Chemický prvek

Rozbalit box

Obsah boxu

Prvek (či chemický prvek) je čistá látka, kterou nelze chemickými metodami dále rozložit na jednodušší látky. Je tvořena atomy, které mají stejný počet protonů v atomovém jádře, tedy shodné protonové číslo (Z). Všechny atomy daného prvku tak mají stejnou strukturu elektronového obalu a chovají se chemicky stejně. Prvky jsou základními stavebními kameny chemických reakcí, chemických sloučenin a směsí.

⏳ Historie

Historie objevu a používání prvků sahá až do pravěku, kdy lidé začali využívat původní minerály, jako je uhlík, síra, měď a zlato. Pokusy o klasifikaci těchto materiálů vedly k rozvoji alchymie a později k mnoha teoriím, které položily základy moderní chemie jako vědy. V 18. a 19. století začali vědci systematicky zkoumat chemické prvky. V roce 1789 Antoine Lavoisier sestavil seznam 33 prvků a rozdělil je do kategorií jako plyny, nekovy, kovy a zeminy, což byl první krok ke klasifikaci prvků.

Zásadní průlom nastal v roce 1869, kdy ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendělejev publikoval první periodickou tabulku prvků. Mendělejev uspořádal prvky podle rostoucí atomové hmotnosti a zaznamenal pravidelně se opakující chemické vlastnosti. Nejenže uspořádal tehdy známé prvky, ale také odvážně předpověděl existenci dosud neobjevených prvků, jako je gallium, germanium a skandium, a správně odhadl jejich vlastnosti. Tuto tabulku Mendělejev neustále doplňoval a v prosinci 1870 předložil práci "Přirozená soustava prvků a její použití k udání vlastností dosud neobjevených prvků". Platnost Mendělejevova periodického zákona byla potvrzena objevem gallia v roce 1875.

V roce 1913 Henry Moseley opravil periodický zákon podle rostoucích protonových čísel, což je základem moderního uspořádání periodické tabulky. Objev radioaktivity a následné objevy transuranů ve 20. století dále rozšířily chápání prvků. Do listopadu 2016 Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (IUPAC) uznala celkem 118 prvků. Nové uměle připravené prvky s protonovými čísly 113 (nihonium), 115 (moscovium), 117 (tennessin) a 118 (oganesson) byly oficiálně pojmenovány koncem roku 2016, čímž se dovršila sedmá řada periodické tabulky.

⚛️ Struktura

Nejmenší možné množství prvku je atom. Každý atom se skládá z atomového jádra a elektronového obalu.

Atomové jádro obsahuje kladně nabité protony a elektricky neutrální neutrony. Počet protonů v jádře definuje protonové číslo (Z), které je jedinečným identifikátorem každého chemického prvku. Protony a neutrony se souhrnně označují jako nukleony.
Elektronový obal obklopuje jádro a je tvořen záporně nabitými elektrony. V neutrálním atomu je počet elektronů stejný jako počet protonů. Elektrony se nacházejí v energetických vrstvách neboli orbitalech. Elektrony v energeticky nejvýše položené vrstvě se nazývají valenční elektrony a zodpovídají za většinu chemických vlastností prvku.

Atomy téhož prvku se mohou lišit počtem neutronů, a tím i nukleonovým číslem (A = Z + N). Takové varianty se nazývají izotopy. Například vodík má tři izotopy: protium (bez neutronu), deuterium (jeden neutron) a tritium (dva neutrony). Množina atomů s odpovídajícím protonovým a nukleonovým číslem se označuje jako nuklid.

🧪 Chemické vlastnosti

Vlastnosti každého prvku jsou dány především jeho elektronovou konfigurací, zejména počtem valenčních elektronů. Tyto vlastnosti se pravidelně opakují v rámci skupin periodické soustavy prvků, což je principem periodického zákona. Mezi důležité vlastnosti prvků patří:

Většina prvků se v periodické tabulce nachází jako kovy, které se vyznačují kovovým leskem, vodivostí elektrického proudu a tepla, tažností a kujností. Nekovy jsou naopak převážně nevodivé, postrádají kovový lesk a jsou křehké. Polokovy tvoří přechodnou skupinu mezi kovy a nekovy a mají vlastnosti obou skupin, například se využívají jako polovodiče.

🌍 Výskyt a rozšíření

Prvních 94 prvků se přirozeně vyskytuje na Zemi, zatímco zbývajících 24 jsou uměle vyrobené, často radioaktivní prvky. Jen menšina prvků, například zlato a stříbro, se nachází v přírodě jako relativně čisté minerály. Téměř všechny ostatní přirozeně se vyskytující prvky se nalézají ve formě sloučenin nebo směsí. Například vzduch je primárně směsí prvků dusíku, kyslíku a argonu, a také sloučenin oxidu uhličitého a vody.

