Kada sam napisao priručnik Elementi, koji je Oxford University Press prvi put tiskao godine 1989., namijenio sam ga znanstvenicima, posebno kemičarima. Njegove su stranice ispunjavale tabele s brojčanim podacima. Sadržavao je i neke pojedinosti općenitog interesa, kao što su: kada je i gdje pojedini element otkriven, zašto je tako nazvan, ima li bitnu ulogu u živom svijetu, te koliko ga ima u stijenama zemljine kore i u moru. U drugom i trećem izdanju Elemenata, tiskanima 1991. i 1998. godine, nalazili su se i dijelovi u kojima sam pisao o njihovoj biološkoj ulozi i utjecaju na okoliš, što je uključivalo i djelovanje čovjeka, štetnost, najvažnije rude, industrijsku proizvodnju i drugo. Ali, to je još uvijek bio priručnik za znanstvenike.
Ovaj Vodič kroz elemente namijenjen je mnogo širem krugu čitatelja, posebno onima koji su možda imali slabo znanstveno obrazovanje. Kao znanstveno-popularni pisac svjestan sam da ljudi žele znati više o svijetu koji ih okružuje. Mnogima je poznato da se svijet sastoji od ograničenog broja elemenata, vjerojatno znaju i njihove nazive, kao i neke od najpoznatijih upotreba ili zloupotreba. Poznato je da je natrij dio kuhinjske soli, da bismo bez kisika vrlo brzo umrli, da je arsen otrovan, da nam je kalcij potreban za zube i kosti, da nekim Ijudima nedostaje željeza te da je radon opasan plin.
U Vodiču kroz elemente naći ćete takve podatke, ali ova će vam knjiga reći još mnogo više o elementima. Nadam se da je to prikazano na pristupačan i lako razumljiv način. Za svaki element ukratko je navedeno kako je otkriven, malo opširnije za što ga upotrebljavamo, a još više o njegovoj ulozi u živom svijetu, posebice koliko je važan za ljude. U kojoj se hrani nalazi određeni element? Zadržava li ga naše tijelo ili ga brzo izbacuje? Je li neki element bitan za zdravlje? Ako jest, zašto? Također sam unio mnogo podataka o okolišu, te gospodarske podatke o proizvodnji, poznatim rezervama i rudnim nalazištima. Za svaki sam element dodao i manju tabelu brojčanih podataka kao što su talište, gustoća itd, jer takve informacije otkrivaju zašto neki element ima određena svojstva.
Dok sam pisao ovu knjigu pokušavao sam dati odgovore na pitanja koja bi, po mojem mišljenju, htjeli dobiti čitatelji kad su za njom posegnuli. Na primjer, je li neki element prijetnja za okoliš? Postoji li opasnost da nestanu zalihe? Je li potreban živom svijetu? Je li otrovan? Za što se upotrebljava?
Kako bih olakšao upotrebu knjige elementi su poredani abecednim redom, a za svaki sam element pripremio informacije u jednakom obliku.
Ovaj je planet sve što imamo. Ako ga onečistimo, naša će se djeca morati potruditi da srede nered koji smo napravili. Naše je tijelo sve što imamo. Ako ga zloupotrijebimo ili ga iz neznanja loše hranimo, jednog ćemo dana platiti cijenu. Više nije dopušteno reći da ništa ne možemo i da dobrobit našega planeta moramo prepustiti onima koji se proglašavaju njegovim zaštitarima. Isto tako, kada nam je poznato koje su tvari potrebne našem tijelu, ne možemo jednostavno prepustiti liječnicima i dijetetičarima da popravljaju ako nešto pođe naopako zbog toga što su naše hranidbene navike loše.
Imamo obavezu doznati što više o svijetu u kojemu živimo, iako nam se mogu činiti proturječne brojne informacije koje dobivamo iz medija. Dopustite da vam dam jedan primjer. Svaki puta kada vidite ili čujete promidžbu u kojoj se naglašava korist od fluorne paste za zdravlje naših zuba možete se upitati kako je to moguće, jer fluor je smrtonosan i opasan plin. Ako se obratite Vodiču kroz elemente dobit ćete odgovor: fluor možc škoditi, ali može biti i ljekovit – sve ovisi o njegovom kemijskom obliku. Otkrijte koje se izvrsne stvari u borbi protiv bolesti mogu na primjer postići fluorom i što se može očekivati u budućnosti.
Sve što činimo mora proizlaziti iz našega znanja, a ne neznanja i predrasuda. Mora nas voditi čista znanost, a ja sam pokušao da znanost u Vodiču kroz elemente bude, koliko je najviše moguće, vjerodostojna. Ova je knjiga izvornik kojega svatko može razumjeti, a nadam se da će čitatelji u njoj i uživati.
J. E.
London, travnja 2001.
U pisanju Vodiča kroz elemente neizmjerno su mi pomogla tri čovjeka: Michael Rodgers, Norman Greenwood i Walter Saxon. Dr. Michael Rodgers je zamislio knjigu, a djelovao je kao prijatelj i dobronamjerni urednik. Profesor na Leedskom sveučilištu Norman Greenwood, član Kraljevske akademije, koautor vodećeg udžbenika iz kemije, Kemija elemenata, dao mi je posebice korisne savjete o kemijskim svojstvima elemenata. Walter Saxon sa Jackson Heightsa, iz New Yorka, po obrazovanju fizičar i iskusni urednik priručnika, pregledao je rukopis i dao mi je jednako korisne savjete za poboljšanje prikaza težih elemenata, te je pribavio neke najzanimljivije podatke, koji se odnose na upotrebu vodika i helija u raketama. U pojedinim sam se primjerima zahvalio Walteru za pribavljene informacije, koje bi inače izostale iz knjige. Svima dugujem duboku zahvalnost.
