E-mail: hi@familyfully.com

Kemisk grundstof

Sammendrag
kemisk grundstof, også kaldet grundstof, ethvert stof, der ikke kan nedbrydes til enklere stoffer ved almindelige kemiske processer. Elementer er de grundlæggende materialer, som alt stof er sammensat af.

Denne artikel overvejer grundstoffernes oprindelse og deres overflod i hele universet. Den geokemiske fordeling af disse elementære stoffer i jordskorpen og indre behandles i nogen detaljer, ligesom deres forekomst i hydrosfæren og atmosfæren. Artiklen diskuterer også den periodiske lov og tabelarrangementet af grundstofferne baseret på den. For detaljerede oplysninger om grundstoffernes forbindelser, se kemisk forbindelse.

Generelle observationer
På nuværende tidspunkt er der 118 kendte kemiske grundstoffer. Omkring 20 procent af dem findes ikke i naturen (eller findes kun i spormængder) og kendes kun, fordi de er fremstillet syntetisk i laboratoriet. Af de kendte grundstoffer er 11 (brint, nitrogen, oxygen, fluor, klor og de seks ædelgasser) gasser under almindelige forhold, to (brom og kviksølv) er væsker (to mere, cæsium og gallium, smelter ved ca. over stuetemperatur), og resten er faste stoffer. Grundstoffer kan kombineres med hinanden for at danne en lang række mere komplekse stoffer kaldet forbindelser. Antallet af mulige forbindelser er næsten uendeligt; måske en million er kendt, og flere bliver opdaget hver dag. Når to eller flere grundstoffer kombineres for at danne en forbindelse, mister de deres separate identiteter, og produktet har karakteristika, der er helt forskellige fra de bestanddele, der består af. De gasformige grundstoffer brint og oxygen kan for eksempel med ret forskellige egenskaber kombineres og danne det sammensatte vand, som har helt andre egenskaber end enten oxygen eller brint. Vand er tydeligvis ikke et grundstof, fordi det består af, og faktisk kan nedbrydes kemisk til, de to stoffer brint og oxygen; disse to stoffer er imidlertid grundstoffer, fordi de ikke kan nedbrydes til enklere stoffer ved nogen kendt kemisk proces. De fleste prøver af naturligt forekommende stof er fysiske blandinger af forbindelser. Havvand er for eksempel en blanding af vand og en lang række andre forbindelser, hvoraf den mest almindelige er natriumchlorid eller bordsalt. Blandinger adskiller sig fra forbindelser ved, at de kan adskilles i deres bestanddele ved fysiske processer; for eksempel adskiller den simple fordampningsproces vand fra de andre forbindelser i havvand.

Historisk udvikling af begrebet grundstof
Det moderne begreb om et grundstof er entydigt, afhængigt af brugen af kemiske og fysiske processer som et middel til at skelne grundstoffer fra forbindelser og blandinger. Eksistensen af fundamentale stoffer, som alt stof er lavet af, har imidlertid været grundlaget for megen teoretisk spekulation siden historiens begyndelse. De antikke græske filosoffer Thales, Anaximenes og Heracleitus antydede hver især, at alt stof er sammensat af ét væsentligt princip – eller element. Thales mente, at dette grundstof var vand; Anaximenes foreslog luft; og Heracleitus, ild. En anden græsk filosof, Empedokles, udtrykte en anden tro – at alle stoffer er sammensat af fire elementer: luft, jord, ild og vand. Aristoteles var enig og understregede, at disse fire elementer er bærere af grundlæggende egenskaber, tørhed og varme er forbundet med ild, varme og fugt med luft, fugt og kulde med vand og kulde og tørhed med jord. I disse filosoffers tankegang skulle alle andre stoffer være kombinationer af de fire grundstoffer, og stoffers egenskaber blev antaget at afspejle deres grundstofsammensætning. Græsk tankegang omfattede således ideen om, at alt stof kunne forstås ud fra elementære kvaliteter; i denne forstand blev selve elementerne tænkt som ikke-materielle. Det græske begreb om et grundstof, som blev accepteret i næsten 2.000 år, indeholdt kun ét aspekt af den moderne definition – nemlig at grundstoffer har karakteristiske egenskaber.

I den sidste del af middelalderen, som alkymister blev mere sofistikerede i deres viden om kemiske processer, blev de græske begreber om stofsammensætning mindre tilfredsstillende. Yderligere elementære kvaliteter blev introduceret for at rumme nyopdagede kemiske transformationer. Således kom svovl til at repræsentere kvaliteten af brændbarhed, kviksølv den af flygtighed eller flydende, og salt den af fiksitet i brand (eller ubrændbarhed). Disse tre alkymistiske grundstoffer, eller principper, repræsenterede også abstraktioner af egenskaber, der afspejler stoffets natur, ikke fysiske stoffer.

