Keemiline element on aine, mis sisaldab ainult ühte tüüpi aatomit. Kui aine sisaldab rohkem kui ühte tüüpi aatomit, on tegemist ühendiga. Element võib olla tahke, vedel või gaasiline. Sellise elemendi väikseim osake on aatom. Aatomid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest.
See tähendab, et ühe elementi moodustavad aatomid on üksteisega keemiliselt ühesuguse tuumakoostisega (v.a isotoobid), kuid need võivad erineda elektronide paigutuse ja tuuma neutroonide arvu poolest. Elementide omadused sõltuvad nii tuuma ehitusest kui ka elektronide paigutusest aatomi ümber.
Aatom ja selle osakesed
Aatom koosneb tuumast ja tuuma ümber liikuvaid elektronite pilvedest (orbitaalidest). Tuumas asuvad positiivselt laetud prootonid ja neutraalsed neutronid. Prootonite arv tuumas määrab elemendi identiteedi ja selle aatominumbri (vt allpool). Elektronid mõjutavad aatomi keemilist käitumist ja osalevad keemilistes sidemetes.
Aatominumber, aatommass ja isotoobid
Iga element sisaldab ainult ühte liiki aatomi. Aatomi prootonite arvu nimetatakse aatominumbriks. Näiteks kõik aatomid, millel on 6 prootonit, kuuluvad keemilisse elementi süsinik ja kõik aatomid, millel on 92 prootonit, kuuluvad elementi uraan.
Lisaks prootonitele võib sama elemendi aatomites olla erinev arv neutronid — selliseid variatsioone nimetatakse isotoopideks. Isotoobidel on sama aatominumber, kuid erinev suhteline mass. Mõned isotoobid on stabiilsed, teised radioaktiivsed ja lagunevad aja jooksul, andes teatud poolestusaega ning kiiri (radioaktiivse lagunemise juhtumid).
Ioonid ja elektriline laeng
Prootonite arv tuumas põhjustab selle elektrilise laengu. See määrab elektronide arvu selle normaalses (liidetud) olekus. Kui aatom kaotab või võtab elektrone, muutub see laetuks osakeseks ehk iooniks. Positiivsed ioonid (katioonid) tekivad elektronide kaotamisel, negatiivsed ioonid (anioonid) elektronide võtmise teel.
Elektronid, orbitaalid ja keemilised omadused
Aatomi orbitaalidel olevad elektronid määravad aatomi erinevad keemilised omadused. Väliskihi elektronide arv ja nende paigutus mõjutavad, kuidas element reageerib teiste aatomitega — kas element kipub andma või võtmaks elektrone, milliseid sidemeid ta loob ja milline on tema reaktsioonivõime.
Perioodilisustabel ja keemiliste omaduste kordumine
Elemendid on kõikide ainete põhilised ehitusplokid. Kui nad omavahel kombineeruvad, võivad nad moodustada molekule. Keemilised elemendid on tavaliselt paigutatud perioodilisustabelisse. See, kus elemendid on tabelis, annab meile teavet nende omaduste kohta teiste elementide suhtes.
Perioodilisustabel on üles ehitatud ridadeks (perioodid) ja veergudeks (grupid). Sarnaste keemiliste omadustega elemendid asuvad sama grupi all. Tabeli paigutus peegeldab elektronide orbitaalide täitumist ja võimaldab ennustada elementide keemilist käitumist. Peamised rühmad ja alarühmad on:
- alkalimetallid (eriti reactive esimeses grupis),
- maa-alkalimetallid,
- üleminekuemetallid (transition metals),
- halogeenid (aktiivsed mittemetallid),
- noblesed gaasid (väga inertsed),
- lanthanoidid ja actinoidid (sisemised reasid tabeli all).
Perioodilisi trende on mitmeid: aatomiraadius, ionisatsioonienergia, elektronide afiinsus ja elektronegatiivsus muutuvad tabelis teatud viisil, mis aitab seletada elementide reaktiivsust ja sidemete loomist.
Looduslikud, sünteetilised ja avastuste ajalugu
Kaasaegne keemia tunneb 118 erinevat keemilist elementi. Neist 92 elementi leidub looduses ja ülejäänud saab valmistada ainult laboratooriumides. Esimesteks kunstlikeks elementideks loetakse neid, mis on saadud tuumreaktsioonide teel. Esimene inimtekkeline element oli 1937. aastal teketeetium.
Mendelejev ja teised teadlased aitasid 19. sajandil välja töötada perioodise süsteemi — põhimõtte, mille alusel elemendid järjestatakse korduvate keemiliste omaduste järgi. See võimaldas ka ennustada seni avastamata elementide omadusi ja massiarve.
Elementide roll elus ja igapäevaelus
Inimkeha koosneb 26 elemendist. Neist kõige enam on hapnikku, süsinikku, vesinikku ja lämmastikku — need moodustavad suure osa biomolekulidest. Teised olulised elemendid on kaltsium (luud), fosfor (DNA, rakkude energia), raud (hemoglobiin) ja kaalium/naatrium (raku elektriline tasakaal).
Elemendid ja nende ühendid on igal pool: ehitusmaterjalid, elektroonika, ravimained, väetised, kütused ja palju muud. Paljudel elementidel on spetsiaalsed tehnoloogilised rakendused — näiteks plaatin on katalüsaatorites, räni on pooljuhtides ja uraan kasutatakse tuumaenergia allikana.
Turvalisus ja keskkond
Mõned elemendid ja nende isotoobid on toksilised või radioaktiivsed ning nõuavad ettevaatlikku käitlemist. Radioaktiivsete elementide lagunemine ja raskmetallide kuhjumine võivad ohustada keskkonda ja inimtervist, seetõttu on oluline nende töödeldes ja ladustamisel järgida ohutusnõudeid.
Kokkuvõttes: keemilised elemendid on aatomite tüübid, mis määravad ainetel nähtavad omadused. Nende järjestamine perioodilisustabelis ning aatomi sisemine ülesehitus — prootonid, neutronid ja elektronid — aitab seletada, miks üks või teine element käitub nii nagu ta käitub.