Za sudjelovanju u projektu također bih se želio zahvaliti onima koji su pročitali neke dijelove i dodali brojne zanimljivosti. Oliver Sacks osigurao je zabavne pojedinosti o nekim elementima; upravo me je on upozorio zbog čega antimon u lijekovima pomaže onima kojima je prepisan a pridonio je informacijom o poznatim vječnim pilulama (vidi str. 41). Bill Catling, iskusni kemijski tehnolog, dao mi je informaciju o prvim kemijskim pesticidima. Profesor Iain Campbell pridonio je s informacijom o otkriću uloge selenija u enzimima. Hugh Aldersey-Williams istražio je gdje se u Švedskoj nalazi Ytter-by, po kojem su nazvani elementi erbij, iterbij, itrij i terbij. Ian Donaldson iz Bishop-stona poslao mi je koristan materijal o ranoj povijesti alauna (lat. alumen), koji je uz druge povijesne podatke uključen u dio o aluminiju. Nick Lane, koji je autor knjige o kisiku, dao je vrijedne podatke u vezi s tim elementom. Michael Utidjian iz Waynea, New Jersey, također je dao neka korisna tumačenja o otrovnosti elemenata. Profesor Peter Craig sa Sveučilišta De Montford dao je primjedbe na dio o antimonu i arsenu. Drugi koji su također pregledali dijelove teksta bili su Mark Sephton iz Otvorenog sveučilišta, Lesley Coldham sa De Beera, Paul Dargan iz Bolnice Guy, Peter Harris sa Sveučilišta Reading i Trevor Watts sa Kraljevskog koledža za stomatologiju. Tapani Mutanen iz Rovaniemija, Finska, priskrbio je mnoge geološke podatke.
Na kraju, i najvažnije, iskrena zahvalnost mojoj supruzi Joan za njezinu pomoć i strpljivost.
Sadržaj
Predgovor
Zahvale
Uvod
Elementi (A-Z)
Periodni sustav elemenata
Dodatak: Otkrića elemenata, kronološkim redom
Bibliografija
Kemijski elementi slijedom njihovih atomskih brojeva, s kemijskim simbolom
Kemijski elementi abecednim slijedom kemijskih simbola, s atomskim brojevima
Tablica periodnog sustava elemenata
Kazalo imena
Uvod
Postoji mnogo načina na koje se mogu poredati elementi. U Vodiču kroz elemente poredani su po abecednom redu. Tako je poredano prvih stotinu elemenata, a oni koji imaju atomski broj veći od 100 smješteni su u skupinu transfermijskih elemenata (fermij je element s atomskim brojem 100). Zašto izabrati abecedni poredak? Odgovor je jednostavan: za običnog čitatelja tako je prikladnije. Ali to ima svoju cijenu. Na taj su način elementi poredani po redoslijedu koji kemijski ne odgovara, jer se gubi svaka sličnost među elementima. Nazivi svih elemenata ispisani su na kraju knjige. (U slučaju da želite provjeriti kemijski simbol nekog elementa, oni su također ispisani abecednim redom.) Ako želite znati kemijski slijed elemenata, koji je načinjen na osnovu njihovih atomskih brojeva, to je prikazano na kraju knjige u tabeli Periodni sustav elemenata.
Postoje i drugi načini po kojima bi se mogli poredati elementi, ali niti jedan nije toliko zabavan kao pjesma koju je napisao Tom Lehrer godine 1950. Zabavljao je cijelu generaciju kemičara kada je pjevao svoju pjesmu na melodiju I Am very Model of a Modern Major General iz operete The Pirates ofPenzance Golberta i Sullivana. To ide ovako:
Postoje antimon, arsen, selenij, aluminij
I vodik i kisik i dušik i renij
I nikal, neodimij, neptunij, germanij,
I željezo, americij, neptunij, uranij, Europij, cirkonij, rutenij, vanadij, I lantan i osmij i astat i radij, I zlato i protaktinij i indij i galij, I jod i torij i tulij i talij.
Postoje itrij, iterbij, aktinij, rubidij,
I bor, gadolinij, niobij, iridij,
I stroncij i silicij i srebro i samarij,
I bizmut, brom, litij, berilij i barij.
Postoje holmij i helij i hafhij i erbij,
I fosfor i francij i fluor i terbij
I mangan i živa, molibden, magnezij, Disprozij i skandij i cerij i cezij I olovo, praseodimij i platina, plutonij, Paladij, prometij, kalij, polonij, I tantal, tehnecij, titanij, telurij, 1 kadmij i kalcij i krom i kirij.
Postoji sumpor, kalifomij i fermij, berkelij, Također mendelevij, einsteinij, nobelij,
I argon, kripton, neon, radon, ksenon, cink i rodij, I klor, kobalt, ugljik, bakar, volfram, kositar i natrij. To su samo oni o kojima su vijesti došle do Harvarda, Možda ih ima i više, ali istraživače očekuje još rada.
Lehrer je tu pjesmu napisao u vrijeme kad su se novi elementi, zahvaljujući razvoju atomske i nukleame fizike, sintetizirali svake godine i u njoj su nabrojani svi elementi do nobelija (atomski broj 102). Siguran sam da je u Harvard stigao glas o desetak novih elemenata koji su od tada sintetizirani.
Ima više od stotinu poznatih elemenata ‒ prema posljednjem popisu 115. Oni počinju s vodikom, s atomskim brojem 1, i protežu se do elementa s atomskim brojem 118, koji je nazvan ununoktij, dok se elementi 113, 115 i 117 tek trebaju načiniti. lako nam je poznato 115 elemenata, svi se ne mogu naći na Zemlji. Elementi s atomskim brojem većim od 83, odnosno oni iznad bizmuta, prirodno su nestabilni, jer su radioaktivni i raspadaju se. Neki se teški elementi, poput torija i uranija, raspadaju vrlo sporo pa ih na Zemlji još uvijek ima u velikim količinama. Možda je nekih elemenata, poput tehnecija (atomski broj 43) i prometija (atomski broj 61), nekad bilo u izobilju, ali su nestabilni pa su se odavno raspali.
O nekim elementima znamo tako mnogo da su o njima napisane knjige. O drugima znamo toliko malo da sve može stati na dopisnicu.
Tekst o svakom elementu podijeljen je na više ulomaka pa je za neke možda potrebno malo objašnjenje. Ulomci idu sljedećim redoslijedom, inada nisu svi zastupljeni za svaki element.
• Ime elementa: kako je nastalo ime
• Element u svemiru: porijeklo elementa, ima li ga u zvijezdama.
• Element u Ijudskim tijelu: količina elementa u prosječnom čovjeku i za što je potreban.
• Element u hrani: taj je dio uveden za elemente koji su bitni u ishrani kao i za neke druge koje dobivamo hranom, ali od njih nemamo neke koristi.
