Elementit – outoja ja ihmeellisiä

Yhdistyneet kansakunnat julisti vuoden 2019 kansainväliseksi kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän vuodeksi. Näin halutaan juhlistaa 150-vuotispäivää Dmitri Mendelejevin ponnisteluista alkuaineiden jaksollisen järjestelmän luomiseksi.

Kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä on yksi tieteen merkittävimmistä saavutuksista, sillä se vangitsee kemian lisäksi myös fysiikan ja biologian olemuksen.

Yhdistyneiden kansakuntien kasvatus-, tiede- ja kulttuurijärjestö

Ihmiset ovat tunteneet ja käyttäneet alkuaineiden, kuten rikin, puhtaita muotoja jo tuhansia vuosia, mutta alkuaineiden eristämisen ja tunnistamisen tiede lähti kunnolla käyntiin 1700-luvulla. Kun tiedemiehet keräsivät lisää tietoa, he tunnistivat malleja alkuaineiden ominaisuuksissa. Koska he olivat tiedemiehiä, seuraavaksi he luokittelivat alkuaineet ja loivat jonkinlaisen järjestyksen – kuten artikkelissa Jaksollisen järjestelmän kehitys kerrotaan yksityiskohtaisesti.

Alkuaine on alkuaine on alkuaine

Alkuaine on aine, joka koostuu atomeista, joilla on sama järjestysluku. Alkuaine rauta koostuu vain rauta-atomeista, ja rauta-atomit ovat samanlaisia kaikkialla – rauta-atomit Maassa ovat samanlaisia kuin rauta-atomit Marsissa.

Tämän tiedon – ja jaksollisen järjestelmän järjestyksen – vuoksi alkuaineet saattavat vaikuttaa jokseenkin ennustettavilta ja tylsiltä, mutta monissa alkuaineissa on epätavallisia piirteitä. Seuraavassa on vain muutama outo ja ihmeellinen alkuainefakta.

Kiinteät alkuaineet

Useimmat alkuaineet ovat kiinteitä vakio-olosuhteissa (huoneenlämpötilassa ja -paineessa):

• Jodi (I) on kiinteä aine, mutta kun sitä lämmitetään, se sublimoituu helposti – se siirtyy suoraan kaasumaiseen olomuotoon – ja vapauttaa purppuranpunaista höyryä.
• Gallium (Ga) voi muuttua kiinteästä aineesta nestemäiseksi pelkällä istumisella kädessäsi. Sen sulamispiste on 29,8 ℃. Ihmiskehon keskilämpötila on 37℃. Sen kiehumispiste on kuitenkin melko korkea – 2229 °C – minkä vuoksi gallium on käyttökelpoinen korkean lämpötilan lämpömittareissa.
• Lähes kaikki alkuainemetallit ovat hopeanvärisiä. Kulta (Au) ja kupari (Cu) ovat ainoat kaksi poikkeusta.
• Harvinaisin luonnossa esiintyvä alkuaine on astatiini (At). Sitä on maankuoressa noin 28 g. Astatiini on saanut nimensä kreikan sanasta astatos, joka tarkoittaa epävakaata.
• Hiili (C) reagoi muiden alkuaineiden kanssa muodostaen 10 miljoonaa erilaista yhdistettä. Hiilen osuus elävien olentojen massasta on 20 %.
• Fermium (Fm) ja einsteinium (Es) löydettiin ensimmäisen vetypommikokeen tuloksena vuonna 1952. Lennokit kantoivat suodatinpaperia kerätäkseen näytteitä ilmakehästä, ja nämä kaksi alkuaineita löydettiin paperin roskista. Molemmat alkuaineet ovat synteettisiä ja radioaktiivisia, ja niitä syntyy vain hyvin, hyvin pieniä määriä. Molemmat alkuaineet on myös nimetty kuuluisien tiedemiesten mukaan.
• Kalium (K) on niin reaktiivinen, että sitä ei esiinny luonnossa sellaisenaan. Puhdasta kaliumia on säilytettävä öljyssä tai petroolissa, jotta se ei reagoi ilmassa.
• Kaesium (Cs) on toinen reaktiivinen alkuaine. Se syttyy spontaanisti ilmassa ja reagoi räjähdysmäisesti veden kanssa. Se varastoidaan ja kuljetetaan yleensä mineraaliöljyssä.
• Magnesiumia (Mg) tarvitaan yli 300 biokemialliseen reaktioon kehossamme. Magnesiumpyörät – jotka tunnetaan paremmin nimellä mag-pyörät – olivat käytössä 1960-luvulla. Ne olivat kevyitä, mikä teki niistä ihanteellisia kilpa-ajoon. Huonona puolena oli, että ne olivat alttiita korroosiolle ja (virheellisesti) luultiin niiden olevan syttyviä. Kilpavanteet valmistetaan nykyään magnesiumseoksesta.

