Στοιχεία

Ουσίες με ομογενή ατομική σύσταση, που αντιπροσωπεύουν τα τελικά όρια στα οποία όλα τα υλικά σώματα μπορούν να υποδιαιρεθούν με χημικά μέσα. Στα σ., στην ελεύθερη κατάσταση τους (μη ενωμένα) τα άτομα συνενώνονται σε μόρια που αποτελούνται από 2 έως 8 άτομα, με εξαίρεση τα αδρανή αέρια που έχουν μόρια μονοατομικά. Τα έως τώρα βεβαιωμένα σ. είναι 103, και επιπλέον το σ. 104, που απομονώθηκε το 1967 και για το οποίο προτάθηκε το όνομα curciatovio από αυτά, περίπου 90 βρίσκονται στη φύση, σε καθαρή κατάσταση ή ενωμένα, ενώ τα άλλα, που λέγονται τεχνητά σ., μπορούν να ληφθούν με βομβαρδισμό των ατομικών πυρήνων διάφορων σ. με ηλεκτρόνια, νετρόνια ή άλλα ατομικά σωματίδια. Τα σ. που ήταν γνωστά από την αρχαιότητα σε καθαρή κατάσταση είναι 10 –χρυσός, άργυρος, υδράργυρος, μόλυβδος, αντιμόνιο, κασσίτερος, χαλκός, σίδηρος, θείο και άνθρακας–, αλλά αν και μελετήθηκαν διεξοδικά και χρησιμοποιήθηκαν από τους αλχημιστές, δεν θεωρήθηκαν ως σ. Η σύγχρονη άποψη περί των σ. ανακοινώθηκε για πρώτη φορά το 1661 από το Ρόμπερτ Μπόιλ στην εργασία του Ο σκεπτικιστής χημικός και τελειοποιήθηκε κατόπιν από τον Λαβουαζιέ, που εισήγαγε την έννοια της ποσοτικής χημείας δίνοντας έτσι ένα ισχυρό θεμέλιο στην ατομική θεωρία της ύλης. Τα περισσότερα σ. ανακαλύφτηκαν και απομονώθηκαν κατά το 19o αι. είτε χάρη στις θεωρητικές εξελίξεις της χημείας είτε ως συνέπεια νέων μεθόδων ανάλυσης, όπως η ηλεκτρόλυση και η φασματοσκοπία· στο τέλος του αιώνα τα γνωστά σ. ήταν ήδη 82. Στον αιώνα μας ανακαλύφτηκαν τα ραδιενεργά στοιχεία, τα ισότοπα και η δυνατότητα μετατροπής ενός σ. σ’ ένα άλλο (μεταστοιχείωση) με τη διάσπαση ή τροποποίηση του ατομικού πυρήνα. Τα φαινόμενα της φυσικής και τεχνητής ραδιενέργειας, η σχάση και η πυρηνική σύντηξη επέτρεψαν να εντοπιστούν και να παραχθούν τεχνητά οι μετατροπές των ατομικών πυρήνων ενός σ. σε πηρήνες ενός άλλου. Το σημαντικότερο επίτευγμα στον τομέα της μετατροπής των ατομικών πυρήνων είναι η σύνθεση νέων σ. πέρα από το ουράνιο, γεγονός που ανέβασε από 92 σε 103 τον αριθμό των γνωστών στοιχείων. Χάρη στις ως τώρα έρευνες και σ’ εκείνες που συνεχίζονται, η έννοια του σ. εμπλουτίστηκε και συμπληρώθηκε τόσο, ώστε είναι καθορισμένη η σχέση μεταξύ της χημικής συμπεριφοράς ενός σ. και της δομής των ατόμων που το συνιστούν. Τα άτομα των διάφορων σ. διαφέρουν μεταξύ τους κατά τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα τους, ο οποίος εκφράζεται με τον «ατομικό αριθμό» και αντιστοιχεί στο άθροισμα των ηλεκτρόνιων που τροχιοδρομούν γύρω απ’ αυτόν τον πυρήνα. Το άθροισμα των πρωτονίων και των νετρονίων που συνιστούν τον πυρήνα δίνεται με τον «μαζικό αριθμό», ο οποίος αντιστοιχεί με το ατομικό βάρος. Ο αριθμός της μάζας είναι πάντοτε ακέραιος, επειδή δεν είναι δυνατό να υπάρχουν κλάσματα πρωτονίων ή νετρονίων, ενώ το ατομικό βάρος είναι σχεδόν πάντοτε αριθμός με πολλά δεκαδικά ψηφία. Αυτό συμβαίνει γιατί