• Element u medicini: što se događa ako nekog elementa dobivamo previše ili premalo i kako su ga liječnici upotrebljavali kroz povijest.
• Element u povijesti: tko je element otkrio, kako, kada i gdje.
• Element u ratu: uloga elementa u oružju, eksplozivima, streljivu i ratnoj opremi.
• Element u gospodarstvu: godišnja proizvodnja, gdje su nalazišta i za što se upotrebljava.
• Element u okolišu: količina elementa u Zemljinoj kori, tlu, moru i zraku te djelovanje na okoliš.
• Svojstva elementa: osnovna svojstva, reakcije i izotopi.
• Zanimljivosti: neobična upotreba ili svojstva elementa.
Knjiga završava s poglavljem o periodnom sustavu elemenata.
Ime elementa
U Vodiču kroz elemente nastojao sam izbjegavati riječi i nazive koje mogu razumjeti samo kemičari. Mada zamišljamo da je kemija savršeno logična znanost, ima nekih nelogičnosti u upotrebi riječi i simbola. Ponekad je zagonetan izbor kemijskih simbola za elemente. Zbog čega je zlato Au a srebro Ag? Odgovor možemo pronaći u prošlosti: Au potječe od latinskog aurum, a Ag od latinskog argentum. Kod desetak poznatih elemenata simboli se ne mogu prepoznati prema njihovim imenima: antimon (Sb), bakar (Cu), dušik (N), fosfor (P), kisik (0), kositar (Sn), olovo (Pb), srebro (Ag), ugljik (C), vodik (H), zlato (Au), željezo (Fe) i živa (Hg). Odavno poznati elementi uglavnom imaju stara imena koja su različita u različitim jezicima, pa je najbolji izbor simbol koji je izveden iz najstarijih imena, što su uglavnom latinska.
Simboli za neke elemente koriste prvo slovo imena kao veliko slovo, a drugo kao malo slovo, osim ako je taj simbol već upotrijebljen za neki eiement. U tom se slučaju koristi sljedeće slovo i tako dalje. Tako imamo Ca za kalcij (calcium), Cd za kadmij (cadmium), Ce za cerij (cerium) i Cs za cezij (caesium). To se pravilo ne slijedi uvijek. Tako je magnezij Mg, a ne Ma i radon pH, a ne Ra (to je simbol za radij). Ne smije vas zbunjivati takva nedosljednost. Simboli osnovnih elemenata u organskoj kemiji imaju samo jedno slovo: C za ugljik (carboneum), H za vodik (hydrogenium), 0 za kisik (oxigenium), N za dušik (nitrogenium) P za fosfor (phosphorus), S za sumpor (sulphur). Isto vrijedi za argon A (argonum), bor B (borum), fluor F (fluorum), jod J (jodum), kalij K (kalium), uranij U (uranum), vanadij V (vanadium) i volfram W (wolframum).
Element u svemiru
Svemir se sastoji od oko 88 % vodika, 11 % helija dok 1 % ostaje za sve druge elemente. To je tako već oko 15 milijardi godina otkada su se na visokoj temperaturi Velikog praska združivali protoni i neutroni i stvarali jezgre atoma. Sam proton je vodik, a s dodatkom jednog neutrona nastaje takozvani teški vodik, koji je također poznat kao deuterij ili vodik-2. Broj dva označava maseni broj: jedan proton i jedan neutron. Kada se spoje dvije takve jezgre nastaje helij-4, jedna od najstabilnijih jezgri. Pri tom spajanju oslobađa se ogromna količina energije. Upravo ta energija osigurava gorivo zvijezdama poput Sunca. Druge jezgre koje su nastale u prvih nekoliko minuta Velikog praska bile su helij-3 (od vodika-2 i još jednog protona) i litij-7 (od helija-4 i helija-3), ali to je bilo sve što se dogodilo prije hlađenja svemira. Poslije Velikog praska svemir se ohladio ispod temperatura na kojima je moguće stvaranje atomskih jezgri.
Dok se svemir širio, stvarale su se galaktike i zvijezde, jer se materija prikupljala djelovanjem gravitacije. Kad je bilo dovoljno skupljene materije stvarala se zvijezda s dovoljno velikim tlakom u središtu, da se stvori temperatura od nekoliko milijuna stupnjeva. Kad bi se to dogodilo počinjale su ponovno reakcije pretvaranja vodika u helij. Zapravo, u takvim zvijezdama temperatura je dovoljno visoka da se mogu odigrati i druge reakcije, kao što je stvaranje jezgri elemenata poput ugljika-12, kisika-16 i neona-20 od jezgri helija-4, a kombinacijom tih jezgri može nastati silicij, sumpor, magnezij i željezo. U svim tim nukleamim fuzijama oslobađa se energija ‒ ali sa željezom taj se proces završava. Jezgra željeza-56 posebno je stabilna. Za njezino pretvaranje u teže jezgre, energija se mora utrošiti umjesto da se fuzijom oslobađa; zbog toga se u normalnim zvijezdama ne stvaraju elementi teži od željeza. Oni se stvaraju samo kada zvijezda eksplodira i rasprši svoj sadržaj kroz galaktiku, koji se k
asnije djelovanjem gravitacije ponovo može zbiti i stvoriti novi sunčani sustav.
Za sve te događaje doznali smo analizom svjetlosti zvijezda koja je pokazala od kojih su elemenata one izgrađene. Prije 200 godina počela je takozvana astrokemija. Kada je godine 1802. VVilliam Wollaston ispitivao spektar Sunčeve svjetlosti zapazio je da sadrži mnoštvo tamnih linija, ali mu to nije ništa značilo. Joseph Fraunhofer je 1814. godine nastavio mnogo pozomije analizu Sunčevog spektra i izbrojio je oko 600 tamnih linija, koje su nazvane Fraunhoferove linije. Zatim je sir William Huggins 1864. godine povezao neke od tih linija s linijama u atomskom spektm elemenata i točno zaključio da ti elementi postoje na Suncu. Tako je započelo istraživanje drugih zvijezda pa su one klasificirane prema njihovom spektru, koji daje podatke o temperaturi na površini zvijezde, o postojanju elemenata i starosti zvijezde.
