i element | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

element

substantiu masculím
Química
Taula periòdica dels elements

química quím
Substància que no pot ésser descomposta en unes altres de més senzilles per mètodes químics.

Totes les altres substàncies existents en la natura o produïdes artificialment són formades per proporcions definides dels elements existents. Per oposició a les substàncies compostes o combinacions, hom els anomena també substàncies elementals o cossos simples. El 1661, R. Boyle, analitzant amb sentit crític el resultat del treball dels alquimistes, formulà el concepte d’element fent abstracció de totes les estructures metafísiques dels alquimistes i postulà que només les substàncies tangibles i ponderables podien ésser considerades com a elements, i així considerà tots els metalls del seu temps.

De fet, però, la definició científica d’element fou donada a la segona meitat del segle XVIII per A.L. Lavoisier basant-se en les idees de R. Boyle; en el seu Traité élémentaire de chimie (1789) figuren una trentena d’elements, entre els quals la llum i la calor, eliminades per J.J. Berzelius en el seu Lehrbuch der Chemie (1818), on esmenta una cinquantena d’elements.

Gràfic de l’abundància (% es pes) dels elements de l’escorça terrestre en funció del nombre atòmic; confirmació de la regla de Harkins, segons la qual els elements de nombre atòmic parell són, en general, més abundants que els de nombre atòmic imparell

En el decurs del temps, el concepte d’element químic es va lligant, com més va més, al d’espècie atòmica (àtom) caracteritzada per una massa atòmica determinada, que representa l’única propietat atòmica aleshores coneguda. Els darrers avenços de la física a partir de la segona meitat del segle XIX (descobriment dels raigs X, radioactivitat, electró, transmutació artificial dels elements) permeten d’explicar les diferències físiques i químiques existents entre ells, amb la determinació que la característica més important d’un element químic és la càrrega del nucli dels àtoms que el componen, la qual càrrega determina el nombre atòmic i fixa el lloc de l’element en la taula periòdica i l’estructura electrònica dels àtoms, de la qual depenen les propietats dels elements.

Actualment hom defineix els elements químics com a constituïts per àtoms amb la mateixa càrrega nuclear, és a dir, que tenen els mateixos protons en el nucli i un nombre d’electrons extranuclears, distribuïts en els distints orbitals atòmics, igual als protons del nucli. En la taula periòdica, les files horitzontals són anomenades períodes, mentre que les columnes reben el nom de grups. Els àtoms dels elements d’un mateix grup presenten una configuració electrònica similar, la qual cosa es reflecteix en una semblança de propietats físiques i químiques. En algunes taules, els grups són numerats amb xifres romanes (IA i IIA per a les columnes 1 i 2, i de IIIA a VIIIA per a les columnes 13 a 18; i de IIIB a VIIIB per a les columnes 3 a 10, i de IB i IIB per a les columnes 11 i 12). Des d’un punt de vista morfològic, i separant de bell antuvi el grup dels gasos nobles (columna 18), els elements del qual presenten propietats ben diferenciades, hom pot classificar d’una manera aproximada la resta d’elements que componen la taula periòdica en metalls o elements metàl·lics i no-metalls o elements no metàl·lics, basant-se en el fet que el caràcter metàl·lic es troba localitzat en la regió inferior esquerra de la taula i el no metàl·lic a la superior dreta. El que resta més confús és la diferenciació clara entre una regió i l’altra, bé que hom accepta que els elements que la marquen són el bor, el silici i el germani, l’arsènic i l’antimoni, i el tel·luri i el poloni, anomenats sovint metal·loides, a la dreta dels quals hom localitza els no-metalls. Les tres quartes parts dels elements químics són metalls, bé que hom pot fer una ulterior classificació en metalls dels grups principals, metalls de transició i metalls de transició interna (actínid, lantànid). Hom designa els elements per llur símbol.