το ατομικό βάρος αντιστοιχεί στο μέσο ανάλογο των μαζικών αριθμών των ισότοπων του σ. που υπάρχουν στη φύση. Τα ισότοπα ενός σ., αν και έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα, έχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων και έτσι διαφορετικό αριθμό μάζας. Ο ίσος αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα, και συνεπώς η ίδια διάταξη του ηλεκτρονιακού νέφους, καθορίζουν χημικές ιδιότητες σχεδόν ταυτόσημες και γι’ αυτό τα ισότοπα ενός σ. δεν μπορούν να διαχωριστούν μεταξύ τους με χημικές μεθόδους. Ως παράδειγμα, το απλούστερο σ., το υδρογόνο, αποτελείται από τρία ισότοπα με αριθμό μάζας 1,2 και 3 ονομαζόμενα αντίστοιχα υδρογόνο, δευτέριο και τρίτιο και αποτελούμενα από ένα πρωτόνιο, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια· το ατομικό βάρος είναι 1,00797 και αντιστοιχεί στο μέσο ανάλογο των τριών μαζικών αριθμών. Στην περίπτωση των τεχνητών σ., που είναι ανύπαρκτα στη φύση, λαμβάνεται ως ατομικό βάρος ο μαζικός αριθμός του πιο σταθερού ισότοπου. Επειδή τα ατομικά βάρη των διάφορων σ. είναι αμοιβαία εξαρτημένα αφού ρυθμίζουν τις σχέσεις των συνδυασμών τους έχει αποφασιστεί με διεθνή συμφωνία να αναφέρονται στο βάρος του οξυγόνου που έχει καθοριστεί ως 16 (στην πραγματικότητα είναι 15,9994). Σε παραλλαγή, τα ατομικά βάρη μπορούν επίσης να ανάγονται στο ατομικό βάρος του άνθρακα, το οποίο στην περίπτωση αυτή θεωρείται 12, ενώ είναι 12,01115. Περιοδικό σύστημα των στοιχείων. Η ανάγκη να ταξινομηθούν σε ομάδες τα σ. που παρουσιάζουν αναλογίες στις ιδιότητες τους ήταν επιτακτική από τη γέννηση της χημείας ως επιστήμης. Αρχικά επιχείρησαν να ταξινομήσουν τα σ. σύμφωνα με το ατομικό τους βάρος, αλλά παρατήρησαν σύντομα ότι πολλά σ. με παραπλήσιο ατομικό βάρος δεν ήταν εντελώς όμοια. Ύστερα από πολλές άκαρπες προσπάθειες, το 1862 ο Γάλλος χημικός Σανσουρτουά κατάταξε τα σ. κατά αύξουσα σειρά ατομικού βάρους κατά μήκος μιας ταινίας που σχηματίζει έλικα στην επιφάνεια ενός κυλίνδρου, έτσι ώστε στην ίδια κάθετο προς τη βάση να συμπίπτουν σ. με ανάλογα χαρακτηριστικά. Το σύστημα αυτό τελειοποίησε μετέπειτα ο Νιούλαντς (Αλεξάντερ Ρέινα, 1838-1898), αλλά το σύστημά του ανταποκρινόταν μόνο σ’ ένα μέρος των γνωστών σ. Το πρόβλημα της περιοδικής κατάταξης των σ. λύθηκε τελικά σχεδόν πλήρως από τον Ρώσο χημικό Μεντελέγεβ, ο οποίος δημοσίευσε έναν πίνακα, τον Μάρτιο του 1869, με όλα τα σ. που ήταν έως τότε γνωστά. Το σύστημα αυτό περιλάμβανε 63 σ. καταταγμένα σε 8 στήλες των 12 γραμμών. Τα πολλά κενά και οι σχετικές αβεβαιότητες σε πολλά ατομικά βάρη συντέλεσαν να φανεί ακόμα περισσότερο μεγαλειώδης και τολμηρή η περιληπτική αυτή σύνθεση του πίνακα, εμπνευσμένη όμως από τη βαθιά πεποίθηση στην ισχύ του φυσικού νόμου της περιοδικότητας στις ιδιότητες των σ. Αφού πείστηκε για τη γενική ισχύ αυτού του νόμου, ο Μεντελέγεβ είχε το θάρρος να αφήσει τις θέσεις κενές για τα σ. που