Element
Element, Nükleer tepkimeler dışında hiçbir kimyasal ve fiziksel yolla daha küçük parçacıklara ayrılamayan madde örneği. Birçok madde, kimyacıların arı maddelere (elementler ya da bileşikler) ayırabildiği karışımlar olarak bulunur. Bir kimyasal bileşik, bütün olarak aynı oranlarda iki ya da daha çok element içeren ve kimyasal bir formülle tanımlanabilen madde örneğidir. Kimyasal yolla elementlerine ayrılabilir.
Her element atom yapısıyla nitelenir. Bir atom, artı yüklü, "proton" denilen parçacıkları (ve elektriksel olarak yansız tanecikler olan nötronları) içeren ve "elektron" denilen eksi yüklü parçacıklarla çevrelenmiş bir çekirdek içerir. Elektron sayısı proton sayısına eşittir ve bir bütün olarak bir atomun yükü yoktur. Her element kendi atomundaki proton sayısıyla nitelenir; buna "atom sayısı" denir. Atom sayısı aynı bütün atomların kimyasal özellikleri aynıdır. Her elemente bir ad ve bir simge verilmiştir.
ELEMENT KURAMININ GELİŞMESİ
Eski Çağ filozofları Empedokles ve Aristoteles dönemlerinde, maddesel dünyanın yalnızca dört ya da beş temel maddeden ya da "elementten" oluştuğu düşünülüyordu. Empedokles dört elementi yer, hava, ateş ve su diye adlandırmış, Aristoteles bunlara etheri (kusursuz bedenlerde bulunan kusursuz madde) eklemişti. Bu elementler,maddesel cisimlerden çok, birer idealleştirme olarak düşünülmüş ve nitelikleri aşağıdaki gibi belirtilmişti.
Eski çağlarda birkaç asıl element biliniyordu.Altın,daha az miktarda da gümüş ve bakır doğada birleşmemiş biçimde bulunmuş ve en azından İ.Ö.3000'den başlayarak arı metaller olarak kullanılmışlardır. Eski insanlar ayrıca eritme yoluyla maden filizlerini element biçimlerine indirgeyerek demir,kalay,kurşun cıva, bakır ve gümüş yapmışlardır. Bütün bu metallerin kimyasal simgeleri Latince adlarından türetilmiştir.altın, aurum'dan Au; gümüş, argentum'dan Ag; demir, terrum'dan Fe; kalay, stannum'dan Sn; kurşun, plumbum'dan Pb; cıva, hydrargum'dan Hg, vb. Metal olmayan iki element (kükürt ve karbon) de doğada katı olarak birleşmemiş biçimde bulunmuşlardı.
Ortaçağ simyacıları bileşiklerden (ya da karışımlardan) birkaç element hazırlamışlar, arsenik, antimon, bizmut ve fosforu bulup, adlandırmışlar, ama elementler diye sınıflandırmamışlardır. Bununla birlikte, bazı maddesel cisimlerin öbürlerine dönüştürülemediğini anlamışlardır: Simyacılar, günümüzde "kimyasal tepkime" adı verilen tepkimeler yoluyla birçok maddeyi bir başkasına dönüştürebiliyorlardı; ama hiçbir zaman,kurşun gibi ana metalleri, değerli gümüş ve altına dönüştürme düşlerini gerçekleştirememişlerdir.
Elementlerin felsefi tanımına ilk karşı çıkma, XVII. yy'da gelmiştir. Kuramların deneylerle doğrulanması gereğine inanan bir deneyci olan Robert Boyle, Sceptical Chymist (Kuşkucu Kimyacı, 1661) adlı yapıtında, gözlemlenebilen ve tartılabilen maddelerin element sayılabileceğini ve bu elementlerin, başka madde elde edebilmeyi sağlayan temel maddeler olduklarını belirtmiştir.
Böyle, bir karışımı oluşturan maddeleri belirlemeye çalışan niteliksel kimyasal çözümlemenin bulucusu olmasına karşın, elementler sayılabilecek bir madde kümesi adlandırmamıştır. Bununla birlikte, elementlerin temel parçacıklardan oluştuklarına inanıyordu ve metalleri elementler diye ele alıyordu.
