Atomas - mažiausia cheminio elemento dalelė, turinti visas jo chemines ir fizikines savybes. Jis yra elektriškai neutralus ir chemiškai nedalomas. Atomas sudarytas iš branduolio (sudaryto iš protonų ir neutronų) bei apie jį skriejančių elektronų.
Molekulė - mažiausia medžiagos dalelė, turinti tos medžiagos chemines savybes. Molekulė susideda iš to paties cheminio elemento atomų arba skirtingų cheminių elementų atomų ir egzistuoja kaip vientisa atomo branduolių ir elektronų sistema.
Medžiaga - materialus objektas, turintis rimties masę. Medžiagos susideda iš mažiausių dalelių: atomų ir molekulių. Medžiagos gali būti vieninės ir sudėtinės.
Medžiagų rūšys
Vieninės medžiagos
Vieninės medžiagos - tai iš vienos rūšies atomų sudarytos medžiagos. Jos gali būti:
- Vienatomės: pvz., Ne, Ar, Hg, Na.
- Dviatomės: pvz., O₂, Cl₂, Br₂, N₂.
- Poliatomės: pvz., P₄, S₈.
Sudėtinės medžiagos
Sudėtinės medžiagos - tai iš kelių skirtingų elementų atomų sudarytos medžiagos. Pvz.: vandenilio chloridas (HCl), cukrus (C₁₂H₂₂O₁₁), polietenas ((- CH₂ = CH₂ -)n).
Cheminis elementas
Cheminis elementas - tai atomų rūšis, turinti vienodą branduolio krūvį ir cheminiais metodais nesuskaidoma medžiaga. Gamtoje randami 94 elementai, 24 elementų yra gaunama dirbtiniu būdu. Šiuo metu yra žinoma 118 cheminių elementų. Pvz.: S, H, Pb, Th ir kt.
Mūsų planeta maždaug prieš 4,6 milijardo metų susidarė iš tam tikrų cheminių elementų - t. y. cheminiais būdais neskaidomų medžiagų. Visi Žemėje esantys elementai atsirado po Didžiojo Sprogimo arba kaip supernovos, t. y. didžiulės žvaigždės sprogimo, produktai. Sprogus didžiulei žvaigždei, elementai buvo išmesti į kosmosą ir susitelkė į didžiulį rūką. Tokiam rūku tankėjant susiformavo Žemė. Tuo metu mūsų planeta buvo labai karšta, skysto pavidalo, todėl sunkesni elementai, tokie kaip geležis, nugrimzdo ir suformavo Žemės branduolį. Geologai mano, kad branduolyje taip pat yra daug aukso.
Gamtoje aptinkami tik keli grynojo pavidalo cheminiai elementai. Šiuo metu žinoma 118 elementų, iš jų tik pirmieji 82 yra stabilūs. Elementai, kurių atomo numeris 83 ir didesnis, yra radioaktyvūs ir skyla į kitus elementus - kai kurie jų per kelias sekundės dalis.
Izotopai ir alotropija
Izotopai
Izotopai - tai to paties cheminio elemento atomai, turintys vienodą protonų skaičių, bet skirtingą masę (neutronų skaičių).
Alotropija
Alotropija - cheminio elemento gebėjimas egzistuoti dviejų ar kelių vieninių medžiagų (alotropinių atmainų pavidalu). Alotropinė atmaina - to paties elemento skirtingos struktūros ir skirtingų savybių vieninės medžiagos.
Pvz.:
- Deguonies alotropinės atmainos: deguonis (O₂) ir ozonas (O₃).
- Fosforo alotropinės atmainos: baltasis, raudonasis, juodasis ir violetinis.
- Anglies alotropinės atmainos: grafitas, deimantas, fulerenas ir kt.
Matavimo vienetai ir sąvokos
Atominės masės vienetas (u)
Atominės masės vienetas atitinka anglies izotopo ¹²C atomo masės 1/12 dalį. Jo dydis SI vienetais yra unitas (u). 1u = 1,66057·10⁻²⁷ kg.
Santykinė atominė masė (Ar)
Elemento santykinė atominė masė (Ar) - vidutinės elementų atomų masės ir 1/12 anglies izotopo ¹²C atomo masės santykis.