έλειπαν από τον πίνακα. Για να καλυφθούν οι θέσεις αυτές, ο ίδιος προϋπόθεσε την ύπαρξη τριών σ., που τα ονόμασε εκα-βόριο, εκα-αργίλιο και εκα-πυρίτιο (όπου η πρόθεση «έκα» σημαίνει «κάτω» και εδώ χρησιμοποιείται για τον ακριβή εντοπισμό), σημειώνοντας επίσης και τις κύριες χημικές και φυσικές ιδιότητες που θα έπρεπε να έχουν αυτά τα τρία άγνωστα τότε στοιχεία. Η ανακάλυψη αυτών των σ. –γάλιο, σκάνδιο και γερμάνιο– υπήρξε η πιο εντυπωσιακή και λαμπρή επιβεβαίωση των γενικών απόψεων του Μεντελέγεβ. Κατά τις επόμενες δεκαετίες το περιοδικό σύστημα υπέστη πολλές επεξεργασίες· ειδικής σημασίας, είναι η παρεμβολή της ομάδας των σ. με σθένος μηδέν που αποτελείται από τα αδρανή (ή ευγενή) αέρια, τα οποία ανακαλύφτηκαν κατά τα τέλη του 19ου αι. Οι συσσωρευόμενες γνώσεις γύρω από τη δομή του ατόμου, και ειδικά η ανακοίνωση του πλανητικού ατομικού υποδείγματος του Ράδερφορντ και η επακόλουθη επεξεργασία από τον Μπορ, έφεραν μια βαθύτερη κατανόηση του νόμου της περιοδικότητας. Το 1913 ο Μόσλεϊ επιβεβαίωσε ότι η συμπεριφορά των σ. είναι συνάρτηση του ατομικού αριθμού αντί του ατομικού βάρους τους. Με την παραδοχή του νέου αυτού κριτηρίου έγινε δυνατή η διόρθωση μερικών ανωμαλιών στην αρχική κατάταξη: ορισμένα σ., που με κριτήριο το ατομικό βάρος τους θα έπρεπε να προηγούνται από άλλα, αποδείχτηκε ότι έπρεπε να έπονται, αν γίνει παραδεκτός ο κανόνας της περιοδικότητας των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων. Οι πιο αξιοσημείωτες σχετικές περιπτώσεις είναι τα ζεύγη κάλιο-αργό, νικέλιο-κοβάλτιο, ιώδιο-τελούριο, στα οποία το πρώτο σ. έχει ατομικό βάρος μικρότερο από το δεύτερο, παρότι έχει ατομικό αριθμό μεγαλύτερο και κατέχει μια επόμενη θέση στο περιοδικό σύστημα. Από την άλλη άποψη, η ιδέα της ισοτοπίας, που εισήγαγε ο Σόντυ (1911), επέτρεπε να εμπλουτιστεί αυτή η ίδια η έννοια του χημικού σ. που έγινε με βάση το περιοδικό σύστημα. Περιοδική δομή και περιοδική κατάταξη. Τα χημικά χαρακτηριστικά των σ. καθορίζονται από το μέγεθος και από τη διαμόρφωση του ηλεκτρονιακού νέφους, που περιβάλλει τον πυρήνα. Τα περιφερόμενα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα είναι όλα εφοδιασμένα με διαφορετικές ενέργειες και είναι συγκροτημένα σε διαφορετικά στρώματα τα οποία, με τη διεθνή ορολογία (όχι πολύ ακριβή, αλλά κατανοητή), στο εξής θα τα καλούμε orbital (τροχιακά, από το orbit = τροχιά). Η στάθμη ενέργειας, ενός ηλεκτρονίου παριστάνεται με τέσσερις κβαντικούς αριθμούς: 1) τον κύριο κβαντικό αριθμό, με σύμβολο το γράμμα «n», o οποίος δείχνει το orbital στο οποίο ανήκει το ηλεκτρόνιο και η τιμή του αρχίζει από 1 για το orbital K μέχρι 6 για το orbital Ρ· 2) το δευτερεύοντα κβαντικό αριθμό ή αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό, με σύμβολο το γράμμα «l», ο οποίος δείχνει το υπο-orbital στο οποίο ανήκει το ηλεκτρόνιο. Το δεδομένο αυτό είναι επακόλουθο του ελλειπτικού χαρακτήρα των πλανητικών orbitals, εκτός του Κ, που είναι τελείως κυκλικό. Μετά το τροχιακό L έχουμε διάφορα υπο-τροχιακά, τα οποία αποτελούνται από ελλείψεις που έχουν όλες τον ίδιο κύριο άξονα, ο οποίος αντιστοιχεί στη διάμετρο του υποθετικού κυκλικού orbital. To υπο - orbital ή οι στιβάδες υπο - orbitals συμβολίζονται με τα γράμματα s, ρ, d, f, g, h κλπ.