Tako su zvijezda tipa O plave i najtoplije. Temperatura na njihovoj površini je viša od 25 000 stupnjeva a izgrađene su samo od vodika i helija. Zvijezde tipa B su plavo-bijele i hladnije. Njihova je temperatura između 11000 i 25 000 stupnjeva. Još hladnije su zvijezde tipa A, bijele su boje, a temperatura im je između 7500 i 11 000 stupnjeva. Sirius i Vega su zvijezde tipa A. Zatim dolaze zvijezde tipa F koje su bijelo-žute, a na površini im je temperatura oko 6000 do 7500 stupnjeva. U njihovom se spektru vide linije koje odgovaraju metalima. (Nedavno su dodani L i T patuljei.)
Sunce je od njih hladnije i ono je žuta zvijezda tipa G, što znači da mu je temperatura na površini 5000 do 6000 stupnjeva, a u spektru ima mnogo linija metala. Poslije toga dolaze narančaste zvijezde tipa K temperature 3500 do 5000 stupnjeva, gdje prevladavaju linije metala, i konačno tip M crvenih zvijezda s temperaturama ispod 3500 stupnjeva, a u njihovom se spektru vide linije titanovog oksida. Jedna od takvih zvijezda je Betelgeuse. Neke od tih posljednjih tipova zvijezda imaju vanjsku atmosferu obogaćenu težim elementima i označavaju se kao zvijezde tipa R i tipa S. U spektru nekih zvijezda tipa K i tipa M može se naći ugljik u obliku C2, CN i CH stoga se ponekad nazivaju ugljikove ili zvijezde tipa C.
Sunce se sastoji od otprilike 94 % vodika, 6 % helija i manje od 0,2 % drugih elemenata. Poredak prvih 10 elemenata po količini prikazan je u tabeli. Prikaz je načinjen na komparativnoj osnovi: prikazuje broj atoma na svakih milijun atoma vodika.
Najčešći elementi od kojih se sastoji Sunce i njihova relativna zastupljenost *
- Poredak
- Element
- Količina
- 1 vodik 1 000 000
2 helij 63 000
3 kisik 690
4 ugljik 410
5 dušik 87
6 silicij 45
7 magnezij 40
8 neon 37
9 željezo 32
10 sumpor 16
*Preuzeto iz Elemenata
Element u ljudskom tijelu
Na početku tog odlomka navedene su relativne količine elementa u glavnim dijelovima čovjekova tijela: u krvi, kostima i tkivu (pod tkivom misli se na mišiće). Ponekad se navodi samo jedan broj, što znači da postoji malo odstupanje, jer tijelo postiže ravnotežu između apsorpcije i gubitka. U nekim slučajevima, ako su znanstvena istraživanja pokazala velike razlike od osobe do osobe napisan je raspon vrijednosti. Također postoji podatak za ukupnu količinu kod prosječne osobe; uzima se da je to odrasla osoba težine 70 kilograma. Često su količine u takvoj tabeli vrlo malene pa su navedene kao milijunti dio (106), milijarditi dio (10“9) ili bilijunti dio (10 l2). Iste veličine mogu biti prikazane kao: ppm (prema lat. partes per milionem — dijelova od milijuna) ili ppb (prema lat. partes per billionem ‒ dijelova od milijarde) i ppt (prema lat. partes per trilionem ‒ djelova od bilijuna). Ako vam je teško zamisliti tako malene količine obratite pozomost na poglavlje Količine i brojevi, veliko i malo na str. 23.
Da bi Ijudsko tijelo dobro funkcioniralo potrebno mu je 25 elemenata. Oni se nazivaju „esencijalni elementi”, a dane su u sljedećoj tabeli kao udio u ukupnoj težini tijela. U poglavljima gdje su opisani pojedini elementi u tabelama su dane i njihove težinske količine u tijelu. U te su tabele upisane i količine elemenata koji nisu esencijalni, jer mi sadržimo tragove svih elemenata koji postoje na Zemlji.
Esencijalni elementi za Ijudsko tijelo
Element Udio u ukupnoj težini tijela
- Kisik 61 %
Ugljik 23 %
Vodik 10%
Dušik 2,6 %
Kalcij 1,4%
Fosfor 1,1 %
Sumpor 0,2 %
Kalij 0,2 %
Natrij 0,14% - Klor 0,12%
Magnezij 0,027% (270 ppm)
Silicij 0,026% (260 ppm)
Željezo 60 ppm
Fluor 37 ppm
Cink 33 ppm
Bakar 1 ppm
Mangan 0,2 ppm - Kositar 0,2 ppm
Jod 0,2 ppm
Selenij 0,2 ppm
Nikal 0,2 ppm
Molibden 0,1 ppm
Vanadij 0,1 ppm
Krom 30 ppb
Kobalt 20 ppb
U ljudskom tijelu ima više od 60 % vode pa to objašnjava tako veliku količinu kisika i vodika. Kisik se također nalazi u kostima koje su sastavljene od kalcija i fosfata (PO43-). Prosječni Ijudski kostur može biti težak do 9 kilograma pa zbog toga kalcij i fosfor zauzimaju visoko mjesto u tabeli.
Najvažniji element je ugljik, koji čini osnovu u mnoštvu različitih molekula od kojih su izgrađene žive stanice. Aminokiseline, koje čine najveći dio tjelesnog tkiva, sastavljene su od ugljika, vodika, kisika, dušika, sumpora, a to također objašnjava visoki položaj tih elemenata na tabeli.
Nije nam poznata uloga mnogih elemenata, ali njih dobivamo s hranom koju jedemo, s vodom koju pijemo i zrakom koji udišemo. Naše ih tijelo apsorbira, možda pogrešno ih zamijenivši za mnogo korisnije elemente. Kao posljedicu toga možemo naći da prosječni odrasli čovjek sadrži zamjetnu količinu aluminija, barija, kadmija, olova i stroncija, a mnogo manje količine mnogih drugih, poput srebra, zlata i uranija.
Kako je stroncij vrlo sličan kalciju, apsorbiramo mnogo tog elementa: u tijelu prosječne osobe ima ga 320 miligrama, mnogo više od mnogih esencijalnih elemenata. S druge strane, u prosječnoj osobi ima samo 7 miligrama zlata, a uranija samo 0,07 miligrama (što je 70 mikrograma).
Naše tijelo nastoji sačuvati te nepozvane goste pa ih odlaže u kosti ili jetru. Uranij ima veliku sklonost vezanja s fosforom, a kako fosfora ima u kostima tamo i završava najveća količina uranija. Jetra, s druge strane, sadrži bjelančevine koje mogu zarobiti kovine kao što su kadmij i zlato.