Els mètodes que han conduït al descobriment i, després, a l’isolament dels nous elements químics han evolucionat profundament; als mètodes tradicionals de caire quimicoanalític s’ajuntava després del 1859, gràcies a G. Kirchhoff i R. Bunsen, l’anàlisi espectral, que permeté, per l’estudi dels espectres dels estels, de fixar la unitat de constitució de l’Univers. Després, l’anàlisi dels espectres dels raigs X, juntament amb la llei de Moseley, féu possible la determinació del nombre atòmic dels elements. L’anàlisi dels aeròlits i l’anàlisi espectral dels estels no han permès d’identificar elements inconeguts a la Terra, però han demostrat que la seva composició isotòpica pot variar notablement en funció de les condicions en què es desenvolupen actualment els processos de formació dels elements químics (fusió de partícules nuclears simples a temperatures de l’ordre de 108°C) en els estels.

El primer element obtingut artificialment fou el tecneci, de nombre atòmic 43, sintetitzat el 1937. D’aquesta forma, s’omplia un dels buits existents en la taula periòdica. El primer element transurànid (de nombre atòmic superior a 92) fou el neptuni, obtingut el 1940. Fins al 1961, i gràcies a l’ús d’acceleradors de partícules com el ciclotró, s’arribà a l’element 103, el lawrenci. El següent, l’unnilquadi no s’obtingué fins el 1969 i l’unnilpenti (número 105), el 1970. Respecte a aquests dos, els científics russos han presentat demandes sobre la paternitat del descobriment. Segons la versió que han presentat, l’element 104, que anomenaren kurtxatovi, fou obtingut a Dubna el 1964, i el 105, que anomenaren nielsbohri, s’hauria sintetitzat al mateix lloc el 1970. També asseguren haver obtingut els elements 106 (l’any 1974) i el 107 (dos anys més tard).

L’obtenció de nous elements és complexa, perquè la vida mitjana disminueix amb el nombre atòmic. Així, els elements 108 i 109 ja tenen una vida mitjana de només 1,8 i 3,4 mil·lisegons, respectivament. Els elements 93, 95, 99 i 100 foren obtinguts bombardejant un element de sortida amb neutrons. El nucli absorbeix un neutró i això dóna un isòtop d’un element ja conegut. Aquest isòtop és inestable i el neutró es desintegra tot produint un protó. Això fa augmentar el nombre atòmic i dóna un nou element. Un altre mètode consisteix a bombardejar un element de sortida amb nuclis d’un altre element (d’hidrogen, de deuteri, d’heli, de carboni, etc). Els dos nuclis es fusionen i en formen un de nou en un estat excitat (en un estat energètic superior a l’habitual). Aquesta energia es dissipa i el nou element s’estabilitza. Les quantitats obtingudes són molt petites i la vida mitjana és tan curta que la detecció és complexa. Fins l’element 101, la detecció es podia fer preparant sals del nou element i separant els ions amb resines de bescanvi iònic. Amb els darrers s’ha fet estudiant-ne les traces de la desintegració radioactiva. Tot i la vida mitjana tan curta dels nous elements, hom pensa que hi ha unes ‘illes d’estabilitat’, que correspondrien a nuclis amb un nombre determinat de protons i neutrons. Així, R. Nix i els seus col·laboradors calcularen, el 1972, que l’element 114 amb 184 neutrons seria estable. El 1989, el polonès Z. Patyk, de l’Institut de Recerca Nuclear de Varsòvia, proposà que el nucli amb 182 o 184 neutrons era el més estable, amb una regió d’elements amb vida mitjana més llarga a partir de l’element 110. El nucli amb 112 protons i 184 neutrons seria esfèric i molt estable. Un gràfic que mostra l’estabilitat dels elements en funció del nombre de protons i de neutrons indica que, teòricament, l’element 114 representaria una anomenada illa d’estabilitat.