ELEMENTLERİN BİLİMSEL SINIFLANDIRILMASI VE BULUNMASI
XVIII. yy'da Antoine Lavoisier, ağırlığın (daha temel anlamda kütle) maddenin bir özelliği olduğunu ve bu maddenin (dolayısıyla ağırlık ya da kütlenin) kimyasal tepkime süresince korunduğunu fark etti. Ayrıca bir elementi, "kimyasal çözümlemeyle daha küçük parçalara bölünemeyen bir madde" diye tanımladı; Dolayısıyla elementler, bileşikler oluşturmak için birleştiklerinde, kütlelerini her zaman artırmak zorundadırlar. Lavoisier, Traité Elémentaire de Chimie'de (Temel Kimya Kitabı, 1789)33 element sıralamıştır. Bunların bazıları simyacılar çağından beri bilinen fosfor, karbon, gümüş, antimon gibi elementlerdir. Oksijen, hidrojen, çinko, vb. öbürleriyse, XVIII. yy'da ayrıştırılmışlardır. Lavoisier, elementlerinden bazılarının, daha sonra elementlerine ayrılacak bileşikler olduklarından da (doğru olarak) kuşkulanmıştır. Ayrıca ışık ve ısıyı da elementler arasında sınıflandırmış, ama ağırlıksız olmaları sorunuyla karşı karşıya kalmıştır.
Atom kuramı: Lavoisier'nin düşünceleri, maddelerin her zaman ağırlık olarak değişmez oranlarda tepkimeye girdiklerini gösteren ve birleşen ağırlıkların bir tablosunu oluşturan birkaç kimyacı ile maddenin "atom" adı verilen temel parçacıklardan oluştuğunu savunan atom kuramını geliştiren John Dalton tarafından deneysel ve kuramsal olarak belirlenmiştir. Dalton 1810'da belirli bir elementin bütün atomlarının aynı kütlesinin aynı olduğunu açıklamış, birleşen kütlelerle ilgili deneysel verileri çözümlemiş ve atom ağırlıklarının ilk çizelgesini (elementlerin birbirlerine göre ağırlıklarını sayılarla belirten bir çizelge) oluşturmuştur. Ama verdiği ağırlıkların tümü göreliydi ve standart olarak belirli bir atom ağırlığının seçilmesi gerekiyordu.
XIX.yy'ın başlarında kimyacı Jöns Berzalius, birkaç yeni elementi ayrıştırıp tanımlamış ve 50 element için, doğru bir atom ağırlıkları çizelgesi hazırlamıştır (bileşiklerinin doğru formüllerini bilmediği için, Berzelius'un atom ağırlıklarının birkaçı, 2 ya da 3'ün çarpanları olarak hatalıydı) Ayrıca her elementin adından bir ya da iki harf alarak, elementler için kimyasal simgeleri üretmiştir.
Periyodik çizelge: 1860'ta, 60'tan çok element biliniyordu. Birkaç kimyacı, elementlerin benzer kimyasal özelliklerle gruplara ayrılabileceğini belirlediler ve elementler için çeşitli sınıflandırmalar oluşturdular.
1896'da Dmitriy Mendeleyev, elementleri gruplayarak ve o zamanlarda bilinen elementler arasında birkaç boşluk bırakarak, bir Periyodik çizelge oluşturdu.
1871 'de, daha iyi bir çizelge geliştirdi ve cesaretle eksik olan üç elementin özelliklerini tahmin etti. (Mendeleyev'in tahminlerinden 15 yıl sonra, galyum, germanyum ve skandiyum bulunmuştur).
Mendeleyev elementlerin Periyodik çizelgesini düzenlemek için atom ağırlıklarını ve kimyasal özellikleri kullanmıştı. Aynı dönemde Lothar Meyer, fiziksel özelliklerinin (atom hacmi,sertlik,kaynama noktası, vb.) de kimyasal gruplar arasında benzer biçimde değiştiğini göstermek için kullandığı, aşağı yukarı benzer bir periyodik çizelge geliştirdi.