Element u hrani
Neke elemente moramo uzimati svakodnevno, jer ih tijelo treba redovito dobivati za svoje potrebe i zamijenu za one koji se stalno gube. Za te je elemente u ovom ulomku objašnjeno zbog čega ih tijelo treba, koliko ih treba svakoga dana i koja je hrana njima bogata. I u poglavljima o elementima koji nisu esencijalni postoji ulomak koji se odnosi na hranu, jer ih tamo ima, što je u prošlosti izazivalo zabunu. Zaista, uzimanje nekih elemenata u hrani još uvijek stvara zabunu.
Element u medicini
Liječnici su kroz stoljeća prepisivali sve vrste Ijekarija. Mnoge od njih spojevi su elemenata za koje sada procjenjujemo da su opasni. U poglavlju o medicini prikazuju se oni elementi koji su korišteni kao lijek i objašnjava zbog čega se u borbi protiv bolesti neki još uvijek koriste. Većina ih se upotrebljava u dijagnostici. Neke kovine, poput titana, ugrađuju se u tijelo kao implanti.
Element u povijesti
U tom dijelu piše o otkriću elementa, tko je to učinio, gdje, kada i kako. Za neke su se elemente ti podaci izgubili u magli vremena, jer su lako otkriveni, kao što je bilo sa zlatom i sumporom. lako znamo da je netko ipak morao prvi izlučiti tada nepoznatu kovinu iz njezine rude, danas je nemoguće otkriti tko je bila ta osoba. U sedamnaestom stoljeću elemente počinju otkrivati poznati pojedinci, ali često ti Ijudi nisu bili svjesni da su otkrili baš taj kemijski element. Tada je bila nepoželjna ideja o kemijskim elementima, jer su Ijudi još uvijek bili opsjednuti grčkim vjerovanjem o postojanju četiri elementa (zemlja, zrak, vatra i voda) ili alkemičarskom idejom da su sve kovine sastavljene od soli, sumpora i žive.
U knjizi Traite Elementaire de Chimie, koja je tiskana godine 1789., veliki francuski kemičar Antoine Lavoisier učvrstio je ideju o elementima i ispisao one koji su mu bili poznati. (v. str. 473). Od toga vremena bilo je moguće odati priznanje onima koji su otkrili elemente, jer su im bila poznata svojstva onoga što su otkrili. U posljednjem desetljeću osamnaestog stoljeća i prvoj četvrtini devetnaestog bilo je jako mnogo takvih otkrića koja su završila godine 1925. kada je otkriven renij, posljednji otkriveni stabilni element. Ali, to nije bio kraj priče. Tijekom ostatka dvadesetog stoljeća sintetizirano je više novih elemenata, koji nisu nađeni u prirodi, a danas se novi elementi mogu proizvesti uz korištenje golemih uređaja i uz visoku cijenu. Katkad se proizvede samo jedan atom koji postoji manje od sekunde.
Ponekad su u prošlosti isti element u različito vrijeme neovisno otkrile dvije osobe, dok su neki plodni kemičari tijekom svojega istraživanja otkrili više elemenata. U dodatku na str. 487 ispisan je vjerojatni redoslijed otkrivanja elemenata, imena osoba kojima se to pripisuje i gdje se to dogodilo.
Element u ratu
Može se činiti da je neobično ovaj ulomak uvrstiti u knjigu o elementima, ali osjećao sam da zahtijeva odvojen prikaz umjesto da sam ga uvrstio u ulomak Element u gospodarstvu gdje sam bio u početku uvrstio one elemente koji imaju vojnu primjenu. Kad se misli na oružje govori se o njegovom korištenju, ali ono bitno utječe i na Ijudski život. Zbog toga mislim da bi to štetilo pozitivnim informacijama, koje se trebaju naći u ulomku o gospodarstvu.
Šesnaest elemenata imaju ulomak o njihovoj primjeni u ratu. To su: antimon (sastojak grčke vatre), arsen (otrovni plin), berilij (hidrogenska bomba), dušik (eksplozivi), fosfor (bombe, živčani plin), jod (otkriven zbog Napoleonovih potreba da se zamijene nitrati u proizvodnji baruta), klor (otrovni plin), magnezij (zapaljive bombe), mangan (ratna oprema), plutonij (bomba na Nagasaki), sumpor (barut), ugljik (barut), uranij (atomska bomba), vanadij (ratna oprema), vodik (bomba), volfram (ratna oprema) i željezo (hladno oružje).
Element u gospodarstvu
Taj ulomak počinje s najčešćim rudama, njihovim nalazištima, koliko se iz njih može izdvojiti nekog elementa i kolike su utvrđene rezerve koje je moguće iskorištavati na ekonomičan način. U mnogim je slučajevima prikazana kemijska formula minerala, ali neke rude sadrže tako složene smjese spojeva da nema velike koristi od tih podataka. Pokušao sam formule prikazati na najjednostavniji način ‒ izbjegavajući molekule vode koje su često njihov dio.
Teško je doći do podataka o količini različitih elemenata koji se godišnje vade iz rudnika, jer sve zemlje ne navode točne podatke. Zbog toga podatke u ovom ulomku treba prihvatiti kao grubu orijentaciju. Isto vrijedi i za procjenu rezervi. U sljedećoj tabeli, koja se osniva na podacima o ukupnoj proizvodnji razvijenih zemalja, prikazana je proizvodnja 10 najčešćih metala.
Svjetsko rudarenje i proizvodnja najvažnijih elemenata*
- Mjesto
Element
U 103 tona - 1 željezo 1 000 000
2 aluminij 60 000
3 mangan 18 000
4 bakar 12 000
5 cink 11 000
6 olovo 5 000
7 barij 5 000
8 titan 4 300
9 krom 3 750
10 fluor 3 500
* Preuzeto iz Tragovi elemenata u tlu i biljkama, drugo izdanje, A. Kabata-Pendias i H. Pendias, CRC Press, Florida (1991).
