Keemia on teadus, mis puudutab igat meie elu aspekti, alates õhust, mida me hingame, kuni keerukate tehnoloogiliste seadmeteni meie taskutes. Selle tohutu teadmistehulga nurgakiviks on süsteem, mis korrastab universumi ehituskivid loogilisse ja ennustatavasse mustrisse. See süsteem on tuntud kui keemiliste elementide perioodilisussüsteem ehk Mendelejevi tabel. Olenemata sellest, kas olete kooliõpilane, üliõpilane või lihtsalt teadushuviline, on elementide ja nende omaduste mõistmine võtmeks maailma toimimise arusaamisel. Eestikeelne terminoloogia ja tabeli ülesehitus võivad esmapilgul tunduda keerulised, kuid süvenedes avaneb elegantne struktuur, kus igal numbril ja sümbolil on oma kindel tähendus ja koht.
Dmitri Mendelejev ja perioodilisusseaduse sünd
Kuigi elementide rühmitamist proovisid mitmed teadlased juba enne 19. sajandi teist poolt, peetakse kaasaegse tabeli isaks vene keemikut Dmitri Mendelejevit. 1869. aastal avaldas ta oma esimese versiooni perioodilisustabelist, mis põhines elementide aatommassidel. Mendelejevi geniaalsus ei seisnenud mitte ainult teadaolevate elementide järjestamises, vaid julguses jätta tabelisse tühjad kohad.
Ta ennustas, et need tühimikud kuuluvad elementidele, mida polnud tol ajal veel avastatud. Veelgi enam, ta suutis üsna täpselt kirjeldada nende puuduvate elementide (nagu hiljem avastatud gallium ja germaanium) füüsikalisi ja keemilisi omadusi. See ennustusvõime andis tema süsteemile teadusliku tõsiseltvõetavuse ja pani aluse tänapäevasele keemiale. Tänapäeval on tabel järjestatud mitte aatommassi, vaid aatomnumbri (prootonite arvu) järgi, mis kõrvaldas mõned varasemad ebakõlad.
Tabeli struktuur: rühmad ja perioodid
Mendelejevi tabeli mõistmiseks tuleb esmalt aru saada selle koordinaatsüsteemist. Tabel koosneb horisontaalsetest ridadest ja vertikaalsetest tulpadest, mis määravad elemendi omadused.
Perioodid (horisontaalsed read)
Tabelis on kokku seitse perioodi. Perioodi number näitab elektronkihtide arvu elemendi aatomis. Näiteks esimese perioodi elementidel (vesinik ja heelium) on elektronid vaid ühel kihil, samas kui kuuenda perioodi elementidel paiknevad elektronid kuuel erineval energiatasemel. Liikudes perioodis vasakult paremale, muutuvad elementide omadused: metallilised omadused vähenevad ja mittemetallilised omadused suurenevad.
Rühmad (vertikaalsed tulbad)
Rühmad, mida on kokku 18, ühendavad sarnaste keemiliste omadustega elemente. See sarnasus tuleneb sellest, et sama rühma elementidel on tavaliselt sama arv välise kihi elektrone ehk valentselektrone. Just need elektronid määravad, kuidas aine reageerib teiste ainetega. Rühmad jaotatakse sageli A- ja B-rühmadeks või nummerdatakse lihtsalt 1–18.
Elementide peamised kategooriad
Tabelis olevad 118 elementi saab jagada suuremateks perekondadeks, millel on ühised iseloomulikud jooned. Need kategooriad aitavad ennustada elemendi käitumist reaktsioonides.
- Leelismetallid (1. rühm): Siia kuuluvad näiteks liitium (Li), naatrium (Na) ja kaalium (K). Need on pehmed, hõbedased ja äärmiselt reaktsioonivõimelised metallid, mis reageerivad tormiliselt veega. Looduses puhtal kujul neid ei leidu.
- Leelismuldmetallid (2. rühm): Siia kuuluvad magneesium (Mg) ja kaltsium (Ca). Nad on samuti aktiivsed, kuid vähem kui leelismetallid. Need elemendid on olulised nii geoloogias kui ka bioloogias.
- Siirdemetallid (rühmad 3–12): See on suurim rühm, mis sisaldab enamikku meile tuntud “klassikalistest” metallidest nagu raud (Fe), kuld (Au), hõbe (Ag) ja vask (Cu). Need on tavaliselt kõvad, kõrge sulamistemperatuuriga ja juhivad hästi elektrit.
- Halogeenid (17. rühm): Väga aktiivsed mittemetallid, nagu fluor (F), kloor (Cl) ja jood (I). Nad moodustavad kergesti soolasid, reageerides metallidega (näiteks naatriumkloriid ehk keedusool).
- Väärisgaasid (18. rühm): Heelium (He), neoon (Ne) ja argoon (Ar). Need on värvusetud ja lõhnatud gaasid, mis on keemiliselt väga passiivsed ehk inertsed, kuna nende elektronkatted on täielikult täitunud.
Kuidas lugeda elemendi lahtrit?
Iga element on tabelis esitatud oma kindlas ruudus, mis sisaldab kriitilist informatsiooni. Et tabelit edukalt kasutada, peab oskama neid andmeid lugeda. Tavaliselt leiate igast lahtrist järgmised neli põhikomponenti:
- Aatomnumber: See on tavaliselt lahtri ülaosas asuv täisarv. See näitab prootonite arvu aatomi tuumas ja määrab elemendi identiteedi. Näiteks süsiniku aatomnumber on alati 6.
