Elements químics

Extret de Viquipèdia

Els elements químics són substàncies pures que no es poden descompondre en cap altra substància pura més senzilla mitjançant mètodes químics. Des del punt de vista atòmic tots els àtoms d’un element tenen el mateix nombre de protons al seu nucli, podent variar el nombre de neutrons (isòtops). Aquest nombre es coneix com a nombre atòmic de l’element i se simbolitza per la lletra Z.

Es coneixen 118 elements químics diferents, dels quals 90 són naturals, i la resta generats artificialment. Cada element es representa per un símbol d’una o dues lletres, segons la proposta de Berzelius. Els elements químics se solen classificar mitjançant la taula periòdica.

És interessant també consultar la pàgina sobre els radioisòtops

Els àtoms d’un element químic es poden combinar amb si mateixos per formar una molècula, i en funció del nombre d’àtoms que es combinen es poden classificar en:

• Monoatòmics: presenten un únic àtom, és a dir, la fórmula coincideix amb el símbol que els representa. Únicament hi ha els gasos nobles: He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn.
• Diatòmics: la molècula està formada per dos àtoms. És el cas de la majoria dels elements situats a la dreta de la taula com ara el clor, Cl2, el fluor, F2, el nitrogen, N2, l’oxigen, O2,…
• Poliatòmics: les molècules estan formades per més de dos àtoms, per exemple el fòsfor, P4, el sofre, S8, o bé formen una xarxa metàl·lica tridimensional (és el cas del coure, l’or o el sodi).

Història

Primeres teories. Els quatre elements

L’ésser humà, des de la prehistòria, cercant l’origen i naturalesa de tot quan el rodejava creà mites en els quals cada cosa, cada força natural, era un déu o una figura humana; d’aquí les teogonies i les cosmologies dels pobles primitius, en les quals els fenòmens s’imaginaven produïts per l’acció d’agents sobrenaturals. La intervenció d’aquests agents explicava totes les anomalies aparents de l’univers. Aquest estat teològic de la ciència va perdurar fins al segle VI aC, quan aparegué a Grècia un poderós moviment intel·lectual i els seus més grans filòsofs especularen sobre el món i sobre la naturalesa de la matèria, i plantejaren clarament molts dels problemes fonamentals de la ciència. La idea de l’existència d’un principi permanent origen de tot fou tractada per primer cop per Tales de Milet, aproximadament entre el 624 i el 565 aC. Segons Tales tot estava fet d’aigua. Anaxímenes (585-524 aC) pensà que el principi de tot era l’aire i Heràclit d’Efes (540-475 aC) optà pel foc.[^Les obres i idees d’Heràclit que han perdurat fins als nostres temps provenen de cites a les obres d’Aristòtil] Després Empèdocles d’Agrigent (500-430 aC) agrupà en una sola teoria els principis d’aquests filòsofs i hi afegí un quart principi, la terra. naixia així la teoria dels quatre elements: terra, aigua, aire i foc, que servien de suport a les qualitats fonamentals calent i fred i sec i humit, i a dues forces còsmiques, l’amor i l’odi. Aquesta teoria dels quatre elements fou acceptada per Aristòtil (384-322 aC), la qual autoritat permeté la seva expansió per tot el món i la seva perduració durant uns dos mil anys.

La tria prima dels alquimistes

Durant l’Edat mitjana els alquimistes consideraren als metalls com a cossos composts formats per dues qualitats-principis comuns, el mercuri, que representava el caràcter metàl·lic i la volatilitat, i el sofre, que tenia la propietat de la combustibilitat. Amb el temps s’uní un tercer principi, la sal, que representava la propietat de la solidesa i la de la solubilitat. Aquests tres principis o elements, s’anomenaren tria prima i substituïren als quatre elements d’Aristòtil. Conseqüència de les teories dels alquimistes fou la possibilitat de la transmutació dels metalls innobles en nobles i, concretament, la conversió del plom, mercuri i altres metalls en or. Aquesta transmutació, coneguda com la Gran Obra només es podia realitzar en presència de la pedra filosofal, l’obtenció de la qual fou el primer objectiu dels alquimistes.