Zemská kůra je silikátový obal Země a její chemické složení není náhodné, ale podléhá zákonitostem geochemie. Nejrozšířenějšími prvky v zemské kůře jsou kyslík (asi 49,13 %), křemík (asi 26 %) a hliník (asi 7,45 %), které dohromady tvoří přibližně 90 % její hmotnosti. Spolu s dalšími čtyřmi kovy (vápník, hořčík, sodík, draslík) tvoří zhruba 99 % zemské kůry.

Ve vesmíru platí, že četnost výskytu prvků exponenciálně klesá s jejich rostoucí atomovou hmotností. Astronomové v roce 2017 detekovali nově vzniklé stroncium ve vesmíru po kolizi dvou neutronových hvězd, což potvrdilo fyzikální procesy tvorby těžších prvků.

🔬 Klasifikace

Prvky jsou systematicky uspořádány v periodické soustavě prvků (PSP), která je grafickým vyjádřením periodického zákona. Tato tabulka uspořádává prvky podle rostoucího protonového čísla (Z) a periodicky se opakujících podobných chemických vlastností.

Periodická tabulka se skládá ze:

Period (vodorovné řady): Je jich 7 a číslo periody odpovídá maximálnímu hlavnímu kvantovému číslu, tedy počtu elektronových obalů atomu.
Skupin (svislé sloupce): Je jich 18 a prvky ve stejné skupině mají podobné chemické vlastnosti, protože mají stejný počet valenčních elektronů. Některé skupiny mají své specifické názvy, například alkalické kovy (1. skupina), kovy alkalických zemin (2. skupina), halogeny (17. skupina) a vzácné plyny (18. skupina).

Prvky se dále klasifikují do bloků podle typu atomových orbitalů, které jsou zaplňovány valenčními elektrony:

s-prvky (skupiny 1 a 2)
p-prvky (skupiny 13 až 18)
d-prvky (skupiny 3 až 12, tzv. přechodné kovy)
f-prvky (tzv. vnitřně přechodné kovy: lanthanoidy a aktinoidy)

Další klasifikace dělí prvky podle jejich obecných vlastností na:

💡 Význam a použití

Prvky jsou nezbytné pro existenci života a mají široké uplatnění v průmyslu, technologiích a medicíně.

Biogenní prvky: Mnoho prvků je klíčových pro životní funkce organismů, včetně lidského těla. Příkladem jsou kyslík, uhlík, vodík, dusík, vápník, fosfor, draslík, sodík, chlor, hořčík a síra. Dále existují stopové prvky, jako je jod, selen, železo nebo zinek, které jsou potřebné v malých množstvích.
Průmyslové využití:

   *   Kovy jako železo, hliník a měď jsou základem strojírenství a stavebnictví.
   *   Polokovy jako křemík a germanium jsou nepostradatelné v elektrotechnickém průmyslu pro výrobu polovodičů.
   *   Vzácné plyny se používají v osvětlení a ochranných atmosférách.
   *   Radioaktivní prvky nacházejí uplatnění v jaderné energetice a medicíně (např. radioterapie).

Výzkum: Objev a syntéza nových prvků je předmětem neustálého vědeckého výzkumu a posouvá hranice našeho chápání hmoty. Syntéza supertěžkých prvků se provádí v urychlovačích a vyžaduje spolupráci významných vědců na špičkových pracovištích.

📚 Pro laiky

Představte si, že celý náš svět je jako obrovská stavebnice LEGO. Každý typ kostičky v této stavebnici je jeden prvek. Máme například žluté kostičky (zlato), červené kostičky (železo) nebo modré kostičky (kyslík). Co dělá každou kostičku unikátní, je její "rodné číslo" – počet malých kuliček uvnitř, které se jmenují protony. Všechny žluté kostičky mají stejné "rodné číslo", všechny červené kostičky mají jiné "rodné číslo" a tak dále.

Tyto základní kostičky se mohou spojovat a vytvářet složitější stavby – tomu říkáme sloučeniny. Například když spojíte dvě modré kostičky (kyslík) s jednou bílou kostičkou (vodík), vznikne vám voda! [] Všech 118 známých typů kostiček (prvků) je uspořádáno ve speciální tabulce, které říkáme periodická tabulka. Je to jako katalog, kde jsou kostičky seřazené podle jejich "rodného čísla" a podle toho, jak se k sobě hodí a jak se chovají. Díky této tabulce vědci vědí, jaké vlastnosti bude mít nová kostička, i když ji ještě nikdy neviděli!

Zdroje