· 3) το μαγνητικό κβαντικό αριθμό, με σύμβολο το γράμμα «m», που δείχνει την κλίση του ηλεκτρονίου στοn χώρο του orbital και ο οποίος μπορεί να πάρει τιμές θετικές ή αρνητικές· 4) το ηλεκτρονιακό σπιν, με σύμβολο το γράμμα «s», το οποίο μας δείχνει αν η περιστροφή του ηλεκτρόνιου γύρω από τον κύριο άξονα γίνεται κατά την αυτή ή κατά την αντίθετη φορά προς το orbital περιστροφή. Δεδομένου ότι ο άξονας της περιστροφής θεωρείται κάθετος στο επίπεδο του orbital, το σπιν μπορεί να έχει μόνο δύο τιμές: + 1/2 ή – 1/2. Η δυνατότητα μερικών ηλεκτρόνιων να περιφέρονται μεταξύ δύο διάφορων ενεργειακών στιβάδων δημιουργώντας μια κατάσταση συντονισμού, εξηγεί την αιτία του χρωματισμού μερικών σ. και της εμφάνισης ή εξαφάνισης του χρωματισμού με τη μεταβολή της κατάστασης οξείδωσης. Οι σχέσεις μεταξύ χρωματισμού και κατάστασης ηλεκτρονιακού συντονισμού είναι ανάλογες προς εκείνες που συναντούμε στις οργανικές χρωστικές. Η ηλεκτρονική χωροδιάταξη των ευγενών αερίων είναι η εξής: Κ L Μ Ν Ο Ρ ήλιο 2 νέον 2 8 αργόν 2 8 8 κρυπτόν 2 8 18 8 ξένον 2 8 18 18 8 ραδόνιο 2 8 18 32 18 8 Οι αριθμοί 2, 8, 18 και 32 αντιστοιχούν σε σχετικά πλήρη κορεσμό των υπο-orbitals στιβάδων s - s, ρ - s, ρ, d - s, ρ, d, f. Τα ευγενή αέρια αποτελούν τα τελευταία σ. σε κάθε περίοδο του συστήματος και έχουν ηλεκτρονιακή χωροδιάταξη προς την οποία τείνουν τα άλλα σ. της ίδιας περιόδου. Ο κορεσμός των εξωτερικών orbitals που είναι ασυμπλήρωτα μπορεί να γίνει ή με πρόσληψη ηλεκτρόνιων ή με απώλεια ηλεκτρόνιων, από τα πιο εξωτερικά orbitals, ανάλογα με το αν τα ηλεκτρόνια που λείπουν ήταν σαφώς λιγότερα ή σαφώς περισσότερα από εκείνα που ήδη υπάρχουν στις στιβάδες υπο-orbitals για να συμπληρωθούν. Στην πρώτη περίπτωση το σ. δημιουργεί αρνητικά ιόντα και θεωρείται ως αμέταλλο, στη δεύτερη περίπτωση δίνει θετικά ιόντα και είναι μέταλλο. Όταν μια ηλεκτρονιακή σταθερή χωροδιάταξη μπορεί να πραγματοποιηθεί με απόκτηση ή απώλεια ενός αριθμού, σχεδόν ίσου, ηλεκτρόνιων, το σ. δείχνει χαρακτήρα επαμφοτερίζοντα και δημιουργεί, ανάλογα με τις συνθήκες, ανιόντα ή κατιόντα. Η αναλογία της ηλεκτρονιακής δομής καθορίζει ιδιότητες ανάλογες στα σ. κάθε ομάδας ή οικογένειας· η ομάδα μηδέν περιλαμβάνει τα ευγενή αέρια, που χαρακτηρίζονται από τη μέγιστη χημική αδράνεια· η πρώτη ομάδα συγκεντρώνει τα αλκαλικά μέταλλα, τα οποία είναι όλα πολύ δραστικά, ισχυρώς κατιονικά, πολύ μαλακά και με χαμηλό σημείο τήξης. Η επομένη ομάδα (2η) περιλαμβάνει τα γαιοαλκαλικά μέταλλα (αλκαλικές γαίες), που χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη