Úvod - přírodní vědy, vznik prvků, CNO cyklus, vlastnosti prvků a PSP

Vznik prvků ve vesmíru

Na úplném počátku byl Velký třesk, který se odehrál před asi 13-14 miliardami let. Veškerá hmota byla soustředěna do tzv. prajádra, které mělo hustotu 10⁹⁶ g cm³ a teplotu 10³² K.

V první sekundě při teplotě 10¹⁰ K vznikly první protony, neutrony a elektrony. Z prvotních protonů a neutronů vznikly termojadernými reakcemi nejprve nejlehčí nuklidy, např. (²H, ³H, ³He, ⁴He). V 10-500 sekundách již 25 % hmoty bylo přeměněno na hélium a jen 0,01 % na deuterium. Během prvních dvou hodin se "vesmír" skládal z 89 % z vodíku, zbylá procenta připadla na hélium. Jak vodík s héliem chládly a smršťovaly se, po následném zvýšení teploty se z nich začaly tvořit hvězdy. Časem, až stoupající teplota dosáhla určité hodnoty, začala nukleogeneze, což je "postupný vznik těžších prvků z lehčích jader a částic.

Lehké prvky vznikaly již zmíněnou nukleogenezí. Nukleogeneze zahrnuje především vodíkové, héliové a uhlíkové hoření. Při vodíkovém hoření vznikají ze čtyř vodíků hélium, dva pozitrony a dvě neutrina: 4H -> He + 2e⁺ + 2ν. Při héliovém hoření vzniká z hélia beryllium a následné uhlík a gama záření: He -> Be -> C + γ. A konečně při uhlíkovém hoření vzniká ze dvou nuklidů uhlíku hořčík nebo sodík a vodík.

Neutrino (ν) je elementární částice, která vzniká při jaderných reakcích zahrnujících ß-rozpad.

Když došlo ke vzniku uhlíku a dusíku, mohly další prvky začít vznikat pomocí tzv. CNO cyklu. Katalytický CNO cyklus je cyklus jaderných reakci, při kterých vznikají izotopy lehčích prvků. Do cyklu vstupuje vodík a vystupuje z něj hélium. Během tohoto cyklu dochází ke vzniku meziproduktů - izotopů uhlíku, dusíku a kyslíku, přičemž nuklid ¹²C má v tomto cyklu úlohu katalyzátoru.

Jako první se srazí vodík s uhlíkem za vzniku dusíku ¹³N a gama záření.

Nestabilní izotop dusíku se rozpadá na ¹³C uhlík, pozitron a neutrino.

Třetím krokem je srážka vodíku a vzniklého uhlíku ¹³C, ten je nestabilní a proto se přeměňuje a dusík ¹⁴N a foton gama záření

Do dusíku ¹⁴N narazí další jádro vodíku. To má za následek vznik nestabilního ¹⁵O a fotonu gama záření.

Jelikož je ¹⁵O nestabilní, rozpadá se na dusík ¹⁵N, pozitron a neutrino.

Poslední reakcí je srážka vodíku s ¹⁵N za vzniku uhlíku ¹²C a hélia.

Těžší prvky vznikají dalšími jaderný reakcemi, které většinou spočívají v záchytu neutronů.

V současné době je poměr prvků ve vesmíru ustálen na 88,6 % vodíku a 11,3 % hélia, 0,1 % tak připadá na ostatní prvky.

Anorganická chemie

Anorganická chemie je věda o vzniku, složení a struktuře látek neživé přírody, tedy těch látek, které až na výjimky (CO₂, H₂CO₃) neobsahují uhlík.

Názvy prvků jsou odvozeny od nejrůznějších vlastností, zemí, osobností. Brom, chlor a fosfor byly pojmenovány podle svých význačných vlastností. Bromos znamená latinsky zápach, chloros žlutozelený a phosphoros světlonoš (páry fosforu světélkují). Zlato dostalo svůj název podle svého nápadného vzhledu: latinsky aurum znamená lesk a třpyt.

Vápník byl pojmenován jednoduše podle toho, že se vyskytuje ve vápně (latinsky calc).

Einsteinium, mendelevium, curium a plno dalších prvků bylo pojmenováno na počest významných vědců, polonium, francium a germanium podle zemí, kde byly objeveny.

Europium a americium byly pojmenovány podle světadílů a uran, neptunium, plutonium, helium a selen podle nebeských těles (helium - Slunce, selen - Měsíc).

Zastoupení prvků

Následující tabulka zachycuje zastoupení nejrozšířenějších prvků ve vesmíru (za referentní hodnotu byl zvolen křemík) a na Zemi. 

