje. Například všechny atomy uhlíku obsahují ve svém jádru 6 protonů; takže atomové číslo uhlíku „Z“ je 6. Atomy uhlíku mohou mít různý počet neutronů, které jsou známé jako izotopy prvku.
Počet protonů v atomovém jádru také určuje jeho elektrický náboj, který zase určuje elektrony atomu v jeho neionizovaném stavu. To zase (pomocí Pauliho vylučovacího principu) určuje různé chemické vlastnosti atomu. Takže například všechny atomy uhlíku mají nakonec stejné chemické vlastnosti, protože všechny mají stejný počet protonů ve svém jádru, a proto mají stejné atomové číslo. Z tohoto důvodu je atomové číslo spíše než hmotnostní číslo (nebo atomová hmotnost) považováno za identifikační vlastnost prvku.
Hmotnostní číslo prvku A je počet nukleonů (protonů a neutronů) v atomovém jádru. Různé izotopy daného prvku se odlišují jejich hmotnostními čísly, která se konvenčně píší jako superindex na levé straně atomového symbolu (např. 238U).
Relativní atomová hmotnost prvku je průměrem atomových hmotností všech izotopů chemického prvku, které se nacházejí v určitém prostředí, vážených množstvím izotopů, v poměru k atomové hmotnostní jednotce (u). Toto číslo může být zlomkem, který se vzhledem k procesu průměrování neblíží celému číslu. Na druhou stranu atomová hmotnost čistého izotopu je poměrně blízká jeho hmotnostnímu číslu. Zatímco hmotnostní číslo je přirozené (nebo celé) číslo, atomová hmotnost jednoho izotopu je reálné číslo, které se blíží přirozenému číslu. Obecně se od hmotnostního čísla mírně liší, protože hmotnost protonů a neutronů není přesně 1 u, elektrony také mírně přispívají k atomové hmotnosti a kvůli jaderné vazebné energii. Například hmotnost 19F je 18,9984032 u. Jedinou výjimkou, že atomová hmotnost izotopu není přirozeným číslem, je 12C, který má hmotnost přesně 12, vzhledem k definici u (je pevně stanovena jako 1/12 hmotnosti volného atomu uhlíku-12, přesně).
Izotopy jsou atomy stejného prvku (tedy se stejným počtem protonů v jejich atomovém jádru), ale mají různý počet neutronů. Většina přirozeně se vyskytujících prvků má více než jeden izotop. Tak například existují tři hlavní izotopy uhlíku. Všechny atomy uhlíku mají v jádru 6 protonů, ale mohou mít buď 6, 7, nebo 8 neutronů. Vzhledem k tomu, že jejich hmotnostní čísla jsou 12, 13 a 14, jsou tyto tři izotopy uhlíku známé jako uhlík-12, uhlík-13 a uhlík-14, často zkracované na 12C, 13C a 14C. Uhlík v běžném životě a v chemii je směsí atomů 12C, 13C a 14C.
Všechny tři izotopy uhlíku mají stejné chemické vlastnosti. Mají ale odlišné jaderné vlastnosti. V tomto příkladu jsou uhlík-12 a uhlík-13 stabilní atomy, ale uhlík-14 je nestabilní; je mírně radioaktivní a v průběhu času se rozpadá na jiné prvky.
Některé prvky lze nalézt jako více elementárních látek, známých jako alotropy, které se liší svou strukturou a vlastnostmi. Například uhlík lze nalézt jako diamant, který má čtyřstěnnou strukturu kolem každého atomu uhlíku; grafit, který má vrstvy atomů uhlíku s šestiúhelníkovou strukturou, a fullereny, které mají téměř kulovité tvary. Schopnost prvku existovat v jedné z mnoha strukturních forem je známa jako „alotropie“.
Standardní stav nebo referenční stav prvku je definován jako jeho termodynamicky nejstabilnější stav při 1 baru při dané teplotě (typicky při 298,15 K). V termochemii je prvek definován tak, že má ve svém standardním stavu entalpii vzniku nula. Například referenční stav pro uhlík je grafit, protože je stabilnější než ostatní alotropy.
Pojmenování prvků předchází atomové teorii hmoty, i když v té době nebylo známo, které chemikálie jsou prvky a které sloučeniny. Když se to naučili, existující názvy (např. zlato, rtuť, železo) se zachovaly ve většině zemí a národní rozdíly se objevily nad názvy prvků buď pro pohodlnost, jazykové drobnosti nebo nacionalismus. Například Němci používají „Wasserstoff“ pro „vodík“ a „Sauerstoff“ pro „kyslík“, zatímco anglické a některé romantické jazyky používají „sodík“ pro „natrium“ a „draslík“ pro „kalium“, a Francouzi, Řekové a Poláci preferují „azot/azot“ pro „dusík“.
Pro mezinárodní obchod však o oficiálních názvech chemických prvků starých i nedávných rozhoduje Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii, která se rozhodla pro jakýsi mezinárodní anglický jazyk. Tato organizace nedávno předepsala, že „aluminium“ a „caesium“ nahradí americké hlásky „aluminum“ a „cesium“, zatímco americká „sulfur“ nahradí britskou „sulphur“. Chemikálie, které je prakticky možné prodávat ve velkém v mnoha zemích, však stále mají národní názvy a u těch, které nepoužívají latinskou abecedu, nelze očekávat, že budou používat název podle IUPAC. Podle IUPAC není celý název prvku psán velkými písmeny, i když je odvozen od vlastního podstatného jména, jako jsou prvky californium nebo einsteinium (pokud by nebyl psán velkými písmeny podle nějakého jiného pravidla). Izotopy chemických prvků jsou také nekapitalizovány, pokud jsou vypsány: uhlík-12 nebo uran-235.