Tayfgözlemi (ya da spektroskopi): 1854'te ABD'li fizikçi, David Alter buharlaştırılmış alaşımların tayfının, alaşımdaki her elementin niteleyici tayf çizgilerini verdiğini göstermek için, prizmalar kullandı. Her elementin belirli bir tayfı olduğu ve astronomik örneklerin tayflarının, içerdikleri elementleri belirlemek için kullanılabileceği varsayımını ortaya attı. Spektroskopun ("tayfgözler"), bulunmasından (1859) sonra, buharlaşmış bir elementin yayılan ya da emilen tayfının, söz konusu elementi belirlemek için kullanılabilecek, o elemente özgü bir fiziksel özellik olduğu kanıtlandı.
Maden suyu tayfında daha önce görülemeyen iki mavi çizgi gözlenmesiyle, sezyum, tayfından bulunan (1860) ilk element oldu. Soy (ya da asal) gazları da içeren başka birçok element daha sonra niteleyici atom tayflarından belirlendi. Sözgelimi helyum, 1868'deki güneş tutulmasında Güneşin tayf çizgilerinde yeni bir sarı çizgi olarak gözlemlendi; bundan 27 yıl sonra, uranyum içeren bir mineralden elde edilen gazsı bir çökeltinin tayfında benzer bir çizgi bulunması, helyumun bir element olduğunu ve Dünya'da bulunduğunu doğruladı.
Radyoaktivite: Uranyum mineralinde helyumun bulunmasından bir yıl sonra Antoine Henri Becquerel, bütün uranyum bileşiklerinin, fotoğraf levhalarını karartan ısınım yaydıklarını buldu. Minerallerde bulunan helyum, uranyumun toryuma indirgenmesiyle üretilir
Bu yolla oluşan helyum çekirdeğine, "alfa taneciği" denir; komşu atomlardan iki elektron alarak yansız duruma geçtiğinde, mineralde saklı bulunan helyum gazı haline gelir. Marie ve Pierre Curie'nin başlatarak, polonyum ve radyumu buldukları minerallerde radyoaktivite araştırması, birçok elementin bulunmasına yol açmış, 1917'de üç radyoaktif element daha bulunmuştur (radon,aktinyum ve protaktinyum). Daha sonra, uranyum ve toryum bozunma dizilerinin birçok kısa ömürlü izotopu, yanlış olarak yeni elementler diye tanımlanmıştır.
Duyarlı tayfgözleme ve radyokimya teknikleri, yeni elementlerin bulunmasında başka birçok doğru olmayan sava da yol açmışlar ve tayfgözleme yönteminin, elementleri belirleme konusunda tek başına yetemez değersiz olduğu kanıtlanmıştır. 1913'te Henry Mose-ley,her elementin kendine özgü bir X ışını yaydığını ve X ışını dalga boyu ile elementin atom sayısı arasında kesin bir matematiksel ilişki bulunduğunu göstermiştir. Elementlerin atom ağırlıklarına göre sıralandıkları dönemde her üç çiftten (argon ve potasyum; kobalt ve nikel; tellür ve iyot) ağır olan periyodik çizelgede hafif olandan önce gelirken, Moseley, atom sayısının bir elementin niteleyici özelliği olduğunu göstermiştir.
XX. yy'da bulunmuş elementlerin aşağı yukarı tümü radyoaktiftir. Bunlardan teknesyum ve prometyum, Periyodik çizelgedeki son boşlukları doldurmuşlardır (uranyumun nükleer fisyon ürünleri arasında bulunmuşlardır). Öbürlerinin atom sayıları 92'den yüksektir (uranyum).
ELEMENTLERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
Allotroplar: Birçok element birden çok biçimde bulunur; farklı biçimler, "allotroplar" diye adlandırılır. Kükürtün birkaç allotropu vardır. Ortorombik kükürt 95,5 °C'ta monoklinik kükürte dönüşür; bu allotropların her ikisi de 8 kükürt atomundan oluşan halkalar içerirler. Kükürtün öbür allotropları 6,7,9,10 ya da 12 kükürt atomlu halkalar ya da uzun zincirler içerirler. En sık rastlanan öbür allotroplar arasında karbonunkiler (elmas ve grafit) ve kalayınkiler (gri kalay ve beyaz kalay) sayılabilir.