Hi ha tres laboratoris en el món que sintetitzen elements nous: el Lawrence Laboratory dels Estats Units, l’Institut de Recerca Nuclear de Dubna, a Rússia, i l’Institut d’Investigació d’Ions Pesants (GSI) de Darmstadt, Alemanya. Durant l’època de la guerra freda, els descobriments dels equips soviètics no eren acceptats pels nord-americans, i viceversa. Així, es donà la situació que un mateix element químic tenia un nom diferent en cada país. La situació es complicà pel fet que l’organisme que té competències de nomenclatura química, la IUPAC, no acceptà aquests noms sinó que proposà una nova nomenclatura sistemàtica basada en el nombre atòmic dels elements en llatí. Aquesta nomenclatura tampoc no fou acceptada, amb la qual cosa alguns elements tingueren tres noms. Per exemple, l’element 104 fou anomenat unnilquadi per la IUPAC, kurtxatovi pels russos i rutherfordi pels nord-americans. Fins al cap de gairebé dues dècades no s’arribà a un acord sobre l’ordre dels descobriments.

Per als darrers elements químics, la major part dels noms proposats deriven dels cognoms de científics relacionats amb la recerca nuclear (Rutherford, Bohr, Meitner) o localitzacions geogràfiques on són emplaçats els laboratoris (Dubna, Darmstadt, Hesse). La recerca de nous elements químics ha deixat d’ésser una qüestió purament química i s’hi ha incorporat la física nuclear. En efecte, en la natura no es troben elements per sobre del nombre atòmic (Z) 92, el de l’urani; els elements que hi estan per sobre són radioactius, com l’urani, però tenen vides mitjanes relativament curtes. Això fa que qualsevol quantitat sintetitzada de forma natural s’hagi desintegrat fa molt de temps. S'observa, a més, que la inestabilitat dels nuclis augmenta amb el nombre atòmic, encara que no en progressió lineal. Així, el californi (Z=98) té isòtops amb vida mitjana superior als 250 anys, els de mendelevi (Z=101) no arriben a 52 dies i els de bohri (Z=107) no passen d’un segon. Això té una doble implicació: els elements amb Z grans són molt difícils de sintetitzar i en ésser tan inestables són molt difícils de detectar. La síntesi requereix amplis càlculs sobre el tipus d’àtoms projectil que es fan servir per a bombardejar; s’ha de calcular la secció eficaç i les condicions més adients per tal que el nombre de xocs sigui el més elevat possible. Tot i això, cal repetir moltes vegades els experiments i se sol aconseguir un nombre molt petit d’àtoms de l’element que es busca; per exemple, de l’element 114 tan sols se'n van obtenir quatre àtoms.

Cada pocs anys es descobreixen nous elements: els elements 110 i 111 foren descoberts el 1994; el 112, el 1996; el 114, el 1998, i el 116, el 2000. Malgrat la gran precisió dels detectors emprats, de vegades s’anuncia un descobriment fals, com el que feren el 1998 els científics del Lawrence Laboratory, que proclamaren la síntesi de l’element 118 (ununocti). Després de la revisió de l’experiment, la IUPAC acceptà el descobriment a tràmit, però cap nou element no és totalment acceptat fins que l’experiment no és reproduït per un altre grup investigador. A causa de la impossibilitat de reproducció, la IUPAC donà marxa enrere pel que fa a l’acceptació de l’ununocti. D’altra banda, s’ha comprovat que les prediccions teòriques sobre l’estabilitat del nucli no són gaire acurades; si bé és cert que sembla haver-hi una illa d’estabilitat al voltant de l’element 112, aquest no és estable. El seu isòtop més estable es desintegra en 11 minuts, mentre que el més estable del seu predecessor, el roentgeni, només arriba a uns quants segons i els de l’ununtri són encara més inestables. Les dificultats de sintetitzar els nous elements i de detectar-ne les petites quantitats que se n'obtenen fan molt complexa la tasca de síntesi, però és possible que en els propers anys la taula periòdica s’ampliï.

