Alkuaine (kemiallinen alkuaine) — määritelmä, atomit ja jaksollinen järjestelmä

Alkuaineet selitetty selkeästi: atomit, protonit, elektronit ja atomiluku, yhdisteet ja molekyylit sekä jaksollisen järjestelmän rooli 118 alkuaineen luokittelussa.

Kemiallinen alkuaine on aine, joka sisältää vain yhdenlaista atomia. Jos aine sisältää useampaa kuin yhtä atomityyppiä, se on yhdiste. Alkuaine voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen. Tällaisen alkuaineen pienin hiukkanen on atomi. Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protonit kantavat positiivista, neutronit neutraalia ja elektronit negatiivista sähkövarausta, ja näiden osasten määrä ja järjestys määräävät atomin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.

Atomien rakenne ja isotopit

Kukin alkuaine sisältää vain yhdenlaisen atomin. Atomin sisältämien protonien lukumäärää kutsutaan atomiluvuksi. Esimerkiksi kaikki atomit, joilla on 6 protonia, ovat kemiallinen alkuaine hiili, ja kaikki atomit, joilla on 92 protonia, ovat alkuaine uraani. Protonien lukumäärä määrittää alkuaineen paikan jaksollisessa järjestelmässä ja sen kemialliset perusominaisuudet.

Ytimen protonien lisäksi ytimestä löytyy usein neutroneja. Protonien ja neutronien yhteenlaskettu määrä on atomin massaluku. Saman alkuaineen atomit voivat poiketa neutronien lukumäärältään; tällaisia saman alkuaineen eri massaluvulla olevia atomeja kutsutaan isotoopeiksi. Isotoopit voivat olla vakaita tai radioaktiivisia; radioaktiiviset isotoopit hajoavat ajan kuluessa ja niillä on tietty puoliintumisaika.

Elektronit ja kemialliset ominaisuudet

Ytimen protonien lukumäärä aiheuttaa sen sähkövarauksen. Tämä määrää elektronien määrän sen normaalissa (yhdistetyssä) tilassa. Atomiorbitaaleissaan olevat elektronit määräävät atomin erilaiset kemialliset ominaisuudet. Erityisesti uloimman kuoren eli valenssielektronien lukumäärä ja niiden energiataso ratkaisevat, miten atomit reagoivat ja minkälaisia kemiallisia sidoksia ne muodostavat (esim. ionisidokset, kovalenttiset sidokset, metallisidokset).

Alkuaineiden kemialliset käyttäytymiset ilmenevät käytännössä esimerkiksi siinä, että happi muodostaa tyypillisesti kaksiatomisina molekyyleinä (O2) ja hiili voi esiintyä hyvin erilaisina allotrooppeina kuten grafiittina ja timanttina. Alkuaineiden fysikaaliset ominaisuudet — kuten sulamis- ja kiehumispiste, tiheys, sähkö- ja lämmönjohtavuus — vaihtelevat laajasti.

Jaksollinen järjestelmä

Jaksolliseen järjestelmään on järjestetty tunnetut alkuaineet niiden atomiluvun mukaan. Taulukon vaakarivit ovat periodit ja pystyrivit ryhmät. Alkuaineet saman ryhmän sisällä käyttäytyvät kemiallisesti samankaltaisesti, koska niillä on samanlaiset valenssielektronirakenteet. Jaksollinen järjestelmä erottaa muun muassa alkalimetallit, maa-alkalimetallit, siirtymämetallit, halogeenit ja jalokaasut sekä harvinaiset maa-alkuaineet (lantanoidit ja aktinoidit).

Jaksollisen järjestelmän säännönmukaisuudet auttoivat myös ennustamaan ennen löydettäviä alkuaineita, ja nykyaikana järjestelmä laajentuu synteettisten raskaisiin alkuaineisiin, joiden atomiluvut ovat suurempia kuin luonnossa yleisesti esiintyvien alkuaineiden.

Luonnossa esiintyvät ja synteettiset alkuaineet

Nykykemia tuntee 118 erilaista kemiallista alkua. Näistä alkuaineista noin 92 esiintyy laajemmissa määrissä luonnossa Maassa; raskaimmat alkuaineet ovat yleensä hyvin harvinaisia ja osittain muodostuvat radioaktiivisista hajoamisprosesseista. Loput alkuaineista on valmistettu keinotekoisesti laboratorioissa tai ydinreaktoreissa ja ne esiintyvät luonnossa vain erittäin pieniä määriä tai eivät lainkaan. Esimerkiksi teknetium (43) on ensimmäisiä kokonaan keinotekoisesti tuotettuja alkuaineita, löydetty vuonna 1937.

Monia luonnossa esiintyviä alkuaineita löydettiin ja tunnistettiin eri aikoina; jotkut raskaat luonnolliset alkuaineet tunnistettiin vasta 1900-luvulla. Useimmat elementtien nimet ja tunnukset vahvistaa kansainvälinen nimeämiskäytäntö (IUPAC).

Alkuaineet ihmisen ja tekniikan kannalta

Ihmiskeho koostuu pääasiassa muutamasta alkuaineesta: happi, hiili, vety ja typpi muodostavat suuren osan kehon massasta, ja elimistössä tavataan yleensä noin 26 eri alkuaineen pienempiä tai suurempia määriä, joilla on biologinen merkitys. Alkuaineet ovat myös teollisuuden, lääketieteen ja tekniikan perusta: metalleja käytetään rakenteissa ja elektroniikassa, puolijohdealkuaineita elektroniikassa, lääkkeiden toiminta perustuu usein tiettyihin alkuaineisiin ja niiden yhdisteisiin.

Alkuaineisiin liittyvä tutkimus kattaa atomitason perusfysiikan, isotooppitutkimuksen, materiaalitieteen sekä käytännön sovellukset kuten ydinenergia, lääketieteelliset radioisotoopit ja uudet materiaalit. Jaksollinen järjestelmä ja alkuaineiden perusominaisuudet auttavat ymmärtämään sekä luonnon että teknologian ilmiöitä.

Alkuperäinen luokittelu ja järjestely auttavat hahmottamaan alkuaineiden suhteita ja käytännön merkitystä: niiden elektronirakenne, atomiluku, massaluku, isotoopit ja kemialliset sidokset ovat keskeisiä käsitteitä alkuaineiden luonteen ymmärtämisessä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on kemiallinen alkuaine?

K: Mistä atomit koostuvat?

K: Mikä määrää protonien määrän atomissa?

K: Kuinka monta eri alkuaineita nykyaikainen kemia tuntee?

K: Kuinka monta luonnon alkuaineita löytyy luonnosta?

K: Milloin löydettiin viimeinen luonnollinen alkuaine?

K: Miten jaksollinen järjestelmä auttaa meitä ymmärtämään alkuaineiden välisiä ominaisuuksia?

Hae kirjaimella