Den vigtige forskel mellem en blanding og en kemisk forbindelse blev til sidst forstået, og i 1661 blev den engelske kemiker Robert Boyle anerkendte den grundlæggende natur af et kemisk grundstof. Han argumenterede for, at de fire græske grundstoffer ikke kunne være de rigtige kemiske grundstoffer, fordi de ikke kan kombineres til at danne andre stoffer, og de kan heller ikke udvindes fra andre stoffer. Boyle understregede grundstoffernes fysiske natur og relaterede dem til de forbindelser, de dannede på den moderne operationelle måde.

I 1789 offentliggjorde den franske kemiker Antoine-Laurent Lavoisier, hvad der kunne betragtes som den første liste over grundstofstoffer baseret på Boyles definition. Lavoisiers liste over grundstoffer blev etableret på grundlag af en omhyggelig, kvantitativ undersøgelse af nedbrydnings- og rekombinationsreaktioner. Fordi han ikke kunne udtænke eksperimenter til at nedbryde visse stoffer eller danne dem fra kendte grundstoffer, inkluderede Lavoisier på sin liste over grundstoffer sådanne stoffer som kalk, aluminiumoxid og silica, som nu er kendt for at være meget stabile forbindelser. At Lavoisier stadig bevarede en vis grad af indflydelse fra det antikke græske begreb om grundstofferne indikeres af hans medtagelse af lys og varme (kalorie) blandt grundstofferne.

Syv stoffer, der i dag anerkendes som grundstoffer – guld, sølv, kobber, jern, bly, tin og kviksølv – var kendt af de gamle, fordi de forekommer i naturen i relativt ren form. De er nævnt i Bibelen og i en tidlig hinduistisk medicinsk afhandling, Caraka-samhita. Seksten andre grundstoffer blev opdaget i anden halvdel af det 18. århundrede, da metoder til at adskille grundstoffer fra deres forbindelser blev bedre forstået. Yderligere 82 fulgte efter indførelsen af kvantitative analytiske metoder.

Grundstoffernes atomare natur
Parallelt med udviklingen af begrebet grundstoffer var en forståelse af naturens natur af stof. På forskellige tidspunkter i historien er stof blevet anset for at være enten kontinuerlig eller diskontinuerlig. Kontinuerligt stof postuleres at være homogent og delbart uden grænser, idet hver del udviser identiske egenskaber uanset størrelse. Dette var i det væsentlige det synspunkt, Aristoteles havde, da han associerede sine elementære kvaliteter med kontinuerligt stof. Diskontinuerligt stof opfattes på den anden side som partikelformigt – det vil sige kun deleligt op til et punkt, det punkt, hvor visse grundenheder kaldet atomer nås. Ifølge dette koncept, også kendt som atomhypotesen, kunne underopdeling af grundenheden (atomet) kun give anledning til partikler med dybt forskellige egenskaber. Atomer ville derfor være de ultimative bærere af de egenskaber, der er forbundet med bulkstof.

Atomhypotesen tilskrives normalt den græske filosof Demokrit, som anså alt stof for at være sammensat af atomer af de fire elementer – jord, luft, ild og vand. Men Aristoteles’ begreb om kontinuerligt stof sejrede generelt og påvirkede tanken, indtil eksperimentelle fund i det 16. århundrede tvang en tilbagevenden til atomteorien. To typer eksperimentelle beviser gav støtte til atomhypotesen: for det første den detaljerede opførsel af gasformige stoffer og for det andet de kvantitative vægtforhold observeret med en række kemiske reaktioner. Den engelske kemiker John Dalton var den første til at forklare de empirisk afledte love for kemisk kombination ved at postulere eksistensen af atomer med unikke sæt egenskaber. På det tidspunkt var kemisk kombinerende kraft (valens) og relative atomvægte de egenskaber, der var mest interessante. Efterfølgende blev der udført adskillige uafhængige eksperimentelle verifikationer af atomhypotesen, og i dag er den universelt accepteret. I 1969 blev individuelle uran- og thoriumatomer faktisk observeret ved hjælp af et elektronmikroskop.

