Chemisch element

Elk element wordt aangeduid met een symbool, dat uit een of meer letters bestaat. De eerste letter is een hoofdletter, de andere zijn kleine letters, zodat er geen verwarring mogelijk is als een aantal symbolen achter elkaar worden geschreven. De elementen die in de scheikunde veel voorkomen, hebben meestal een symbool van één letter. De belangrijkste daarvan zijn waterstof (H), koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O). Het symbool is in veel gevallen een afkorting van de Latijnse naam. De elementen die al lange tijd bekend zijn, hebben in verschillende talen eigen namen. Het internationale symbool voorkomt dan verwarring.

Alle atomen met hetzelfde aantal protonen in de atoomkern, dus met hetzelfde atoomnummer Z, behoren tot hetzelfde element. Zo bezitten alle atomen van het element koolstof zes protonen in de kern, en behoren alle atomen met 92 protonen in de kern tot het element uranium.

Het atoomnummer Z bepaalt ook de plaats van het element in het periodiek systeem der elementen, vaak kortweg het periodiek systeem genoemd. Het woord periodiek in dit systeem betekent dat eigenschappen zich periodiek herhalen.

Het periodiek systeem werd in 1869 door de Rus Dmitri Mendelejev bedacht, toen nog veel elementen niet ontdekt of slecht onderzocht waren. Vanaf toen maakte het periodiek systeem het mogelijk om van deze nog onbekende elementen veel eigenschappen te voorspellen.

In het periodiek systeem zijn de elementen naar oplopend atoomnummer Z geordend en onderverdeeld in groepen met overeenkomstige eigenschappen.

Atomen die tot eenzelfde element behoren, kunnen een verschillend aantal neutronen hebben. Men spreekt dan van isotopen. De naam isotoop komt van het Griekse iso = gelijk en topos = plaats, hiermee wordt bedoeld dat isotopen dezelfde plaats in het periodiek systeem innemen. Isotopen van eenzelfde element hebben een verschillend aantal neutronen in de kern en daardoor een verschillend massagetal.

Er zijn bijvoorbeeld drie belangrijke isotopen van koolstof. Alle koolstofatomen hebben 6 protonen in de kern, maar ze hebben 6, 7 of 8 neutronen. Het massagetal van deze isotopen is respectievelijk 12, 13 en 14. Deze drie isotopen van koolstof zijn daarom bekend als koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14. Koolstof dat van nature voorkomt is een mengsel van ¹²C (meer dan 98,9%), ¹³C (1,1%) en van ¹⁴C (ongeveer 1 atoom per biljoen).

De meeste elementen, dat wel zeggen 66 van de 94 in de natuur voorkomende, hebben meer dan één stabiele isotoop. De isotopen van een bepaald element zijn chemisch bijna niet van elkaar te onderscheiden. De isotopen van waterstof zijn daarbij een uitzondering. Omdat deze, waterstof, deuterium en tritium, sterk van elkaar verschillen in relatieve massa, vertonen zij verschillende chemische effecten.

Alle elementen hebben naast stabiele isotopen ook radioactieve isotopen, ook radio-isotopen genaamd. Deze komen niet alle van nature voor. De radio-isotopen ontstaan door verval van andere radioactieve elementen. Vele radio-isotopen zijn alleen kunstmatig gemaakt. Sommige elementen hebben geen stabiele isotopen. Voor de van nature voorkomende elementen geldt dit voor technetium (atoomnummer 43), promethium (atoomnummer 61), en voor de waargenomen transuranen, met atoomnummers van meer dan 82.

Naast protonen en neutronen bevat een atoom van een element elektronen. De chemische eigenschappen van een element worden vrijwel geheel bepaald door het aantal elektronen, dat in de basis gelijk is aan het aantal protonen in de atoomkern.Een atoom waarbij het aantal elektronen afwijkt van het per element vaste aantal protonen wordt een ion genoemd. Ionen bezitten dus altijd een bepaalde elektrische lading; positief als het aantal elektronen kleiner is dan het aantal protonen, of negatief als het aantal elektronen groter is dan het aantal protonen. Een positief ion wordt aangetrokken door een negatief ion, waardoor twee verschillende elementen met elkaar een chemische verbindingen met elkaar kunnen aangaan. De atomen worden dan bij elkaar gehouden door een chemische binding. Metalen en niet-metalen kunnen ionaire bindingen met elkaar aangaan, waarbij het product een zout is.

Metalen onderling kunnen metaalbindingen vormen of kunnen een intermetallische verbinding vormen. Niet-metalen gaan onderling covalente bindingen aan, waarbij allerei moleculaire stoffen worden gevormd. Het element koolstof speelt vooral een rol in organische verbindingen, chemische stoffen die te maken hebben met het leven op aarde.

Sommige gasvormige elementen, zoals zuurstof, waterstof en stikstof zijn sterk geneigd een verbinding met zichzelf aan te gaan en vormen dan een diatomisch molecuul. Ook andere elementen maken soms een verbinding met alleen zichzelf, dat wordt een enkelvoudige stof genoemd.

De lichtste elementen waterstof en helium zijn volgens de Big Bang theorie ontstaan tijdens de eerste 20 minuten van het heelal in een verhouding van ongeveer 3:1 op basis van hun massa of in een verhouding van 12:1 van het aantal atomen. Ongeveer tegelijkertijd ontstonden sporen van de volgende twee elementen uit het periodiek systeem, lithium en beryllium. Bijna alle andere elementen zijn gemaakt door kernfusie in sterren. Op aarde worden kleine hoeveelheden nieuwe atomen op natuurlijke wijze geproduceerd door radioactief verval.

Een klein aantal elementen wordt op aarde aangetroffen als relatief zuivere mineralen. Tot deze inheemse elementen behoren koper, de edelmetalen waaronder zilver en goud, koolstof (in de vormen steenkool, grafietof diamant), en zwavel. Ook de edelgassen komen in zuivere vorm op aarde voor. Vrijwel alle andere elementen worden op aarde aangetroffen als chemische verbindingen. Vaak komen deze voor in de vorm van mengsels. Zo komen metalen voor in de vorm van legeringen. De aardatmosfeer is een mengsel van vooral stikstof, zuurstof, waterdamp en argon.

Men denkt dat alle in de natuur voorkomende stabiele atomen inmiddels bekend zijn. Elementen met atoomnummers hoger dan 92 (uranium), transuranen genoemd, zijn in de natuur niet gevonden, maar kunnen synthetisch gemaakt worden. Wanneer een nieuw element voor het eerst kunstmatig gecreëerd wordt, dient dit element een officiële naam te krijgen. Er is een internationale organisatie, de International Union of Pure and Applied Chemistry, die hierover beslist. Deze instantie neemt meestal de naam over die de ontdekker voorgesteld heeft. Soms leidt dit tot controverses, omdat meerdere personen of groepen de ontdekking of synthese voor zich opeisen. Om deze reden heeft het lang geduurd voordat de elementen met een atoomnummer van 104 of hoger een naam kregen.

Tot eind 2016 hadden hogere elementen nog geen echte naam, maar werden ze aangeduid met namen als ununseptium, wat kan worden vertaald als honderdzeventienium, verwijzend naar hun atoomnummer. Met de definitieve benoeming van nihonium, moscovium, tennessine en oganesson door de IUPAC op 28 november 2016 hebben alle elementen tot en met de zevende periode in het periodiek systeem een naam gekregen.

• The Elements

Zie de categorie Chemisch element van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.