Elemek – furcsa és csodálatos

Az ENSZ 2019-et a kémiai elemek periódusos rendszerének nemzetközi évévé nyilvánította. Ezzel emlékeznek meg Dmitrij Mendelejevnek az elemek periódusos rendszerének megalkotására tett erőfeszítéseinek 150. évfordulójáról.

A kémiai elemek periódusos rendszere a tudomány egyik legjelentősebb vívmánya, amely nemcsak a kémia, hanem a fizika és a biológia lényegét is megragadja.

Egyesült Nemzetek Nevelésügyi, Tudományos és Kulturális Szervezete

Az emberek évezredek óta ismerik és használják az elemek, például a kén tiszta formáit, de az elemek elkülönítésének és azonosításának tudománya az 1700-as években indult be igazán. Ahogy a tudósok egyre több információt gyűjtöttek, felismertek mintákat az elemek tulajdonságaiban. Tudósok lévén a következő lépésük az volt, hogy kategorizálják az elemeket, és némi rendet teremtsenek – ahogyan azt a A periódusos rendszer kialakulása című cikk részletezi.

Az elem az elem az elem

Az elem olyan anyag, amely azonos atomszámú atomokból áll. A vas elem csak vasatomokból áll, és a vasatomok mindenhol ugyanolyanok – a vasatomok a Földön ugyanolyanok, mint a vasatomok a Marson.

Ezek az információk – és a periódusos rendszer rendezettsége – miatt az elemek kissé kiszámíthatónak és unalmasnak tűnhetnek, de sok elemnek van néhány szokatlan vonatkozása. Az alábbiakban csak néhány furcsa és csodálatos elemi tényt mutatunk be.

Szilárd elemek

A legtöbb elem standard körülmények között (szobahőmérsékleten és nyomáson) szilárd:

• A jód (I) szilárd, de ha felmelegítjük, könnyen szublimál – egyenesen gáznemű állapotba kerül – és lila gőzt bocsát ki.
• A gallium (Ga) szilárdból folyadékká tud változni, ha csak a kezünkben ül. Olvadáspontja 29,8 ℃. Az emberi test átlaghőmérséklete 37℃. Forráspontja azonban meglehetősen magas – 2229°C -, így a gallium hasznos a magas hőmérsékletű hőmérőkben.
• Az elemi fémek szinte mindegyike ezüstszínű. Az arany (Au) és a réz (Cu) az egyetlen két kivétel.
• A természetben legritkábban előforduló elem az asztatin (At). A földkéregben körülbelül 28 g található belőle. Az asztatin a nevét a görög asztatosz szóból kapta, ami azt jelenti, hogy instabil.
• A szén (C) más elemekkel reakcióba lépve 10 millió különböző vegyületet hoz létre. A szén az élőlények tömegének 20%-át teszi ki.
• A fermium (Fm) és az einsteinium (Es) elemeket az 1952-es első hidrogénbomba-kísérlet eredményeként fedezték fel. Drónok vittek magukkal szűrőpapírt, hogy mintákat gyűjtsenek a légkörből, és a két elemet a papíron lévő törmelékben találták meg. Mindkét elem szintetikus és radioaktív, és csak nagyon-nagyon kis mennyiségben keletkezik. Mindkét elemet híres tudósokról is elnevezték.
• A kálium (K) annyira reaktív, hogy a természetben önmagában nem fordul elő. A tiszta káliumot olajban vagy kerozinban kell tárolni, hogy a levegőn ne lépjen reakcióba.
• A cézium (Cs) egy másik reaktív elem. A levegőben spontán meggyullad, vízzel pedig robbanásszerűen reagál. Általában ásványolajban tárolják és szállítják.
• A magnézium (Mg) több mint 300 biokémiai reakcióhoz szükséges a szervezetünkben. A magnéziumkerekeket – ismertebb nevén mágneskerekeket – az 1960-as években használták. Könnyűek voltak, így ideálisak voltak a versenyzéshez. A hátrányuk az volt, hogy hajlamosak voltak a korrózióra, és (tévesen) gyúlékonynak tartották őket. A versenyfelnik ma már magnéziumötvözetből készülnek.

Folyékony elemek

Normális körülmények között csak két elem létezik folyékony formában – a higany és a bróm:

• A higany (Hg) sok fémet old és/vagy korrodál, ezért általában nem engedélyezett a repülőgépek fedélzetén.
• A bróm (Br) káros a légkörre. Az Antarktisz feletti ózonveszteségnek akár a feléért is felelős. Az ember felelős a légkörben lévő bróm mintegy 30%-áért.

Gáznemű elemek

A standard körülmények között 11 gáznemű elem létezik:

• A hélium (He) a második leggyakoribb elem a világegyetemben, de valójában meglehetősen ritka a Földön. A hélium hangsebessége körülbelül háromszorosa a levegő hangsebességének. Ez okozza azt, hogy az emberek hangja magas és sipító lesz, amikor héliumot lélegeznek be.
• A hidrogén (H) a legkönnyebb elem és a leggyakoribb kémiai anyag a világegyetemben. Ez adta a felhajtóerőt a légi közlekedés első megbízható formájához. Ugyanakkor nagyon gyúlékony, ezért a hidrogénnel működő legtöbb repülési szolgáltatás az 1930-as évek végén megszűnt.
• A neont (Ne) a fényes jelekkel társítjuk. A neon felelős a vöröses-narancsos fényért, de valójában egy másik nemesgáz, a kripton (Kr) lehet a felelős a többszínű “neon” jelekért. A csöveket a kívánt színnel festik, és a kripton fehér kisülése hozza létre az izzó hatást.

Az ismeretlen állapotú elemek

A rutherfordiumtól (Rf) a tennessinig (Ts) terjedő 7. periódus (sor) elemei olyan rövid életidejűek, hogy a tudósok nem tudják őket megbízhatóan szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotba sorolni:

• A tennessin (Ts) 2016-ban kapta hivatalos nevét. Mesterségesen állítják elő, és legstabilabb izotópjának felezési ideje körülbelül 80 ezredmásodperc.

Elemek szűkössége

Súlyosabb aggodalomra ad okot, hogy a korlátozott készletek és az újrahasznosítás hiánya miatt a világ kifogyhat egyes elemekből. Egyes elemek olyan területeken találhatók, ahol a konfliktusok miatt veszélyes a bányászat.Az Európai Kémiai Társaság megjegyzi, hogy az Európai Unióban havonta mintegy 10 millió okostelefont dobnak ki vagy cserélnek le. Mivel minden okostelefonhoz 30 elemre van szükség telefononként – ez az elemi anyagok jelentős része, amelyet újra kellene hasznosítanunk.