Element u okolišu
Podaci na početku ovog ulomka daju udio nekog elementa u Zemljinoj kori, mjesto na rang-listi po rasprostranjenosti te njegovu zastupljenost u tlu, morskoj vodi i atmosferi. I ovdje su količine vrlo različite: od vrlo velikih do vrlo malih; ako su te jedinice nepoznate obratite se za pomoć na ulomak Veličine i brojevi, veliko i malo na str. 23. Sljedeća tabela prikazuje 10 najzastupljenijih elemenata u Zemljinoj kori:
Zastupljenost 10 najčešćih elemenata u Zemljinoj kori*
- Mjesto
Element
Količina (ppm) - 1 kisik 466 000
2 silicij 277 000
3 aluminij 82 000
4 željezo 41 000
5 kalcij 41 000
6 natrij 23 000
7 kalij 21 000
8 magnezij 21 000
9 titan 4 400
10 vodik 1 400
* Preuzeto iz Macmillanovih kemijskih i jizikalnih podataka, A .M. James i M. P. Lord, Macmillan. London (1992).
Količine elemenata otopljene u moru također su goleme. Ako je koncentracija vrlo mala, još uvijek iznenađuje ukupna količina. Na primjer, ako u morskoj vodi nekog elementa ima samo 5 ppm, u ukupnoj količini to iznosi 7 bilijuna tona. Primamljivost takvih golemih količina u prošlosti je mučila Ijude, posebice kad je u pitanju bila količina zlata u moru. Koncentracija od samo 10 ppt daje količinu zlata u moru od 13 milijuna tona. Ali nije zlato najmanje zastupljen metal u moru. Na primjer, koncentracija holmija, jedne od rijetkih zemalja, iznosi samo 0,4 ppt, što u ukupnoj količini iznosi 550 000 tona. Pa ipak, to je pet puta više holmija od utvrđene rezerve u rudama na Zemlji.
U sljedećoj tabeli prikazano je 10 najzastupljenijih elemenata u moru.
Zastupljenost 10 najčešćih elemenata otopljenih u moru*
- Mjesto
Element
Količina (ppm) - 1 klor 19 400
2 natrij 10 800
3 magnezij 1 300
4 sumpor 904
5 kalcij 411
6 kalij 392
7 brom 67
8 ugljik 28
9 stroncij 8
10 bor 5
* Preuzeto iz Macmillanovih kemijskih i fizikalnih podataka, A. M. James i M. P. Lord, Macmillan, London (1992)
Atmosfera je dio okoliša najmanje težine, ali ima neizmjernu ulogu u Ijudskom životu. Sljedeća tabela prikazuje 10 plinovitih elemenata iz atmosfere. Ima i drugih plinovitih molekula koje su od nekih elemenata više zastupljene, kao što je ugljikov dioksid (oko 35 ppm), metan (1,5 ppm), dušikov oksid (0,5 ppm) i ozon (0,4 ppm), iako je posljednji oblik elementarnog kisika. Usto, u manjim količinama ima više raznih drugih plinova. U atmosferi također ima prašine i morskih kapljica, u kojima se nalaze tragovi mnogih drugih elemenata.
Obujam morske vode je 1,37 trilijuna (1.37 1018) kubičnih u ukupnu količinu 6,85 -1012 tona (kubični metar vode teži tonu).
Zastupljenost 10 plinovitih elemenata u atmosferi*
- Mjesto
Element
Količina (ppm)** - 1 dušik 780 900
2 kisik 209500
3 argon 9300
4 neon 18
5 helij 5,2
6 kripton 1,14
7 vodik 0,5
8 ksenon 0,086
9 radon u tragovima
10 klor gotovo ništa, ali u stratosferi se može izmjeriti
* Podaci su preuzeti iz Kaye i Laby: Tablice fizikalnih i kemijskih konstanti, 15-to izdanje, Longman, Harlow, (1993).
** Vrijednosti vrijede za suhi zrak. Obično u zraku ima vodene pare, koje ovisno o mjestu i danu može biti i do 4 %.
Konačno, u ulomku o okolišu razmatrat će se postojeća i moguća onečišćenja elementom.
Svojstva elementa
Na početku tog ulomka navedena su najvažnija svojstva nekog elementa te njegov kemijski simbol. Zatim slijedi atomski broj, koji počinje s 1 (za vodik) i ide do 114 (a možda i više u vrijeme kad ovo čitate). Atomski broj je broj pozitivnih čestica (protona) koji se nalaze u jezgri elementa.
Atomska težina nekog elementa fizikalna je mjera i ona je općenito točno poznata. Iz povijesnih razloga to su relativne težine uspoređene s težinom jednog atoma ugljika, koji se uzima da je točno 12,0000.
Talište i vrelište izraženi su u stupnjevima Celzija (°C), po kojima je točka smrzavanja vode 0 °C, a ključanja 100 °C. Ako to želite pretvoriti u apsolutnu temperaturu, što je Kelvinova skala (K), treba dodati 273. Ako želite raditi po Fahrenheitovoj (F) skali, na kojoj je točka smrzavanja vode 32 °F, a točka ključanja 212 °F ‒ tada pomnožite temperaturu u °C s 1,8 i dodajte 32.
Prava težina atoma ugljika je 12 grama podijeljeno s brojem atoma koji se u njima nalaze, što je 6,022 1023, a to iznosi 1.91 -10 23 grama. Drugim riječima, govorimo o težinama reda veličine kvadrilijuntnog dijela grama.
Gustoća je izražena u kilogramima na litru, što je isto kao i gram na kubični centimetar. Kemijska formula oksida nekog elementa pokazuje njegovu valenciju ili oksidacijski broj. Prvo se odnosi na broj veza u molekuli, dok drugo prikazuje broj elektrona, a to je češće kada se govori o metalima. Rijetki elementi imaju valenciju jednaku nuli, što znači da oni ne stvaraju spojeve.
Odlomak Svojstva elementa također prikazuje fizikalna svojstva elementa, grupu u koju spada u periodnom sustavu elemenata, njegovu stabilnost na zraku i u vodi i reaktivnost s kiselinama i lužinama. Nazivi koji određuju različite grupe elemenata su sljedeće:
• Alkalijski metali, koji čine prvu skupinu u periodnom sustavu elemenata.
• Zemno-alkalijski metali, koji čine drugu skupinu.
• Prijelazni metali, koji su elementi d-orbitale u periodnom sustavu elemenata.
• Platinski metali: podskupina je d-orbitale i teži su od elemenata 8, 9 i 10 skupine.
• Kovni metali (bakar, srebro i zlato) čine skupinu 11.