İzotoplar: Radyoaktivite çalışmalarının başlarında radyumun bir radyoaktif bozunma ürününün,kurşununki-ne benzer özellikler taşıdığı görülmüş, 1914'te Theodore W. Richardes ve Max R. Lembert,farklı radyoaktif minerallerden elde edilen kurşunların atom ağırlığının %1 miktarında değiştiğini belirtmişlerdi. 1913'te Frederick Soddy, radyoaktif bozunmadan oluşan aynı elementin atomlarının farklı kütleleri bulunabileceği ileri sürdü ve atom sayıları aynı, ama kütleleri farklı iki atomu, "izotop" diye adlandırdı. Birinci Dünya Savaşı'ndan hemen sonra Francis W. Aston, atom kütlelerini belirlemek için kullanılan bir aygıt olan kütle tayfölçerini geliştirerek, radyoaktif olmayan birçok elementin de izotopları bulunduğunu gösterdi.
1930'da James Chadwick, aşağı yukarı bütün atom çekirdeklerinin nötronlar (kütleyi oluşturan, ama çekirdeğin yükünü etkilemeyen yansız tanecikler) içerdiklerini ortaya koydu. İzotoplar, belirli bir elementin, elementle aynı çekirdek yükünde (proton sayısı), ama nötron sayısı farklı atomlarıdır. Bir atomda proton sayısı ile nötron sayısının toplamı, kütle sayısını verir. Modern kütle tayf ölçerleriyle atom kütleleri çok kesin olarak ölçülebilir.
Atom ağırlıkları: Atom ağırlığı bir elementin doğal halde bulunan bütün izotoplarının atom kütlelerinin, deneysel olarak ortalamasını gösterir.Günümüzde atom ağırlığı ölçüsü, 12/C atomu kütlesinin tam olarak 12 atom kütle birimi içermesine dayanır. Bazı element (flüor gibi) doğada yalnızca bir izotopu vardır; bunların atom ağırlıkları kütle tayfölçerleriyle yüksek doğrulukta ölçülebilmektedir. Öbür elementlerin atom ağırlıkları daha az kesinlikle bilinmektedir; çünkü o elementin doğada bulunan bütün izotoplarının ortalamasıdır. Bazı elementlerin izotop yapısı (dolayısıyla atom ağırlığı), örneğin kaynağına ya da daha önce geçirmiş olduğu işleme bağlı olarak değişir.
KİMYASAL ÖZELLİKLER
Metaller ve ametaller: Kimyasal elementlerin çoğu metaldir;ilk 103 elementin 75'inin element durumunda metal olduğu bilinmektedir. Fransiyum (87-element) ve 99'a kadar olan elementlerin özellikleri metallerinkine benzer; ama yarı ömürleri çok kısa olduğundan, gözlemlenebilecek miktarlar saf biçimde ayrıştırılamamıştır. Metaller,hareket kolaylığının iletkenliğe, parlaklığa, haddelenme özelliğine ve bütün metal elementlerin iyonik bileşiklerde artı iyon (katyon) oluşturmasına neden olduğu.zayıf bağlı dış elektronlarıyla nitelendirilirler.
17 element, ametaldir. Soy gazlar (ya da asal gazlar) dışında tümü, element biçiminde iki atomlu ya da çok atomlu moleküller halinde bulunur, ortak değerlik (kovalar») bağlarında elektron paylaşırlar ve iyonik bileşiklerde eksi iyonlar (anyon) oluştururlar. Metaller ve ametaller arasında "yarı-metaller" ya da "metaloiyitler" diye adlandırılan sınır elementleri yer alır. Söz gelimi arsenik (As), metal özellikleri taşır; ama moleküler bir As/4 allotropu bilinmektedir ve bileşiklerde elementin hem artı hem de eksi yükselgenme düzeyi vardır. Dolayısıyla yarı-metaller bazı metal ve bazı ametal özellikleri taşırlar.