L’element de Robert Boyle

El científic irlandès Robert Boyle (1627-1691) fou el primer químic que rompé amb la tradició alquimista de forma oberta en el seu llibre The Sceptical Chymist, “El químic escèptic”, de 1661.[^Boyle, R. The sceptical chymist: or Chymico-physical doubts & paradoxes,… (en anglès). Londres: F. Crooke, 1661.] En aquest llibre Boyle estableix el concepte modern d’element quan diu que els elements són «certs cossos primitius i simples que no estan formats d’altres cossos, ni un dels altres, i que són els ingredients dels quals es componen immediatament i en els quals es resolen en darrer terme tots els cossos perfectament mixtos» i suposa que el seu nombre ha de ser molt superior als tres dels alquimistes o als quatre d’Aristòtil. Tanmateix, Boyle mantenia la idea de la transmutació dels metalls i atribuïa al foc un caràcter material.

La definició de Lavoisier

Antoine L. Lavoisier (1743-1794) establí la definició precisa d’element químic quan demostrà que podia descompondre aigua en oxigen i hidrogen (anàlisi de l’aigua) i que també podia combinar aquests dos gasos per a obtenir aigua (síntesi de l’aigua). L’aigua deixà de ser un element. Lavoisier adoptà el concepte de Boyle d’element químic però basat en el resultat experimental. Per a Lavoisier un element químic és una substància pura que no es pot descompondre. Però el fet de considerar una substància com a element és temporal, ja que amb noves tècniques analítiques potser en el futur es podrà descompondre en altres cossos simples. Amb aquesta definició els químics pogueren establir quines substàncies de les conegudes eren elements i, després, reconeguda l’existència de nous elements en l’estudi de les propietats dels cossos, aïllar-los a partir dels seus compostos.[^Babor, J.A.; Ibarz, J. Química General Moderna (en castellà). 8a. Barcelona: Marín, 1979. ISBN 84-7102-997-9.]

La teoria atòmica de Dalton

El suport teòric a la definició empírica de Lavoisier fou obra del químic anglès John Dalton, amb la seva teoria atòmica publicada el 1808..[4] En ella presenta les següents hipòtesis:

1. Els elements estan constituïts per àtoms consistents en partícules separades i indestructibles.
2. Els àtoms d’un mateix element són iguals en massa i en la resta de qualitats.
3. Els àtoms de distints elements tenen diferents massa i propietats.
4. Els compostos es formen mitjançant la unió d’àtoms dels corresponents elements en una relació senzilla. Els «àtoms» d’un determinat compost són a la vegada idèntics en massa i en la resta de propietats.

Amb aquesta teoria Dalton pogué explicar les lleis ponderals i quedà clara la definició d’element químic.

La taula periòdica de Mendeléiev

El químic rus Dmitri Mendeléiev aconseguí classificar els elements químics coneguts a mitjans del segle XIX (1869) en una taula de forma que quedaven agrupats en famílies d’elements amb propietats semblants. La taula l’organitzà a partir de les masses atòmiques posant els elements ordenats per ordre creixent de massa atòmica. Tanmateix hagué de canviar l’ordre de diversos elements de manera que tots els semblants quedassin en una mateixa columna. L’èxit de Mendeléiev fou la predicció de l’existència de deu elements químics encara no descoberts i el seu posterior descobriment (se’n descobriren set, un fou produït artificialment i dos eren errors de la taula).

El nombre atòmic

El nombre atòmic fou inicialment el número d’ordre que corresponia a cada element en col·locar-los a la taula periòdica, de manera que tenia un caràcter convencional. Però el 1913, amb els treballs experimentals de Henry Moseley sobre espectres de raigs X, el nombre atòmic adquirí un significat físic. Moseley descobrí que existeix una relació lineal entre l’arrel quadrada de la freqüència, ν, i el nombre atòmic, Z (K i k són dues constants).