Molio sąvoka
Molio (n, mol) - medžiagos kiekio SI sistemos matavimo vienetas, lygus medžiagos kiekiui, kuriame yra tiek struktūrinių vienetų (molekulių, jonų, atomų), kiek atomų yra 0,012 kg anglies ¹²C izotopo (6,02 · 10²³).
Vieną molį bet kurios medžiagos sudaro 6,02 · 10²³ struktūrinių vienetų. Šis skaičius vadinamas Avogadro konstanta (N<0xE2><0x82><0x90>), vienetas mol⁻¹.
Molinė masė (M)
Molinė masė - vieno medžiagos molio masė (M, g/mol).
Molinis tūris
Molinis tūris - medžiagos 1 molio užimamas tūris. Vienas molis bet kurių dujų normaliomis sąlygomis užima 22,4 litro tūrį.
Valentiningumas ir oksidacijos laipsnis
Valentiningumas - cheminio elemento atomo sudaromų ryšių su kitais atomais skaičius.
Oksidacijos laipsnis (OL) yra sąlyginis atomo krūvis junginyje, kurį jis turėtų, jeigu prisijungtų ar atiduotų valentinius elektronus. Oksidacijos laipsnis gali būti teigiamas, neigiamas arba lygus nuliui. Elementų OL rašomas virš cheminio elemento simbolio, nurodant krūvio ženklą ir vertę. Pvz.:
+1
H₂O
-2
H₂O
Cheminė formulė
Cheminė formulė - vieninių ar sudėtinių medžiagų sandaros ir sudėties išraiška cheminiais ir kitais simboliais, skaitiniais indeksais. Pvz.:
- Vieninės medžiagos: helis - He; chloras - Cl₂. Dešinėje apačioje indeksas 2 rodo, kad chloro molekulę sudaro du chloro atomai (dviatomė molekulė).
- Sudėtinės medžiagos: vanduo - H₂O. Ji rodo, kad vandens molekulę sudaro du vandenilio atomai ir vienas deguonies atomas; azoto(V) oksidas - N₂O₅.
Disociacija ir cheminė reakcija
Disociacija - molekulių ar sudėtinių jonų skilimas į kelias mažesnės molekulinės masės daleles.
Cheminė reakcija - procesas, kai vienos medžiagos virsta kitomis, vienuose cheminiuose junginiuose nutrūkstant cheminiams ryšiams, persitvarkant juose atomams bei susidarant naujiems ryšiams. Vykstant cheminėms reakcijoms susidaro naujos medžiagos su kitomis fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis.
Termocheminė lygtis
Termocheminė lygtis - cheminė lygtis, kurioje nurodytas šiluminis reakcijos efektas.
Tankis (ρ)
Tankis - tai medžiagos vienetinio tūrio masė (ρ, g/cm³; kg/m³). Pvz.: Aliuminio ρ = 2,7 g/cm³ arba 2700 kg/m³.
Mišiniai ir tirpalai
Mišinys
Mišinys - medžiaga, susidedanti mažiausiai iš dviejų sudedamųjų dalių. Mišiniai gali būti vienalyčiai ir nevienalyčiai.
- Vienalytis mišinys - mišinys, sudarytas iš vienos būsenos medžiagų (tirpalai, lydiniai, dujų mišiniai).
- Nevienalytis mišinys - mišinys, sudarytas iš skirtingų medžiagų, kurių daleles matome plika akimi (dūmai - kietos medžiagos dujose, aliejus vandenyje - dviejų skysčių mišinys).
Medžiagos masės dalis mišinyje
Medžiagos masės dalis mišinyje (tirpale) yra lygi tos medžiagos ir mišinio (tirpalo) masių santykiui. Mišinio sudėtis procentais rodo, kiek kiekvienos medžiagos masės dalių yra 100 masės dalių mišinio.
Tirpalas
Tirpalas - vienalytis mišinys, sudarytas iš dviejų ar daugiau komponentų (cheminių medžiagų). Paprastai tirpalą sudaro tirpiklis ir tirpinys. Tirpiklis - medžiaga, kurios kiekis tirpale yra didžiausias.