Atomernes struktur
Atomer af elementære stoffer er i sig selv komplekse strukturer sammensat af mere fundamentale partikler kaldet protoner, neutroner og elektroner. Eksperimentelle beviser indikerer, at inden for et atom er en lille kerne, som generelt indeholder både protoner og neutroner, omgivet af en sværm eller sky af elektroner. De grundlæggende egenskaber ved disse subatomære partikler er deres vægt og elektriske ladning. Mens protoner har en positiv ladning og elektroner en negativ, er neutroner elektrisk neutrale. Diameteren af et atom (ca. 10−8 centimeter) er 10.000 gange større end dets kernes. Neutroner og protoner, som tilsammen kaldes nukleoner, har en relativ vægt på cirka en atommasseenhed, hvorimod en elektron kun er omkring 1/2000 så tung. Fordi neutroner og protoner forekommer i kernen, er stort set hele atomets masse koncentreret der. Antallet af protoner i kernen svarer til grundstoffets atomnummer. Det samlede antal protoner og neutroner kaldes massetallet, fordi det er lig med den relative vægt af det atom sammenlignet med andre atomer. Fordi selve atomet er elektrisk neutralt, repræsenterer atomnummeret ikke kun antallet af protoner eller positive ladninger i kernen, men også antallet af elektroner eller negative ladninger i atomets ekstranukleære område.

< p> Grundstoffernes kemiske egenskaber er tæt forbundet med antallet og arrangementet af elektroner i deres atomer. Således er grundstoffer fuldstændigt skelnelige fra hinanden ved deres atomnumre. Erkendelsen af, at det er tilfældet, fører til en anden definition af et grundstof, nemlig et stof, hvis alle atomer har samme atomnummer.

Eksistensen af isotoper
Omhyggelig eksperimentel undersøgelse af naturligt forekommende prøver af mange rene grundstoffer viser, at ikke alle de tilstedeværende atomer har samme atomvægt, selvom de alle har det samme atomnummer. En sådan situation kan kun opstå, hvis atomerne har forskelligt antal neutroner i deres kerner. Sådanne grupper af atomer – med samme atomnummer, men med forskellige relative vægte – kaldes isotoper. Antallet af isotopiske former, som et naturligt forekommende grundstof besidder, varierer fra én (f.eks. fluor) til så mange som ti (f.eks. tin); de fleste af grundstofferne har mindst to isotoper. Atomvægten af et grundstof bestemmes normalt ud fra et stort antal atomer, der indeholder den naturlige fordeling af isotoper, og derfor repræsenterer den den gennemsnitlige isotopvægt af de atomer, der udgør prøven. På det seneste er præcisionsmassespektrometriske metoder blevet brugt til at bestemme fordelingen og vægten af isotoper i forskellige naturligt forekommende prøver af grundstoffer.

Grundstoffernes oprindelse
Det grundlæggende reaktion, der producerer de enorme mængder energi, der udstråles af Solen og de fleste andre stjerner, er fusionen af det letteste grundstof, brint, hvis kerne har en enkelt proton, til helium, det næstletteste og næstmest udbredte, med en kerne bestående af to protoner og to neutroner. I mange stjerner efterfølges produktionen af helium af heliums sammensmeltning til tungere grundstoffer, op til jern. De stadig tungere grundstoffer kan ikke fremstilles i energifrigivende fusionsreaktioner; der kræves et input af energi for at producere dem.

Andelen af forskellige grundstoffer i en stjerne – dvs. dens kemiske sammensætning – ændres gradvist af kernefusionsreaktioner. Denne ændring er oprindeligt koncentreret i de centrale områder af stjernen, hvor den ikke kan observeres direkte, men den ændrer nogle observerbare egenskaber ved stjernen, såsom lysstyrke og overfladetemperatur, og disse ændringer tages som bevis på, hvad der foregår i interiør. Nogle stjerner bliver ustabile og udleder noget transmuteret stof i det interstellare rum; dette fører til en ændring i den kemiske sammensætning af det interstellare medium og af eventuelle stjerner, der efterfølgende dannes. Hovedproblemet med oprindelsen af de kemiske grundstoffer er at afgøre, i hvor høj grad den kemiske sammensætning af stjernerne, der ses i dag, adskiller sig fra den oprindelige kemiske sammensætning af universet, og at bestemme, hvor ændringen i kemisk sammensætning er frembragt. Der henvises i denne artikel til universets kemiske sammensætning, men de fleste af observationerne refererer til vores egne og nabogalakser.