- Keemiline sümbol: Ühe- või kahetäheline lühend, mis on rahvusvaheliselt tunnustatud. Sümbolid tulenevad sageli ladinakeelsetest nimedest (nt kuld on Au, ladina keeles Aurum; raud on Fe, ladina keeles Ferrum). Eesti keeles kasutame elementidest rääkides eestikeelseid nimetusi, kuid valemites alati rahvusvahelisi sümboleid.
- Elemendi nimetus: Sümboli all on tavaliselt kirjas elemendi täisnimetus vastavas keeles (antud juhul eesti keeles).
- Aatommass: Tavaliselt kümnendmurruna esitatud arv lahtri alaosas. See näitab aatomi keskmist massi aatommassiühikutes, võttes arvesse kõiki looduses leiduvaid isotoope.
Olulised keemilised elemendid ja nende kasutusalad
Mõned elemendid on meie igapäevaelus ja tööstuses kriitilisema tähtsusega kui teised. Siin on valik elemente koos nende peamiste omaduste ja kasutusaladega:
Süsinik (C) – Elu alus: Süsinik on unikaalne oma võime poolest moodustada pikki ahelaid ja keerukaid struktuure. See on orgaanilise keemia alus ja moodustab kõigi elusorganismide selgroo. Puhtal kujul esineb see teemandina või grafiidina.
Hapnik (O) – Hingamise ja põlemise toetaja: Kõige levinum element maakoores. Ilma hapnikuta poleks võimalik aeroobne elu ega enamik põlemisprotsesse. Tööstuses kasutatakse seda terase tootmisel ja meditsiinis.
Räni (Si) – Tehnoloogia nurgakivi: Poolmetall, mis on arvutikiipide ja päikesepaneelide peamine koostisosa. Räni on maakoores levikult teine element hapniku järel, esinedes peamiselt liiva ja kvartsina.
Alumiinium (Al) – Kerge ja vastupidav: Kõige levinum metall maakoores. Tänu oma kergusele ja korrosioonikindlusele on see asendamatu lennunduses, ehituses ja pakenditööstuses.
Mendelejevi tabeli hariduslik tähtsus
Eesti koolisüsteemis tutvustatakse perioodilisustabelit põhikooli keemiatundides, tavaliselt 8. klassis. See ei ole lihtsalt päheõppimiseks mõeldud tabel, vaid tööriist loogiliseks mõtlemiseks. Õpilased õpivad seostama elemendi asukohta tema omadustega. Näiteks teades, et element asub 1. rühmas, saab kohe järeldada, et ta loovutab reaktsioonides kergesti ühe elektroni ja muutub positiivseks iooniks.
Tabeli mõistmine on aluseks ka keerukamatele teadusharudele nagu materjaliteadus, farmakoloogia ja keskkonnatehnoloogia. Ilma elementide perioodilisuse tundmiseta oleks võimatu luua uusi ravimeid, tõhusamaid akusid või keskkonnasõbralikke materjale.
Korduma kippuvad küsimused (KKK)
Mitu elementi on Mendelejevi tabelis?
Hetkeseisuga on perioodilisustabelis ametlikult tunnustatud 118 elementi. Viimased neli elementi (nihoonium, moskoovium, tennessiin ja oganessoon) lisati tabelisse ametlikult 2016. aastal.
Miks on mõne elemendi sümbol erinev tema eestikeelsest nimest?
Keemilised sümbolid on rahvusvahelised ja põhinevad sageli elemendi ladinakeelsel nimetusel. Näiteks naatriumi sümbol Na tuleb ladinakeelsest sõnast Natrium, kaaliumi sümbol K sõnast Kalium ja elavhõbeda sümbol Hg sõnast Hydrargyrum.
Mis on haruldased muldmetallid?
Haruldased muldmetallid on lantanoidide rühma kuuluvad elemendid (pluss skandium ja ütrium). Vaatamata nimele ei ole nad maakoores alati üliharuldased, kuid neid on raske kaevandada ja eraldada. Neid kasutatakse kõrgtehnoloogias, näiteks nutitelefonide ekraanides, magnetites ja laserites.
Mis vahe on aatomnumbril ja aatommassil?
Aatomnumber näitab prootonite arvu tuumas ja on alati täisarv (nt vesinikul 1). Aatommass on aatomi tegelik mass, mis koosneb prootonitest ja neutronitest, ning see on tavaliselt esitatud kümnendmurruna, kuna see on looduslike isotoopide kaalutud keskmine.
Kas tabelisse võib lisanduda uusi elemente?
Jah, teadlased töötavad pidevalt uute, üliraskete elementide sünteesimise nimel. Need elemendid ei esine looduses ja neid luuakse laborites vaid murdosaks sekundiks.
Tuleviku perspektiivid: element 119 ja stabiilsuse saar
Kuigi praegune perioodilisustabel lõpeb elemendiga 118 (oganessoon), ei tähenda see keemia lõppu. Teadlased üle maailma, sealhulgas suurtes uurimiskeskustes Venemaal, Jaapanis ja Ameerika Ühendriikides, püüavad sünteesida elemente 119 ja 120. Need hüpoteetilised elemendid alustaksid tabelis uut, kaheksandat perioodi.
Üks põnevamaid teooriaid tuumafüüsikas on “stabiilsuse saare” hüpotees. Praegused ülirasked elemendid lagunevad millisekundite või veelgi lühema ajaga. Teadlased aga usuvad, et teatud prootonite ja neutronite arvu juures (maagilised arvud) võivad eksisteerida superrasked elemendid, mis on märksa stabiilsemad ja võivad püsida minuteid, päevi või isegi aastaid. Kui see “saar” leitakse, võib see avada ukse täiesti uutele materjalidele, millel on omadused, mida me täna ei oska isegi ette kujutada. See näitab, et Mendelejevi tabel on elav ja arenev dokument, mis kasvab koos inimkonna teadmistega.