Nom Símbol químic Nombre atòmic Grup Massa atòmica Densitat a 20°C (g/cm3) Punt de fusió (°C) Punt d'ebullició (°C) Descobridor Descobriment
Actini Ac 89 3 227,0278 10,07 1047 3197 André Louis Debierne 1899
Alumini Al 13 13 26,981539 2,7 660,5 2467 Hans Christian Ørsted 1825
Americi Am 95 3 243,0614 13,67 994 2607 Glenn T. Seaborg 1944
Antimoni Sb 51 15 121,75 6,69 630,7 1750 desconegut prehistòric
Argent Ag 47 11 107,8682 10,49 961,9 2212 desconegut prehistòric
Argó Ar 18 18 39,948 0,001 66 -189,4 -185,9 William Ramsay i Lord Rayleigh 1894
Arsènic As 33 15 74,92159 5,72 613 613 Albert Magne ca. 1250
Àstat At 85 17 209,9871 302 337 Corson i MacKenzie 1940
Bari Ba 56 2 137,327 3,65 725 1640 Humphry Davy 1808
Beril·li Be 4 2 9,012182 1,85 1278 2970 Louis Nicolas Vauquelin 1797
Berkeli Bk 97 3 247,0703 13,25 986 Glenn T. Seaborg 1949
Bismut Bi 83 15 208,98037 9,8 271,4 1560 Georg Agricola 1540
Bohri Bh 107 7 262,1229 Oganessian 1976
Bor B 5 13 10,811 2,46 2300 2550 Humprhy Davy i Louis Joseph Gay-Lussac 1808
Brom Br 35 17 79,904 3,14 -7,3 58,8 Antoine Jérôme Balard 1826
Cadmi Cd 48 12 112,411 8,64 321 765 Friedrich Stromeyer i Hermann 1817
Calci Ca 20 2 40,078 1,54 839 1487 Humphry Davy 1808
Californi Cf 98 3 251,0796 15,1 900 Glenn T. Seaborg 1950
Carboni C 6 14 12,011 3,51 3550 4827 desconegut prehistòric
Ceri Ce 58 3 140,115 6,77 798 3257 von Hisinger i Berzelius 1803
Cesi Cs 55 1 132,90543 1,9 28,4 690 Gustav R. Kirchhoff i Robert Wilhelm Bunsen 1860
Clor Cl 17 17 35,4527 0,002 95 -34,6 -101 Carl Wilhelm Scheele 1774
Cobalt Co 27 9 58,9332 8,89 1495 2870 Brandt 1735
Copernici Cn 112 12 277 Gesellschaft für Schwerionenforschung 1996
Coure Cu 29 11 63,546 8,92 1083,5 2595 desconegut prehistòric
Criptó Kr 36 18 83,8 0,003 48 -156,6 -152,3 William Ramsay i Morris Travers 1898
Crom Cr 24 6 51,9961 7,14 1857 2482 Louis Nicolas Vauquelin 1797
Curi Cm 96 3 247,0703 13,51 1340 Glenn T. Seaborg 1944
Darmstadti Ds 110 10 269 Gesellschaft für Schwerionenforschung 1994
Disprosi Dy 66 3 162,5 8,56 1409 2335 Paul Émile Lecoq de Boisbaudran 1886
Dubni Db 105 5 262,1138 Flerow oder Ghiorso 1967/70
Einsteini Es 99 3 252,0829 860 Glenn T. Seaborg 1952
Erbi Er 68 3 167,26 9,05 1522 2510 Mosander 1842
Escandi Sc 21 3 44,95591 2,99 1539 2832 Lars Fredrik Nilson 1879
Estany Sn 50 14 118,71 7,29 232 2270 desconegut prehistòric
Estronci Sr 38 2 87,62 2,63 769 1384 Crawford 1790