Ve druhé polovině dvacátého století fyzikální laboratoře začaly být schopny produkovat jádra chemických prvků, které mají poločas rozpadu příliš krátký na to, aby zůstaly ve znatelném množství. Ty jsou také pojmenovány IUPAC, který obecně přijímá název zvolený objevitelem. To může vést ke kontroverzní otázce, která výzkumná skupina skutečně objevila prvek, otázka, která oddálila pojmenování prvků s atomovým číslem 104 a vyšším na značnou dobu. (Viz pojmenování prvků kontroverze).
Předchůdci takových kontroverzí se týkaly nacionalistického pojmenování prvků na konci devatenáctého století. Například lutecium bylo pojmenováno v odkazu na Paříž ve Francii. Němci se zdráhali vzdát práva na pojmenování ve prospěch Francouzů, často ho nazývali cassiopeium. Britský objevitel niobu ho původně pojmenoval columbium, v odkazu na Nový svět. Jako takový byl hojně používán americkými publikacemi před mezinárodní standardizací.
Specifické chemické prvky
Než se chemie stala vědou, alchymisté navrhovali tajemné symboly jak pro kovy, tak pro běžné sloučeniny. Ty se však používaly jako zkratky v diagramech nebo postupech; neexistoval žádný koncept atomů, které by se slučovaly za vzniku molekul. Se svými pokroky v atomové teorii hmoty John Dalton vymyslel své vlastní jednodušší symboly, založené na kruzích, které měly být použity k zobrazení molekul.
Současný systém chemické notace vynalezl Berzelius. V tomto typografickém systému se chemické symboly nepoužívají jako pouhé zkratky – ačkoliv každá z nich se skládá z písmen latinské abecedy – jsou to symboly určené k použití národy všech jazyků a abeced. První z těchto symbolů měly být zcela univerzální; jelikož latina byla v té době běžným jazykem vědy, byly to zkratky založené na latinských názvech kovů – Fe pochází z Ferrum, Ag z Argentum. Po symbolech nenásledovala tečka (tečka), jak tomu bylo u zkratek. Pozdějším chemickým prvkům byly také přiřazeny jedinečné chemické symboly, založené na názvu prvku, ale ne nutně v angličtině. Například sodík má chemický symbol „Na“ po latinském natrium. Totéž platí pro „W“ (wolfram) pro wolfram, „Hg“ (hydrargyrum) pro rtuť, „K“ (kalium) pro draslík, „Au“ (aurum) pro zlato, „Pb“ (plumbum) pro olovo a „Sb“ (stibium) pro antimon.
Chemické symboly jsou mezinárodně chápány tehdy, když je třeba přeložit názvy prvků. Někdy existují rozdíly; například Němci používali pro jód „J“ místo „I“, takže znak by nebyl zaměňován s římskou číslicí.
První písmeno chemického symbolu je vždy velké, jako v předchozích příkladech, a další písmena, pokud existují, jsou vždy malá (malá písmena).
Existují také symboly pro řady chemických prvků, pro srovnávací vzorce. Jedná se o jedno velké písmeno na délku a písmena jsou vyhrazena, takže nejsou povolena pro názvy specifických prvků. Například „X“ se používá k označení proměnné skupiny mezi třídou sloučenin (i když obvykle halogen), zatímco „R“ se používá pro radikál, což znamená strukturu sloučeniny, jako je uhlovodíkový řetězec. Písmeno „Q“ je vyhrazeno pro „teplo“ v chemické reakci. „Y“ se také často používá jako obecný chemický symbol, i když je také symbolem yttria. „Z“ se také často používá jako obecná proměnná skupina. „L“ se používá k reprezentaci obecného ligandu v anorganické a organokovové chemii. „M“ se také často používá místo obecného kovu.
Tři hlavní izotopy prvku vodík jsou často psány jako H pro protium, D pro deuterium a T pro tritium. To je proto, aby bylo snazší je používat v chemických rovnicích, protože to nahrazuje potřebu psát hmotnostní číslo pro každý atom. Je to psáno takto:
Místo psaní to takhle:
Během raných fází Velkého třesku vedla nukleosyntéza vodíkových jader k produkci izotopů vodíku a hélia, stejně jako k velmi nepatrnému množství (řádově 10-10) lithia a beryllia. Existují dohady o tom, zda při Velkém třesku vznikl či nevznikl nějaký bor, jak bylo pozorováno u některých velmi mladých hvězd, ale nevznikly žádné těžší prvky než bor. Výsledkem bylo, že prvotní hojnost atomů se skládala ze zhruba 75% 1H, 25% 4He a 0,01% deuteria. Následné obohacení galaktických halos nastalo v důsledku Stelární nukleosyntézy a Supernovy nukleosyntézy. Nicméně mezigalaktický prostor se může stále velmi podobat prvotnímu hojnosti, pokud nebyl nějakým způsobem obohacen.
Následující tabulka ukazuje deset nejběžnějších prvků v naší galaxii (odhadem spektroskopicky), měřeno v částicích na milion, podle hmotnosti. Blízké galaxie, které se vyvíjely podobným způsobem, mají odpovídající obohacení prvky těžšími než vodík a hélium. Na vzdálenější galaxie se pohlíží tak, jak se objevovaly v minulosti, takže jejich množství prvků se zdá být blíže prvotní směsi. Protože se fyzikální zákony a procesy zdají být běžné v celém viditelném vesmíru, očekává se však, že i u těchto galaxií se vyvine podobné množství prvků.