Cheminių elementų reikšmė ir ištekliai
Dauguma mūsų apie periodinę cheminių elementų lentelę sužinojo mokykloje. Cheminiai elementai keistais pavadinimais tampa vis svarbesni mūsų gyvenime. Nemažai jų naudojama aukštųjų technologijų gaminiuose, jie tampa mūsų kasdienio gyvenimo dalimi - nors daugelis jų tokie reti, kad dėl jų verda tikra kova. Pristigę šių elementų ateityje galime susidurti su rimtais rūpesčiais. Pavyzdžiui, vargu ar prisimename iš mokyklos laikų indį (In) ir tantalą (Ta) bei jų savybes, o tai išties labai svarbios medžiagos - dideli indžio kiekiai naudojami plokščiųjų ekranų gamyboje, tačiau jo ištekliai tokie menki, kad per trejus metus indžio kaina pašoko 16 kartų. Tantalas labai gausiai naudojamas mobiliųjų telefonų gamyboje, todėl dėl šio elemento vyksta karas beveik tiesiogine prasme.
Pasiekiami elementai
Šiuo metu žinoma 118 elementų, iš kurių tik pirmieji 82 yra stabilūs. Elementai, kurių atomo numeris 83 ir didesnis, yra radioaktyvūs ir skyla į kitus elementus.
Retieji žemės elementai
Kai kurių cheminių elementų naudojame labai nedaug ir tik vienam tikslui. Tarkim, elementas, kurio numeris 58, ceris (Ce). Ceris pasirodė esąs puikus akmuo žiebtuvėliams - kaip tik šis mažytis akmenukas įžiebia kibirkštį. Kai kurie kiti elementai naudojami kur kas plačiau, o jų paklausa sparčiai didėja. Kadangi, remiantis prognozėmis, 2050 metais pasaulyje gyvens 9 milijardai žmonių, kai kurių elementų gali išties pritrūkti.
Vienas iš tokių elementų yra helis (He), užimantis antrą vietą periodinėje elementų lentelėje - jis toks lengvas, kad paprasčiausiai išsisklaido kosmose. Jaučiamas ir vadinamųjų retųjų žemės elementų stygius. Šią grupę sudaro 15 elementų, dėl ypatingų savybių jie vis plačiau naudojami šiuolaikiniame gyvenime. Vienas tokių elementų neodimis (Nd) turi magnetinių savybių, pranokstančių visus ankstesnius magnetus. Bendra retųjų žemės elementų gavyba 2008 metais siekė 139 tūkstančius tonų, didžioji dalis buvo išgaunama Kinijoje, turinčioje didžiausius pasaulyje išteklius. Kinijoje šie elementai yra saugomi, ribojamas jų eksportas. Todėl pasaulyje intensyviai ieškoma kitų vietų, kuriose būtų galima išgauti retųjų elementų. Paprastai jie randami junginių su kitomis medžiagomis pavidalu, be to, labai mažais kiekiais.
Augalai ir cheminiai elementai
Cheminius elementus intensyviai naudojame ne tik mes, žmonės, be jų neišsiverčia ir augalai. Kad galėtų augti, augalui reikia net septyniolikos elementų - visi jie būtini visaverčiam augimui. Tris elementus - vandenilį (H), deguonį (O) ir anglį (C) - augalas pasiima iš oro arba vandens. Azotą (N), fosforą (P) ir sierą (S) - tris elementus, be kurių augalai negali augti, - šaknys gauna iš dirvožemio. Be kitų elementų augalai galėtų išgyventi, tačiau skurstų, juos apniktų ligos. Augalų šaknys susiranda ir pasiima iš dirvožemio reikalingų cheminių elementų. Jų svarbą botanikai nustatė tirdami, kodėl kartais grūdai ypač gerai dera po elektros linijomis.