Nestemäiset alkuaineet

Normaalitilanteessa nestemäisessä olomuodossa on vain kaksi alkuaineita – elohopea ja bromi:

• Elohopea (Hg) liuottaa ja/tai syöpyy moniin metalleihin, minkä vuoksi sitä ei tavallisesti sallita lentokoneissa.
• Bromi (Br) on haitallista ilmakehälle. Se aiheuttaa jopa puolet otsonikatosta Etelämantereen yläpuolella. Ihminen aiheuttaa noin 30 % ilmakehän bromista.

Gaasumaiset alkuaineet

Normaalitilanteessa kaasumaisia alkuaineita on 11:

• Helium (He) on maailmankaikkeuden toiseksi runsain alkuaine, mutta itse asiassa se on melko harvinainen maapallolla. Heliumin äänen nopeus on noin kolminkertainen ilman äänen nopeuteen verrattuna. Tämä aiheuttaa sen, että ihmisten äänet muuttuvat korkeiksi ja vinkuviksi, kun he hengittävät heliumia.
• Vety (H) on kevyin alkuaine ja maailmankaikkeuden runsain kemiallinen aine. Se antoi kyytiä ensimmäiselle luotettavalle lentomatkustukselle. Se on myös erittäin helposti syttyvää, joten suurin osa vedyn avulla toteutetuista lentopalveluista lopetettiin 1930-luvun lopulla.
• Yhdistämme neonin (Ne) kirkkaisiin kyltteihin. Neon on vastuussa punertavan oranssista valosta, mutta toinen jalokaasu nimeltä krypton (Kr) saattaa itse asiassa olla vastuussa monivärisistä ”neonmerkeistä”. Putket maalataan halutulla värillä, ja kryptonin valkoinen purkaus saa aikaan hehkuvan efektin.

Tuntemattoman olomuodon omaavia alkuaineita

Seitsemännen jakson (rivin) alkuaineet rutherfordiumista (Rf) tennessiiniin (Ts) ovat niin lyhytikäisiä, että tiedemiehet eivät pysty luotettavasti luokittelemaan niitä kiinteiksi, nestemäisiksi tai kaasumaisiksi aineiksi:

• Nimensä tennessiinille (Ts) annettiin virallisesti vuonna 2016. Sitä tuotetaan keinotekoisesti, ja sen vakaimman isotoopin puoliintumisaika on noin 80 millisekuntia.

Elementtien niukkuus

Vaikeampaa on huoli siitä, että jotkut alkuaineet uhkaavat loppua maailmasta rajallisten varastojen ja kierrätyksen puutteen vuoksi. Jotkin alkuaineet sijaitsevat alueilla, joilla konfliktit tekevät kaivostoiminnan vaaralliseksi.Euroopan kemian yhdistys toteaa, että Euroopan unionissa heitetään pois tai vaihdetaan noin 10 miljoonaa älypuhelinta joka kuukausi. Jokaisessa älypuhelimessa tarvitaan 30 elementtiä per puhelin – tämä on huomattava osa alkuaineista, jotka meidän pitäisi kierrättää.