• Tipični metali su oni p-orbitale.
• Metaloidi, nalaze se na granici između metala i nemetala p-orbitale.
• Nemetali su Isi p-orbitale.
• Halogeni su elementi skupine 17.
• Plemeniti plinovi su elementi u skupini 18, uz koje još pripada i helij.
• Lantanoidi se nalaze u prvom redu f-orbitale. Oni su, zajedno s elementima iz skupine 3 poznati kao rijetke zemlje, termin koji je još uvijek u uporabi.
• Aktinoidi se nalaze u donjem redu f-orbitale.
• Transuranijski elementi su s rednim brojevima većim od 92 (uranij).
• Transfermijski elementi imaju atomske brojeve veće od 100 (fennij).
Odlomak Svojstva elementa sadrži spisak najznačajnijih izotopa nekog elementa koji se mogu naći na Zernlji, uz napomenu koji su izotopi radioaktivni. Potrebno je naglasiti da se mnogi radioaktivni izotopi nalaze u Zemljinoj kori, a nastali su fisijom uranijevih atoma, ali su njihove količine toliko malene da ne postoji procjena koliko ih ima.
Najčešći radioaktivni izotopi u Ijudskom tijelu, koji dolaze iz prirodnih izvora i koji se nalaze u hrani koju jedemo su: ugljik-14, kalcij-40, olovo-210, polonij-210, radij-226, rubidij-87, torij-232 i uranij-238. Također se u tijelu u malenim količinama nalaze cezij-137, plutonij-239, plu-tonij-240 i stroncij-90 koji su posljedica onečišćenja okoliša od testiranja nukleamog oružja iznad površine Zemlje.
Mnoge Ijude iznenađuje da je Zemlja, kao i sve što sadrži, radioaktivna. Svaka stanica našega tijela sadrži milijarde radioaktivnih atoma, a dnevno ih se raspada na tisuće. Sve je to potpuno prirodno, stoga ne trebamo biti previše zabrinuti oko malenih tragova radioaktivnosti koju je proizveo čovjek, a kojoj ćemo možda biti izloženi pri dijagnostičkim pretragama.
Što su to prirodno radioaktivni elementi? Pri radioaktivnom raspadu emitiraju se tri vrste radioaktivnog zračenja: a-zrake, 0-zrake i y-zrake (alfa, beta i gama zrake). Prve su čestice koje se sastoje od dva protona i dva neutrona. To su zapravo jezgre atoma helija. Kada se iz nekog atoma izbaci takva čestica, atom se pretvara u neki drugi s atomskim brojem smanjenim za dva i masom smanjenom za četiri. Tako, kada uranij-238 (atomski broj 92, maseni 238) emitira a-zraku, nastaje torij-234 (atomski broj 90, maseni 234).
Druga su vrsta P-zrake, elektroni. Ako element emitira p-zrake, atomski broj mu se povećava za jedan, ali maseni broj se ne mijenja. Na primjer, torij-234 (atomski broj 90) raspada se emitiranjem p-zraka i dobiva se protaktinij-234 (atomski broj 91). a i Pzračenje vrlo često prati y-zračenje; to je elektromagnetsko zračenje visoke energije, koje je slično rendgenskom zračenju i vrlo je prodomo.
Radioaktivnost se pojavljuje u raznim oblicima, a varira od vrlo slabe do vrlo opasne. Stabilni elementi ugljik i kalij pokazuju nisku radioaktivnost zahvaljujući prisutnosti radioaktivnih izotopa ugljika-40 i kalija-40. Uranij je mnogo jače radioaktivan, a elementi koji nastaju u nukleamim reaktorima, na primjer plutonij, visoko su radioaktivni.
Radioaktivni raspadi atoma uranija u produkte fisije opskrbljuju Zemljin omotač različitim radioaktivnim izotopima mnogih elemenata, posebice onih s atomskim brojem između 30 i 63. Njihove su količine malene, zbog toga nisu ni nabrojani, a niti nemaju nekog utjecaja na izotopski sastav elemenata koji su prikazani u tom odlomku.
Zanimljivosti
Te male priče sadrže informacije koje bi se mogle naći u nekom drugom odlomku, ali sam ih izdvojio, jer one pokazuju nešto potpuno neočekivano za neki element, kao što je njihova uloga u povijesti ili upotreba u suvremenom životu. Pa ipak postoji jedan element koji je iznenađujuć samo po tome što o njemu nisam mogao naći ništa što bi bilo iznenađujuće!
Najvažniji elementi?
Dok sam pisao Vodič kroz elemente bio sam svjestan da će neki elementi zauzeti nekoliko stranica, dok će za druge biti teško popuniti i samo jednu stranicu. Je li to zaista posljedica njihove relativne važnosti? Doista, mislim da jeste. Uz to, prije procjenjivanja elemenata prema broju redova u knjizi, procijenimo njihov značaj na druge načine. Postoje dva načina procjenjivanja: rasprostranjenost i važnost. Neki element može biti rasprostranjen mada nije važan, ali dok je rasprostranjenost mjerljivo svojstvo, važnost je subjektivna stvar, a ono što je za nekoga važno ili za njegovu kulturu, za nekoga drugoga na našem planetu može imati malu vrijednost. Zlato, srebro i platina uzbuđuju um.
Sigumo je da su neki elementi mnogo važniji od drugih. Na primjer, bez ikakvih dvojbi možemo reći da je pet elemenata koji izgrađuju DNK (dušik, fosfor, kisik, ugljik i vodik) podjednako važno. Isto vrijedi i za druge osnovne elemente koji su potrebni Ijudskom tijelu, kao što su cink, kalcij, kalij, magnezij, željezo itd.
Također postoje metali koji možda nisu važni za naš metabolizam, ali bez obzira na to nezaobilazni su u suvremenom načinu života. Primjer za to je aluminij. Isto vrijedi i za uranij, bez kojega se ne bi mogle pokriti značajne količine svjetskih potreba za električnom energijom.
Prije početka pisanja Vodiča kroz elemente vlastita me je zbirka članaka i isječaka koje sam godinama prikupljao, upozorila da se u njoj nalazi golemi broj podataka o olovu i živi, zbog toga što su oni vrlo bitni, barem po tome što su vjekovima izazivali goleme probleme. Također sam upozoren, dok sam sastavljao priručnik Elementi, da su s kemičarskog uporišta neki elementi posebno važni, poput klora i magnezija, te da su se tehnički urednici zaista namučili da sve podatke o njima smjeste na dvije stranice koliko je bilo predviđeno za svaki element.