Metalo perdirbimas
Nors apskritai cheminių elementų paklausa didėja, dėl naujų technologijų plėtros vieno cheminio elemento poreikis gali smarkiai išaugti, kito - sumažėti. Pavyzdžiui, anksčiau konservų dėžutės turėjo ploną alavo (Sn) sluoksnį, o dabar alavą pakeitė plastikas, taigi alavo poreikis gerokai sumenko. Laimė, titanas (Ti), kaip ir kai kurie kiti metalai, gali būti naudojamas ne vieną kartą ir neprarasti savo savybių. Antrinis perdirbimas - tai vienas iš ateities sprendimų. Jeigu 9 milijardų žmonių gerovė pasieks išsivysčiusių šalių lygį, nebegalėsime panaudotų retųjų metalų tiesiog išmesti. Turime pradėti mokytis iš gamtos, t. y. sukurti gamybos, vartojimo ir perdirbimo ciklą. Dažnai vienu metu galime nušauti du zuikius, nes perdirbant metalus sutaupoma daug energijos. Nėra abejonių, kad ateityje išties pritrūksime kai kurių medžiagų, nes ne visas galima pakeisti arba panaudoti dar kartą. Todėl turime tinkamai pasirinkti prioritetinius gavybos būdus ir mėginti ieškoti alternatyvų šiandien naudojamiems cheminiams elementams.
Įdomūs cheminiai elementai ir jų panaudojimas
Neodimis (Nd) - magnetų karalius
Dėl unikalių savybių neodimis tapo itin paklausus. Neodimio ištekliai Žemėje labai riboti. Metinė jo gavyba siekia maždaug 7300 tonų. Šis cheminis elementas yra stipriausias iš žinomų nuolatinių magnetų, jo magnetinis laukas toks galingas, kad gali pakeisti elektromagnetus ir kitus nuolatinius magnetus, naudojamus elektroniniuose prietaisuose, pavyzdžiui, standžiuosiuose diskuose. Be to, šie magnetai pradėti naudoti vėjo jėgainėse ir hibridiniuose automobiliuose, nes jie mažesni.
Neodimis priklauso prie ypatingos cheminių elementų grupės, vadinamos retaisiais žemės elementais. Gamtoje šio cheminio elemento randama junginiuose su mineralais ir išgaunama juos skaidant. Grynas neodimis yra ryškios aukso spalvos, su deguonimi reaguojantis metalas. Jo kubinis metras sveria 7 tonas.
Be magnetų, neodimis naudojamas emaliui ir stiklui spalvinti, taip pat gaminant suvirintojų bei stiklo pūtėjų specialius apsauginių akinių stiklus. Didžiausi pasaulyje retųjų žemės elementų ištekliai yra Kinijoje. Kadangi kinai jų naudoja daug, šio metalo eksportas iš šalies ribojamas.
Helis (He) - dingsta erdvėje
Helio turi tik kelios pasaulio šalys, o jo paklausa nuolat didėja. Helis yra antras pagal paplitimą Visatos elementas. Tačiau Žemėje tai antras elementas iš tų, kurių labiausiai trūksta. Traukos jėga helio neišlaiko, todėl jis tiesiog išnyksta kosminėje erdvėje. Helis gaunamas iš jo turinčių gamtinių dujų. Per metus jo išgaunama 170 milijonų kubinių metrų. Didžiausios helio gamintojos - JAV, tačiau telkinių esama ir Kinijoje.
Pasaulyje planuojama pastatyti devynias naujas helio gamyklas, nes jo paklausa, kaip ir kaina, labai greitai kyla. Helio panaudojimo galimybės labai plačios, pavyzdžiui, juo užpildomos superlaidininkų aušinimo sistemos, oro balionai, jis naudojama neoninių ženklų gamybai. Dažniausiai helio neįmanoma pakeisti kitomis medžiagomis, todėl jo trūkumas būtų labai juntamas.
Fosforas (P) - būtinas gyvybei Žemėje
Viena didžiausių ateities problemų - fosforo ištekliai. Šis cheminis elementas reikalingas visoms gyvybės formoms. Be fosforo negalėtų gyventi nei žmonės, nei augalai. Šis cheminis elementas įeina į genomo sudėtį ir todėl vadinamas vienu iš pagrindinių gyvybės elementų. Tačiau jo atsargos yra ribotos, žinomų šaltinių užteks tik 30-80 metų. Vienas geriausių būdų apsirūpinti fosforu būtų uždaras fosforo panaudojimo ir perdirbimo ciklas. Šiandien šio cheminio elemento mes netausojame. Maždaug pusė iš 15 milijonų tonų fosforo, išgaunamo per metus, nusėda vandenynuose. Be to, didelė jo dalis tiesiogine prasme nuskandinama kanalizacijoje - drauge su šlapimu, nors tai galėtų būti puikus fosforo šaltinis. Trąšoms naudojama 90 procentų viso aptinkamo fosforo.