Kosmiske overflod af grundstofferne
relative antal af atomer af de forskellige grundstoffer beskrives normalt som grundstoffernes overflod. De vigtigste datakilder, hvorfra der opnås information om nutidens overflod af grundstofferne, er observationer af den kemiske sammensætning af stjerner og gasskyer i galaksen, som indeholder solsystemet, og hvoraf en del er synlig for det blotte øje som Mælkevejen; af nabogalakser; af Jorden, Månen og meteoritter; og af de kosmiske stråler.

Stjerner og gasskyer
Atomer absorberer og udsender lys, og hvert grundstofs atomer gør det ved specifikke og karakteristiske bølgelængder. Et spektroskop spreder disse bølgelængder af lys fra enhver kilde til et spektrum af klare linjer, et forskelligt mønster, der identificerer hvert element. Når lys fra en ukendt kilde analyseres i et spektroskop, afslører de forskellige mønstre af lyse linjer i spektret, hvilke grundstoffer der udsendte lyset. Et sådant mønster kaldes et emissions- eller lyslinjespektrum. Når lys passerer gennem en gas eller sky ved en lavere temperatur end lyskilden, absorberer gassen ved sine identificerende bølgelængder, og der vil dannes en mørk linje eller absorptionsspektrum.

Således vil absorption og emissionslinjer i lysspektret fra stjerner giver information om den kemiske sammensætning af lyskilden og om den kemiske sammensætning af skyer, som lyset har rejst igennem. Absorptionslinjerne kan være dannet enten af interstellare skyer eller af stjernernes kølige ydre lag. Den kemiske sammensætning af en stjerne opnås ved en undersøgelse af absorptionslinjer dannet i dens atmosfære.

Tilstedeværelsen af et grundstof kan derfor let påvises, men det er sværere at bestemme, hvor meget af det der er. Intensiteten af en absorptionslinje afhænger ikke kun af det samlede antal atomer af grundstoffet i stjernens atmosfære, men også af antallet af disse atomer, der er i en tilstand, der er i stand til at absorbere stråling af den relevante bølgelængde og sandsynligheden for absorption forekommende. Absorptionssandsynligheden kan i princippet måles i laboratoriet, men hele atmosfærens fysiske struktur skal beregnes for at bestemme antallet af absorberende atomer. Naturligvis er det lettere at studere Solens kemiske sammensætning end af andre stjerner, men selv for Solen er der efter mange årtiers studier stadig betydelige usikkerheder med hensyn til den kemiske sammensætning. Stjernernes spektre adskiller sig betydeligt, og oprindeligt mente man, at dette indikerede en lang række forskellige kemiske sammensætninger. Efterfølgende blev det indset, at det er overfladetemperaturen på en stjerne, der i høj grad bestemmer, hvilke spektrallinjer der er exciterede, og at de fleste stjerner har lignende kemiske sammensætninger.

Der er dog forskelle i kemisk sammensætning blandt stjerner, og disse forskelle er vigtige i en undersøgelse af grundstoffernes oprindelse. Undersøgelser af de processer, der fungerer under stjernernes udvikling, gør det muligt at foretage skøn over stjernernes aldre. Der er for eksempel en klar tendens til, at meget gamle stjerner har mindre mængder af grundstoffer, der er tungere end helium, end yngre stjerner har. Dette tyder på, at galaksen oprindeligt indeholdt lidt af de såkaldte tunge grundstoffer (grundstoffer ud over helium i det periodiske system); og variationen i den kemiske sammensætning med alderen tyder på, at tunge grundstoffer må være blevet produceret hurtigere i galaksens tidlige historie end nu. Observationer begynder også at indikere, at den kemiske sammensætning er afhængig af position i galaksen såvel som alder, med et højere indhold af tunge grundstoffer nær det galaktiske centrum.

Udover stjerner indeholder galaksen interstellar gas og støv. Noget af gassen er meget koldt, men noget danner varme skyer, de gasformige tåger, hvis kemiske sammensætning kan studeres i nogen detaljer. Den kemiske sammensætning af gassen ser ud til at ligne unge stjerners. Dette er i overensstemmelse med teorien om, at unge stjerner dannes af den interstellare gas.

Kosmiske stråler
Højenergiske elektroner og atomkerner kendt som kosmiske stråler når Jorden fra alle retninger i galaksen. Deres kemiske sammensætning kan kun observeres i begrænset omfang, men dette kan give nogle oplysninger om deres oprindelsessted og muligvis om oprindelsen af de kemiske grundstoffer.