σκληρότητα, υψηλότερο σημείο της τήξης και μικρότερη δραστικότητα. Η σκληρότητα και το σημείο τήξης αυξάνονται περισσότερο στις ομάδες 3η και 4η και ελαττώνονται εκ νέου στην 5η, 6η και 7η. Τα σκληρότερα και με υψηλότερο σημείο τήξης μέταλλα –κοβάλτιο, ράδιο, ιρίδιο– βρίσκονται πράγματι στο κέντρο των μακρών περιόδων. Το σθένος των σ. εξαρτιέται από τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα: το μέγιστο θετικό σθένος ή κατάσταση οξείδωσης αντιστοιχεί στον αριθμό της ομάδας ή οικογένειας, ενώ το μέγιστο αρνητικό σθένος δίνεται από τη διαφορά μεταξύ του 8 και του αριθμού της ομάδας. Ως προς τις χημικές ιδιότητες παρατηρείται γενικά ότι τα μέταλλα βρίσκονται αριστερά και στο κέντρο του πίνακα, τα μεταλλοειδή δεξιά και προς τα άνω και τα επαμφοτερίζοντα στη ζώνη κατά μήκος της διαγώνιας μεταξύ βόριου και πολώνιου. Το μέγεθος των ατόμων, σημαντικό γιατί προσδιορίζει τον αριθμό συνδιάταξης, ελαττώνεται προοδευτικά από την κάτω αριστερά γωνία προς την άνω δεξιά. Αν ο πίνακας παρατηρηθεί σε οριζόντια κατεύθυνση, τα σ. υποδιαιρούνται σε 7 περιόδους. Η πρώτη περίοδος, που περιέχει το υδρογόνο και το ήλιο, χαρακτηρίζεται από ένα μόνο ηλεκτρονιακό orbital, το Κ, που είναι συμπληρωμένο στο ήλιο. Η δεύτερη περίοδος, που περιέχει 8 σ., έχει το orbital K ήδη κορεσμένο και τείνει να συμπληρώσει το orbital L που μπορεί να περιλαμβάνει 2 ηλεκτρόνια «s» και 6 ηλεκτρόνια «ρ». Η τρίτη περίοδος, και αυτή με 8 σ., έχει τα orbital L και Β κορεσμένα και τείνει να συμπληρώσει το Μ, που μπορεί να περιέχει 2 ηλεκτρόνια «s» και 6 «ρ» (χωροδιάταξη του αργού). Η τέταρτη περίοδος περιέχει 18 σ. και τείνει να συμπληρώσει τα orbitals Μ και Ν, που είναι κορεσμένα στο κρυπτόν. Εξαιτίας των διαφορετικών ενεργειακών στιβάδων, η συμπλήρωση των orbitals γίνεται με αυτή τη σειρά: πρώτα 2 ηλεκτρόνια «s» στο Ν, έπειτα 10 ηλεκτρόνια «d» στο Μ και τέλος 6 ηλεκτρόνια «ρ» στο Ν. Η πέμπτη περίοδος, πάντοτε με 18 σ., έχει τα orbitals Κ, L και Μ ήδη κορεσμένα και τείνει στη συμπλήρωση της δεύτερης οκτάδας του Ν και της διαδοχικής στιβάδας υπο-orbital με 10 ηλεκτρόνια «d». Η έκτη περίοδος, με 32 σ., περιλαμβάνει την ομάδα των λανθανιδών και τείνει να συμπληρώσει τις στιβάδες υπο-orbitals 4f (14 ηλεκτρόνια), 5d (10 ηλεκτρόνια) και την οκτάδα 6s και 6p. Η έβδομη περίοδος είναι ασυμπλήρωτη επειδή έχει μόνο 17 σ. αντί 32. Τα άλλα 15 στοιχεία, από το 104 ;eως το 118, έχουν θεωρητικά τη δυνατότητα να υπάρχουν, αλλά η απομόνωσή τους θα είναι σχεδόν αδύνατη, εξαιτίας του βραχύτατου χρόνου ζωής τους, που οφείλεται στην αστάθεια των πυρήνων τους. Η περίοδος αυτή τείνει στη συμπλήρωση των στιβάδων υπο-orbitals «s» της Q και «d» της Ρ. Όλα τα πέραν του ουρανίου σ., που λέγονται και ακτινίδες,, είναι ραδιενεργά και πολλά από αυτά έχουν περιόδους υποδιπλασιασμού μάλλον μικρές. Κανένα από αυτά δεν υπάρχει στη φύση.

* * *

ἡ, Α [στοῑχος]

προσωνυμία τής Αθηνάς.