Litis (Li) - ateities degalai
Šiandien litis yra būtinas baterijų komponentas, jis taip pat galėtų padaryti perversmą kuriant naujas transporto priemones. Ličio naudojimas sparčiai didėja. Tačiau jo ištekliai riboti. Daugiausia ličio aptinkama Pietų Amerikoje. Litis vadinamas XXI amžiaus degalais. Šis metalas pasižymi puikia savybe kaupti elektros energiją, todėl jis naudojamas ličio jonų baterijose, maitinančiose mobiliuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius, taip pat elektra varomus automobilius, laikomus ateities transporto priemone.
Mokslininkai mano, kad baterijos gali būti gerokai efektyvesnės. Vienai mobiliojo telefono baterijai sunaudojami tik du gramai ličio, o elektra varomo automobilio baterijai reikia 20 kg ličio. Pastaraisiais metais ličio baterijų prekyba išaugo 20 procentų. Per metus išgaunama tik apie 25 tūkstančius tonų. Beveik trečdalis pasaulio ličio išgaunama išdžiūvusiame druskos ežere Čilėje. Šiek tiek ličio pagaminama Bolivijoje ir keliose kitose šalyse.
Litis yra sidabriškai baltos spalvos, minkštas metalas, sveriantis tik pusę tiek, kiek sveria vanduo.
Platina (Pt) valo orą
Pusė visos išgaunamos platinos naudojama aplinkosaugos priemonėse - mašinų katalizatoriuose. Platina yra rečiausias pasaulio metalas. Per metus jo išgaunama labai nedaug, maždaug tik 250 tonų. Daugiau nei pusė jo naudojama automobilių katalizatoriuose, nes platina pagreitina chemines reakcijas, taigi ir automobilio išmetamų angliavandenilio junginių skaidymą. Platina taip pat naudojama papuošalams, laikrodžiams, elektroninėms detalėms, laboratorijose.
Platina yra sunkus brangusis metalas, jį labai lengva apdoroti. Metalas gamtoje randamas grynas, nors daugiausia jo kasama kasyklose, su nikeliu (Ni) ir variu (Cu) junginiais. Keturi penktadaliai visos platinos išgaunama Pietų Afrikoje, nedidelių išteklių turi Rusija ir Kanada. Nėra sukurta jokios dirbtinės platinos alternatyvos, todėl šis brangus metalas yra tausojamas, o jo kaina dvigubai didesnė už aukso. Britų mokslininkai tiria, ar platinos galima būtų gauti iš gatvės dulkių, kurias surenka gatvių valymo mašinos. Mat iš automobilių katalizatorių išsiskyrusi platina kaupiasi dulkėse.
Renis (Re)
Renis (lot. Rhenium) - itin tvirtas metalas, pasižymintis aukšto lygio atsparumu dilimui bei korozijai. Renio lydymosi temperatūra yra viena aukščiausių tarp visų žinomų cheminių elementų - ji siekia 3180°C. Šis metalas yra geras šilumos bei elektros srovės laidininkas bei vienas iš rečiausiai Žemės plutoje aptinkamų cheminių elementų. Renis (cheminis simbolis Re) dažnai naudojamas gaminant dideliam karščiui atsparių metalų lydinius. Šio elemento lydiniai naudojami lėktuvų turbinų menčių bei raketų degimo kamerų gamybai. Vienas iš brangesnių Žemės metalų yra palyginti retai sutinkamas kasdieninėje buityje. Renis naudojamas kai kurių elektroninių prietaisų komponentų, pavyzdžiui, elektros kontaktų, gamyboje. Tačiau jo kiekiai elektroniniuose prietaisuose yra absoliučiai minimalūs. Pavyzdžiui, viename išmaniajame mobiliame telefone gali būti rasta ne daugiau nei 0,01 g.
tags: #cheminis #elementas #renas