Principles of Chemistry

Pojęcie pierwiastka ewoluowało w ciągu historii myśl naukowej. Poczynając od definicji wywodzącej się od Arystotelesa, zgodnie z którą pojęcie to oznaczało substancję, której nie da się rozłożyć na substancje prostsze, aż do współczesnych określeń zgodnie z którymi pierwiastkami są zbiory atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze. Inaczej można te definicję ująć w taki sposób, że pierwiastkiem jest substancja składająca się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze. Proton jest cząstką elementarną obdarzoną ładunkiem dodatnim, a ponieważ atomy są elektrycznie obojętne to ładunek protonów musi być kompensowany przez taki sam, ale przeciwny co do znaku, ładunek elektronów wchodzących w skład atomu. W związku z tym liczba protonów w jądrze atomowym określa jednoznacznie liczbę elektronów znajdujących się w atomie danego pierwiastka. Ogólnie symbol danego pierwiastka podaje się jako , gdzie wartość oznaczona literą Z, czyli liczba atomowa, określa liczbę protonów w jądrze i jest równa liczbie elektronów w niezjonizowanym atomie. Dodatkowo wartość liczby Z determinuje położenie pierwiastka w układzie okresowym.

Ponieważ jądro atomowe poza protonami zawiera neutrony to atomy danego pierwiastka mogą różnić się między sobą wartością masy atomowej – A. Neutrony nie są obdarzone ładunkiem, ale posiadają masę, w związku z czym atomy danego pierwiastka, ze względu na różną liczbę neutronów w jądrze mogą różnić się masą. Najprostszym przykładem takiej sytuacji jest wodór, najlżejszy z pierwiastków, którego jądro atomowe zbudowane jest z pojedynczego protonu. Istnieją jeszcze dwie odmiany wodoru zawierające w jądrze jeden lub dwa neutrony noszące nazwy odpowiednio deuter i tryt. Różne odmiany atomów danego pierwiastka, różniące się między sobą masą atomową, czyli o różnej liczbie neutronów w jądrze noszą nazwę izotopów. Słowo izotop wywodzi się z języka greckiego i pochodzi od dwóch słów isos oznaczającego „ten sam” i topos czyli „miejsce”. Większość pierwiastków chemicznych jest mieszaniną różnych izotopów, a w związku z tym pojęcie „pierwiastka chemicznego” pomimo ścisłej definicji, w rzeczywistości, stosowane do określenia makroskopowej ilości danego pierwiastka, oznacza zbiór atomów różniących się między sobą wartością mas atomowych.

Historia powstania pojęcia pierwiastka, jak wspomniano powyżej, wywodzi się od Arystotelesa, który dowodził w ramach swojego filozoficznego opisu rzeczywistości istnienie jednej substancji pierwotnej z czterema fundamentalnymi cechami takimi jak ciepło, zimno, suchość i wilgotność. Kombinacje tych cech tworzyły cztery żywioły: ogień, ziemię, powietrze i wodę, z których zbudowana jest cała materia. Należy zdawać sobie sprawę z faktu, że dla filozofów greckich elementy nie były pojmowane jako podstawowe substancje, które można wyizolować i oczyścić. W ówczesnej myśli filozoficznej były one zasadami, które zmieszane ze sobą tworzą rzeczy materialne. Wraz z rozwojem alchemii koncepcja czterech żywiołów Arystotelesa podlegała modyfikacjom polegającym w głównej mierze na wprowadzaniu dodatkowych elementów, których relacje do żywiołów Arystotelesa były trudne do określenia. Słynny arabski alchemik Dżabir ibn Hajjan znany w średniowiecznej Europie jako Geber za podstawowe elementy materii uznał ziemię, powietrze, ogień i wodę ale zasadami tworzącymi metale były według niego siarka i rtęć. W XVI wieku Paracelsus dodał do tych zasad sól. Manifestacje tych trzech zasad, czy też żywiołów, przejawiały się jako lotność, spoistość i zapalność. W wieku XVII teoria Paracelsusa została zmodyfikowana przez niemieckiego alchemika Johanna Joachima Bechera, który twierdził, że wszystkie substancje składają się z powietrza, wody i trzech rodzajów ziemi odpowiedzialnych za topnienie (terra fluida), twardość (terra lapida) oraz miękkość i jednocześnie zdolność do palenia (terra pinguis). Ostatecznie angielski chemik Robert Boyle, skrytykował obowiązujące poglądy wprowadzając na miejsce czterech żywiołów i związanych z nimi sposobami spekulatywnej filozofii, badanie eksperymentalne materii. Pomimo tego koncepcje żywiołów związane z elementami fizyki Arystotelesa jeszcze przez długie lata funkcjonowały w środowisku naukowym.