De kosmiske stråler observeres at være forholdsmæssigt rigere på tunge grundstoffer end stjernerne, og de indeholder også flere af de lette grundstoffer lithium, beryllium og bor, som er meget sjældne i stjerner. Et særligt interessant forslag er, at transurankerner kan være blevet påvist i de kosmiske stråler. Uran er grundstof 92, det mest massive naturligt forekommende på Jorden; 20 grundstoffer ud over uran (kaldet transuran-serien) er blevet til kunstigt. Alle transurankerner er meget ustabile, hvilket synes at indikere, at de kosmiske stråler må være blevet produceret i en ikke alt for fjern fortid.

Der er dog forskelle i kemisk sammensætning blandt stjerner, og disse forskelle er vigtig i en undersøgelse af grundstoffernes oprindelse. Undersøgelser af de processer, der fungerer under stjernernes udvikling, gør det muligt at foretage skøn over stjernernes aldre. Der er for eksempel en klar tendens til, at meget gamle stjerner har mindre mængder af grundstoffer, der er tungere end helium, end yngre stjerner har. Dette tyder på, at galaksen oprindeligt indeholdt lidt af de såkaldte tunge grundstoffer (grundstoffer ud over helium i det periodiske system); og variationen i den kemiske sammensætning med alderen tyder på, at tunge grundstoffer må være blevet produceret hurtigere i galaksens tidlige historie end nu. Observationer begynder også at indikere, at den kemiske sammensætning er afhængig af position i galaksen såvel som alder, med et højere indhold af tunge grundstoffer nær det galaktiske centrum.

Udover stjerner indeholder galaksen interstellar gas og støv. Noget af gassen er meget koldt, men noget danner varme skyer, de gasformige tåger, hvis kemiske sammensætning kan studeres i nogen detaljer. Den kemiske sammensætning af gassen ser ud til at ligne unge stjerners. Dette er i overensstemmelse med teorien om, at unge stjerner dannes af den interstellare gas.

Kosmiske stråler
Højenergiske elektroner og atomkerner kendt som kosmiske stråler når Jorden fra alle retninger i galaksen. Deres kemiske sammensætning kan kun observeres i begrænset omfang, men dette kan give nogle oplysninger om deres oprindelsessted og muligvis om oprindelsen af de kemiske grundstoffer.

De kosmiske stråler observeres at være forholdsmæssigt rigere på tunge grundstoffer end stjernerne, og de indeholder også flere af de lette grundstoffer lithium, beryllium og bor, som er meget sjældne i stjerner. Et særligt interessant forslag er, at transurankerner kan være blevet påvist i de kosmiske stråler. Uran er grundstof 92, det mest massive naturligt forekommende på Jorden; 20 grundstoffer ud over uran (kaldet transuran-serien) er blevet til kunstigt. Alle transurankerner er meget ustabile, hvilket synes at indikere, at de kosmiske stråler må være blevet produceret i en ikke alt for fjern fortid.

Solsystem
Direkte observationer af kemiske stoffer sammensætning kan laves for Jorden, Månen og meteoritter, selvom der er nogle fortolkningsproblemer. Den kemiske sammensætning af Jordens skorpe, oceaner og atmosfære kan studeres, men dette er kun en lille brøkdel af Jordens masse, og der er mange sammensætningsforskelle selv inden for denne lille prøve. Nogle oplysninger om de kemiske egenskaber af Jordens uobserverede indre kan fås ved at studere jordskælvsbølgernes bevægelse og af Jordens magnetfelt, som stammer fra det indre (se nedenfor Geokemisk fordeling af grundstofferne).

Indtil for nylig vidste man mere om grundstofoverflod i fjerne stjerner end i Jordens nærmeste nabo, Månen. Månelandingerne har givet prøver, der er blevet intensivt analyseret i mange laboratorier over hele verden. Dataene for Apollo 11-materialet, indsamlet i Stillehavet (Mare Tranquillitatis), er angivet i tabellen. Analyser af Apollo 12-samlinger er ens for de fleste elementer. Sammenligning af de analytiske data med dem for kulstofholdige kondritter (en type meteorit, der giver en god gennemsnitlig prøve af ikke-flygtigt solsystemmateriale) viser, at månematerialet har gennemgået en markant geokemisk fraktionering (segregation af elementer). Meteoritter lider under opvarmning i Jordens atmosfære, så det, der findes på Jorden, ikke nødvendigvis er meteoritternes oprindelige kemiske sammensætning, især for de flygtige stoffer, lette gasser, der let går tabt. Når der tages højde for tabet af flygtige lette gasser og for virkningerne af kemisk adskillelse synes det meget muligt, at den overordnede kemiske sammensætning af Jorden, Månen, Solen og meteoritterne i det væsentlige er den samme, og at de har en fælles oprindelse.

E-mail: hi@familyfully.com