Prosuđujući, dakle, prema broju riječi koje su o njima napisane u Vodiču kroz elemente, 10 najvažnijih elemenata trebali bi biti:
10 najvažnijih elemenata u Vodiču kroz elemente
- Mjesto
- Elementi
- Riječi
1 vodik 3700
2 sumpor 3600
3 kisik 3600
4 olovo 3500
5 fosfor 3400
6 živa 3400
7 dušik 3000
8 željezo 2900
9 cink 2900
10 silicij 2800
Iznenađuje da je ugljik ispao iz ove tabele unatoč tome što je bitan element u kemiji i u Ijudskom tijelu. Ali on se nalazi odmah ispod, na 11. mjestu.
Tabela sadrži šest nemetala i četiri metala; od posljednjih na najvišem mjestu su olovo i živa, oba metala zbog štetnosti za zdravlje i lošeg utjecaja na okoliš imaju neslavnu prošlost. Druga su dva metala željezo i cink, koji imaju veliki značaj u ishrani, a također i u industriji.
Sljedećih 27 elemenata predstavljeno je s više od 2000 riječi. Po abecednom redu to su: aluminij, antimon, arsen, bakar, bor, cerij, fluor, jod, kadmij, kalcij, kalij, klor, kositar, litij, magnezij, natrij, nikal, platina, plutonij, selenij, srebro, titanij, torij, ugljik, uranij, volfram i zlato.
37 elemenata predstavljeno je s više od 1000 riječi; to su, opet abecednim redom: argon, barij, berilij, brom, cezij, cirkonij, disprosij, erbij, europij, gadolinij, germanij, hafhij, helij, iridij, itrij, krom, kobalt, ksenon, lantan, magnezij, molibden, neodimij, niobij, paladij, prometij, radij, radon, renij, rubidij, samarij, skandij, stroncij, tantal, tehnecij, telurij, talij i vanadij.
Od ostalih 44 elemenata, 16 su samo kratko živuće zanimljivosti koje se stvaraju u nuklearnim postrojenjima, 14 elemenata žive duže, ali su visokoradioaktivni, a također se stvaraju u nukleamim elektranama, a ostalih 14 su stabilni, ali uglavnom rijetki ili se malo koriste.
Veličine i brojevi, veliko i malo
Kada govorimo o elementima, osnovne su veličine težina, obujam i količinski udio. U svakodnevnom govoru govorimo o težini u gramima i kilogramima, o obujmu u kubičnim centimetrima (ili mililitrama) i litrama, a o udjelu u postoteima ili dijelovima postotaka. Vodič kroz elemente u osnovi je znanstvena knjiga, zbog toga se upotrebljavaju jedinice prema Međunarodnom sustavu ili SI sustavu, u kojem je osnovna jedinice za težinu kilogram, a za obujam kubični metar. Posljednja veličine je velika (kubični metar vode težak je tonu) pa je mnogo pogodnija jedinica litra, koja je tisućiti dio kubičnog metra, i kubični centimetar koji je tisućiti dio litre. U SAD-u osnovne jedinice za težinu su unca i funta, dok su za obujam pinta i galon.
U Vodiču kroz elemente pišemo o vrlo malom, kakva je recimo koncentracija rijetkih elemenata u moru, i o vrlo velikom, kao što je ukupna količina nekog elementa na ZemIji. Kad govorimo o malenim količinama moramo govoriti o milijuntim dijelovima (10-6, ppm), milijarditim dijelovima (10 9, ppb), pa čak i o bilijuntim dijelovima (10-12, ppt). Druge krajne veličine: milijuni, milijarde i bilijuni tona bit će u upotrebi kad se govori o svjetskim količinama. Svaki od njih je tisuću puta manji od sljedećeg: milijun tona (106 tona) je tisuću puta manji od milijarde tona (109 tona), što je tisuću puta manje od bilijuna tona (1012 tona). Takve je količine teže predočiti od krajnje malih. Milijunti dio odgovara 1 miligramu (otprilike zmce pijeska) u litri vode, milijarditi dio je 1 mikrogram (trunka prašine) u litri; a bilijunti dio je 1 nanogram (nevidljiv golim okom) otopljen u litri.
Teško je zamisliti bilijunti dio nečega, alijedna sekunda bilijunti je dio 30 000 godina, a pedalj je bilijunti dio udaljenosti Zemlje od Sunca. Kada govorimo o nekim radioaktivnim elementima oni su proizvedeni u vrlo malim količinama, to može biti i milijarditi dio grama, količina poznata kao nanogram (10-9), ili čak manji, poput pikograma (10-12). Analitički kemičar može otkriti još i tisuću puta manje količine.
Ovdje se mora skrenuti pozomost na to da se preklapaju dva načina prikazivanja: milijunti dio i postotak. Ako govorim o malenim količinama, mogu reći 0,01 % ili 100 -10 6 (1 104), a za veće koncentracije reći ću 0,1 % prije negoli 1000 -10 6 (1 103). Pitanje je koji je način čitatelju prihvatljiviji. Sadržaj će odrediti što ću izabrati, iako ću zbog jasnoće u nekim slučajevima upotrijebiti oba načina; na primjer, reći ću da je u Zemljinoj kori koncentracija nekog elementa 10 000 -10 6 (1 10-2 ili 1 %).
Konačno, jedno upozorenje. Moja prethodna knjiga, Elementi, sadrži znanstveno određene brojčane podatke za koje se možemo nadati da se nikada neće značajno promijeniti. Isto se može tvrditi za neke podatke u Vodiču kroz elemente, kao što su oni u različitim tabelama na početku svakog odlomka. Ostali podaci u ovoj knjizi manje su sigurni i podložni su prornjenama tijekom vremena, poput rudnih rezervi ili količina koje se koriste u različitim procesima. Stoga sam takve podatke često zaokmživao prema većim ili manjim brojevima.
Pinta je malo više od pola
Jedan je bilijunti dio ti od jednog milijuntog dijela.
Zapamtimo
ppm = 1:106 (jedan dio na milijun) ppb = 1:109 (jedan dio na milijardu) ppt =1:10 (jedan dio na bilijun)