Ostateczne zerwanie z takim pojmowaniem budowy materii nastąpiło dopiero w momencie odkrycia tlenu przez Antoine Lavoisiera. Jego badania nad procesami spalania, prowadzone w oparciu o metody ilościowe doprowadziły do odrzucenia teorii flogistonu. Na podkreślenie zasługuje również fakt, że to właśnie Lavoisier we współpracy z Claude-Louisem Bertholletem opracowali nomenklaturę chemiczną, której wiele elementów wykorzystywanych jest do dnia dzisiejszego. Wracając jednak do pojęcia pierwiastka, to definicja wprowadzona przez Lavoisiera była, jak na tamte czasy rewolucyjna. Otóż pierwiastek definiował on jako substancję, której nie da się rozłożyć na substancje prostsze żadnymi metodami analizy chemicznej. Chociaż na liście substancji elementarnych, stworzonej przez niego, poza rzeczywistymi pierwiastkami takimi jak wodór, azot, tlen, siarka, cynk znalazły się światło i ciepło, które uważał także za substancje proste. Znane sobie substancje podzielił na cztery grupy. Pierwszą grupę już poznaliśmy, do drugiej zaliczył siarkę, fosfor, węgiel oraz chlor i fluor (w jego czasach jeszcze nie były znane jako pierwiastki, a Lavoisier odnosił się do kwasów chlorowodorowego i fluorowodorowego). Są to niemetaliczne pierwiastki, które można utlenić i uzyskać z nich kwasy. Grupa trzecia obejmowała znane metale czyli antymon, srebro, arsen, bizmut, molibden, kobalt, miedź, cynę, żelazo, mangan, rtęć, mangan, nikiel, złoto, platynę, ołów, wolfram i cynk. Te pierwiastki również mogą się utleniać i tworzyć kwasy. Czwarta grupa Lavoisiera obejmowała tworzące sole „ziemie”, do niej zaliczył tlenki wapnia, magnezu, baru, glinu i krzemu. W roku 1780 nie zdawano sobie sprawy, że związki te nie są substancjami prostymi, a tlenkami jeszcze nieznanych pierwiastków. Lavoisier nie stosował ścisłego rozróżnienia pomiędzy substancją prostą a pierwiastkiem. Takie podejście do materii stało się możliwe dopiero w wieku XIX gdy opracowano pierwsze teorie budowy atomu i gdy Dymitr Mendelejew uszeregował pierwiastki w układ okresowy. Do tych zagadnień odniesiemy się w dalszej części teksu, ale teraz zacznijmy historię odkryć poszczególnych pierwiastków od tych, które były znane od starożytności.

Ponad 90 procent pierwiastków chemicznych występujących w warunkach naturalnych, w skałach, wodzie, powietrzu nie wykazuje naturalnej radioaktywności. Spoglądając na układ okresowy, pierwiastki od wodoru, o liczbie atomowej 1, do bizmutu o liczbie atomowej równej 83 nie są radioaktywne. W tym bloku trwałych jąder atomowych występują dwa wyjątki. Są to technet (Z=43) i promet (Z=61). Jądra atomowe tych dwóch pierwiastków są nietrwałe i ulegają przemianom promieniotwórczym przez co nie występują w przyrodzie. Pierwiastki promieniotwórcze, odkryte na drodze badania zasobów naturalnych, tworzą grupę od polonu, o liczbie atomowej 84, do uranu (Z=92). Pośród nich jedynie tor i uran charakteryzują się na tyle długimi czasami połowicznego rozpadu, że zostały odkryte zanim jeszcze zaobserwowano i opisano zjawisko radioaktywności.