Europi Eu 63 3 151,965 5,25 822 1597 Demaçay 1901
Fermi Fm 100 3 257,0951 Glenn T. Seaborg 1952
Ferro Fe 26 8 55,847 7,87 1535 2750 desconegut prehistòric
Flerovi Fl 114 14
Fluor F 9 17 18,9984032 0,001 58 -219,6 -188,1 Henri Moissan 1886
Fòsfor P 15 15 30,973762 1,82 44 (P4) 280 (P4) Hennig Brand 1669
Franci Fr 87 1 223,0197 27 677 Perey 1939
Gadolini Gd 64 3 157,25 7,89 1311 3233 de Marignac 1880
Gal·li Ga 31 13 69,723 5,91 29,8 2403 Paul Émile Lecoq de Boisbaudran 1875
Germani Ge 32 14 72,61 5,32 937,4 2830 Clemens Alexander Winkler 1886
Hafni Hf 72 4 178,49 13,31 2150 5400 Coster i vón Hevesy 1923
Hassi Hs 108 8 265 Gesellschaft für Schwerionenforschung 1984
Heli He 2 18 4,002602 0,000 17 -272,2 -268,9 William Ramsay 1895
Hidrogen H 1 1 1,00794 0,000 084 -259,1 -252,9 Henry Cavendish 1766
Holmi Ho 67 3 164,93032 8,78 1470 2720 Soret i Per Teodor Cleve 1878
Indi In 49 13 114,82 7,31 156,2 2080 Ferdinand Reich i Hieronymus Theodor Richter 1863
Iode I 53 17 126,90447 4,94 113,5 184,4 Bernard Courtois 1811
Iridi Ir 77 9 192,22 22,65 2410 4130 Tenant i andere 1803
Iterbi Yb 70 3 173,04 6,97 824 1193 de Marignac 1878
Itri Y 39 3 88,90585 4,47 1523 3337 Gadolin 1794
Lantani La 57 3 138,9055 6,16 920 3454 Mosander 1839
Laurenci Lr 103 3 260,1053 Ghiorso 1961
Liti Li 3 1 6,941 0,53 180,5 1317 Johan August Arfwedson 1817
Livermori Lv 116 16
Luteci Lu 71 3 174,967 9,84 1656 3315 Georges Urbain 1907
Magnesi Mg 12 2 24,305 1,74 648,8 1107 Black 1755
Manganès Mn 25 7 54,93805 7,44 1244 2097 Gahn 1774
Meitneri Mt 109 9 266 Gesellschaft für Schwerionenforschung 1982
Mendelevi Md 101 3 258,0986 Glenn T. Seaborg 1955
Mercuri Hg 80 12 200,59 13,55 -38,9 356,6 desconegut prehistòric
Molibdè Mo 42 6 95,94 10,28 2617 5560 Carl Wilhelm Scheele 1778
Moscovi Mc 115 15
Neó Ne 10 18 20,1797 0,000 84 -248,7 -246,1 William Ramsay i Morris Travers 1898
Neodimi Nd 60 3 144,24 7 1010 3127 von Welsbach 1895
Neptuni Np 93 3 237,0482 20,48 640 3902 McMillan i Abelson 1940
Nihoni Nh 113 13
Niobi Nb 41 5 92,90638 8,58 2468 4927 Hatchet 1801
Níquel Ni 28 10 58,69 8,91 1453 2732 Axel Fredrik Cronstedt 1751
Nitrogen N 7 15 14,00674 0,001 17 -209,9 -195,8 Daniel Rutherford 1772
Nobeli No 102 3 259,1009 Glenn T. Seaborg 1958
Oganessó Og 118 18
Or Au 79 11 196,96654 19,32 1064,4 2940 desconegut prehistòric
Osmi Os 76 8 190,2 22,61 3045 5027 Tenant 1803