Elektronegatiflik: Elektronegatiflik, bir atomun bir ortak değerlik ıkovalens) bağındaki elektronları görelik olarak çekmesidir. Periyodik çizelgenin sağ üst köşesindeki elementler, elektronegatifliği en yüksek elementlerdir.
Flüor, elektronegatifliği en yüksek, fransiyumsa en düşük elementlerdir. Elektronegatifliği benzeyen elementler, bağlarında elektronları eşit olarak paylaşılan ortakdeğerlikli bileşikler oluştururlar: Azot triklorür (NCI/3) . Elektronegatiflikleri farklı elementler, bağı oluşturan elektron bulutunun daha elektronegatif olan elemente doğru yavaşça yer değiştirdiği, kutupsal ortakdeğerlik bileşikleri oluştururlar: Fosfor triflorür, elektron yoğunluğunun flüor atomları yanında daha yüksek olduğu kutupsal ortak değerlikli bir bileşiktir. Elektronegatiflikleri son derece farklı elementlerse, elektronegatif atomun anyonu, elektropozitif atomunda katyonu oluşturduğu,iyonik bileşikler oluştururlar. Tuzlar, iyonik bileşiklerin en iyi örneğidir.
Bir elementin,hem kimyasal,hem de fiziksel başka birçok özelliği, elementin Periyodik çizelgedeki yeri ele alınarak sınıflandırılabilir ve açıklanabilir.
ELEMENTLERİN KÖKENİ VE BOLLUĞU
Evrenin kökeni konusundaki en akla yatkın kuramı, evrenin,küçük ve son derece yoğun bir ateş topunun birkaç milyar yıl önce patlamasından oluştuğudur.Bu büyük patlamadan sonraki ilk birkaç saniyede enerji yoğunluğu öylesine yüksekti ki, yalnızca ışınım ve temel parçacıklar bulunuyordu.
Patlamadan sonra evren soğudukça ve genleştikçe hidrojen oluştu ve milyonlarca yıl sonra gökadalar, daha sonra da yıldızlar olarak yoğunlaştı. Bu ilk yıldızlardaki hidrojen daha ağır bir çekirdek oluşturarak ve enerji vererek yanar; ama bu tür bir yıldız patlasa bile, üretilen en ağır izotop 56/Fe'dır.İlk yıldızların patlamasının gaz ürünleri birçok hafif element içerir ve gazlar ikinci dereceden yıldızları oluşturmak için yoğunlaştıklarında birçok nükleer tepkime gerçekleşir. Bu nükleer tepkimelerden bazıları nötron yayar, bunlar da öbür çekirdek tarafından, daha yüksek atom sayılı (254[98]Cf kadar yüksek) elementler oluşturmak için, beta yayınımıyla bozunan daha ağır bir çekirdek oluşturmak için saklanır. Bunun sonucunda evren,kabaca nükleer kararlılıklarına oranla,küçük miktarlarda 56Fe'den ağır elementler içerir: Güneş tayfında tanımlanan 60'tan çok element.
Güneş oluşurken,güheş sistemi büyüklüğünde, disk biçimli dönel kütle birçok türbülans oluşturmuş, bu türbülanslar ağır elementlerin küçük kütlelerinin büyümesine (ender durum) neden olmuş, bunun sonucunda hidrojen-helyum atmosferleriyle çevrili proto gezegenler oluşmuştur. Merkezdeki kütle (Güneş), nükleer tepkimelerinin sonucu olarak enerji yaymaya başlayınca, hidrojen ve helyum içteki gezegenlerden alınmıştır. Yer, derece derece, demir-nikel bir çekirdek;silikat bir örtü ve silikat bir kabuk olarak gelişmiş, daha sonra bir atmosfer ve hidrosfer oluşmuştur (dünya yüzeyindeki su ve buz kütleleri).Bu bölgelerin her birinde element bollukları farklıdır. Söz gelimi, atmosferde, hidrosferde ve Yer yüzeyinde elementlerin nispi bollukları yer bilimsel ve biyolojik birçok işlemin bileşimidir. Yaşayan canlılarda elementlerin bollukları, yer yüzündeki bollukarına ve biyokimyasal işlemlerdeki yararlarına yansır.