Oxigen O 8 16 15,9994 0,001 33 -218,4 -182,9 Joseph Priestley, Carl Wilhelm Scheele i Antoine Laurent Lavoisier 1774
Pal·ladi Pd 46 10 106,42 12,02 1552 3140 Wollaston 1803
Platí Pt 78 10 195,08 21,45 1772 3827 Scaliger 1557
Plom Pb 82 14 207,2 11,34 327,5 1740 desconegut prehistòric
Plutoni Pu 94 3 244,0642 19,74 641 3327 Glenn T. Seaborg 1940
Poloni Po 84 16 208,9824 9,2 254 962 Marie Curie i Pierre Curie 1898
Potassi K 19 1 39,0983 0,86 63,7 774 Humphry Davy 1807
Praseodimi Pr 59 3 140,90765 6,48 931 3212 von Welsbach 1895
Prometi Pm 61 3 146,9151 7,22 1080 2730 Marinsky i Glendenin 1945
Protactini Pa 91 3 231,0359 15,37 1554 4030 Soddy, Cranston i Hahn 1917
Radi Ra 88 2 226,0254 5,5 700 1140 Marie Curie i Pierre Curie 1898
Radó Rn 86 18 222,0176 0,009 23 -71 -61,8 Friedrich E. Dorn 1900
Reni Re 75 7 186,207 21,03 3180 5627 Noddack, Tacke i Berg 1925
Rodi Rh 45 9 102,9055 12,41 1966 3727 Wollaston 1803
Roentgeni Rg 111 11 272 Gesellschaft für Schwerionenforschung 1994
Rubidi Rb 37 1 85,4678 1,53 39 688 Robert W. Bunsen i Gustav R. Kirchhoff 1861
Ruteni Ru 44 8 101,07 12,45 2310 3900 Claus 1844
Rutherfordi Rf 104 4 261,1087 Flerow oder Ghiorso 1964/69
Samari Sm 62 3 150,36 7,54 1072 1778 Paul Émile Lecoq de Boisbaudran 1879
Seaborgi Sg 106 6 263,1182 Oganessian 1974
Seleni Se 34 16 78,96 4,82 217 685 Jöns Jacob Berzelius 1817
Silici Si 14 14 28,0855 2,33 1410 2355 Jöns Jacob Berzelius 1824
Sodi Na 11 1 22,989768 0,97 97,8 892 Humphry Davy 1807
Sofre S 16 16 32,066 2,06 113 444,7 desconegut prehistòric
Tal·li Tl 81 13 204,3833 11,85 303,6 1457 William Crookes 1861
Tàntal Ta 73 5 180,9479 16,68 2996 5425 Anders Gustaf Ekeberg 1802
Tecneci Tc 43 7 98,9063 11,49 2172 5030 Perrier i Segrè 1937
Tel·luri Te 52 16 127,6 6,25 449,6 990 von Reichenstein 1782
Tennès Ts 117 17
Terbi Tb 65 3 158,92534 8,25 1360 3041 Mosander 1843
Titani Ti 22 4 47,88 4,51 1660 3260 Gregor i Klaproth 1791
Tori Th 90 3 232,0381 11,72 1750 4787 Jöns Jacob Berzelius 1829
Tuli Tm 69 3 168,93421 9,32 1545 1727 Per Teodor Cleve 1879
Tungstè W 74 6 183,85 19,26 3407 5927 Fausto de Elhúyar i Juan José de Elhúyar 1783
Urani U 92 3 238,0289 18,97 1132,4 3818 Klaproth 1789
Vanadi V 23 5 50,9415 6,09 1890 3380 Andrés Manuel del Río Fernández 1801
Xenó Xe 54 18 131,29 0,004 49 -111,9 -107 William Ramsay i Morris Travers 1898
Zinc Zn 30 12 65,39 7,14 419,6 907 desconegut prehistòric
Zirconi Zr 40 4 91,224 6,51 1852 4377 Klaproth 1789

Llegir més...