Prvek	Ve vesmíru (vzhledem k Si)	Na Zemi
		V přírodě (v %)	V zemské kůře (v %)	Atmosféra (v %)
H	40 000		0,9
He	3 100		0,003
O	22	49,50	46,60	21
Ne	9		0,005
N	7		20 ppm*	78
C	3,5		200 ppm
Si	1	25,8	257 000 ppm
Mg	0,9	2	2,1
Fe	0,6	4,7	5,0
S	0,4		260 ppm
Ar	0,15		0,04 ppm	0,9
Al	0,1	7,6	8,1
Ca	0,05	3,4	3,6
Na	0,04	2,6	2,8
K		2,4	2,6
	* 10 000 ppm = 1 %

Pro výskyt prvků ve vesmíru platí všeobecně:

• s větší atomovou hmotností exponenciálně klesá četnost výskytu prvku
• prvky, ve kterých je počet nukleonů dělitelný čtyřmi, jsou mezi prvními dvaceti četnější
• prvky s lichým počtem nukleonů jsou méně četné než ty se sudým počtem nukleonů
• těžší prvky mají ve svém jádře méně protonů než neutronů
• mezi nejčastěji se objevující prvky patří ty, jejichž počet nukleonů se nachází mezi 51 - 59, 80 - 90, 130 - 138, 196 - 208

Mezi nejrozšířenější čtyři prvky na Zemi patří kyslík, křemík, hliník a železo. Tyto tvoří přibližně 90 % hmotnosti zemské kůry. Přidáme-li k nim další čtyři nejrozšířenější kovy - vápník, hořčík, sodík a draslík), tvoří těchto osm prvků už asi 99 % hmotnosti zemské kůry.

Struktura Země a její složení

Vzniku planet  předcházel vznik hvězd. Za určitých podmínek okolí hvězda odvrhla část své hmoty většinou v plynném skupenství, která se při chládnutí změnila na kapalné magma, které ještě postupně chládlo dál.

Takto vznikala i naše planeta Země. Teplota poklesla na asi 1 500 K (srovnej s 10¹⁰ K v první sekundě vesmíru) a tím došlo k tzv. liquaci, což je odměšování železa s asi 12,5 % niklu ve formě sulfidů. Vzniklo tak jádro Země, které v současné době tvoří 31,5% hmotnosti planety a jehož složení odpovídá pravděpodobně Fe₂₅Ni₂Co_0,1S₃. Plášť jádra tvoří 68,1 % hmotnosti Země a je složen z oxidů těžších kovů a také ze silikátů (např. olivín). Povrch magmatu chládne rychleji a postupně se z něj vytváří zemská kůra, která tvoří zbylých 0,4 % hmotnosti planety.

Na počátku tvorby zemské kůry stojí krystalizace. V první fázi vznikaly oxidy kovů, křemičitany a diamanty. Křemičitany se tvořily podle toho, jakou strukturu měly jejich anionty, nejdříve tedy ostrůvkové anionty, pak řetězovité pyroxeny a amfiboly, slída, živce, křemeny. Druhá fáze je spojena s oxidem křemičitým, křemičitany, sírany a fluoridy a ve třetí fázi, které se někdy říká také pegmatitová, vznikly žilní nerosty.

Při závěru tuhnutí magmatu dochází k pneumatolytickým a hydrotermálním procesům. Při teplotách mezi 400 až 600 °C unikají z magmatu těkavé plynné látky a voda ve formě páry, které ovlivňují nejbližší okolí včetně samotného magmatu, což jsou ideální podmínky pro vznik specifických minerálů, jako jsou beryl, topaz a turmalín (podrobněji zde). Při hydrotermálních procesech, které probíhají při teplotách nižších než 374 °C dochází ke krystalizace z vodných roztoků a vznikají polymetalická ložiska. Při nastolení "normálních" teplotních a tlakových podmínek dochází ke zvětrávání nestabilních minerálů a také ke katastrofickým procesům, jako jsou např. sopečné výbuchy. Toto patří mezi sekundární procesy, při kterých také vznikají nové horniny a minerály.

Nyní pár řádků o anorganickém složení atmosféry, hydrosféry a zemské kůry. Atmosféra ze skládá ze 78 % z dusíku a z 21 % z kyslíku. To tvoří dohromady 99 % atmosféry. Zbylé procento připadá na ostatní vesměs plyny, jako je argon (0,9 %), oxid uhličitý, vzácné plyny, methan, voda ve formě vodních par a aerosolové částice.
Do hydrosféry patří sladká i slaná voda, tvoří asi 6 % hmotnosti zemské kůry. Hydrosféra se skládá z 97 % z kyslíku a vodíku, kteří jsou zde obsaženi ve formě vody. Ostatní látky jsou ve vodě rozpuštěné. Jedná se např. o NaCl (necelá 3 %), hořčík (0,1 %), S, Ca, K a další.
Zemská kůra je povrchová vrstva planety až do hloubky hlubinných vrtů, tzn. do asi 20 km. Plno surovin je zde těženo (rudy kovů, uhlí, ropa, zemní plyn. Její hlavní složku tvoří křemičitany a tím pádem nejzastoupenější prvky kyslík a křemík.

Nepřechodné a přechodné prvky

Mezi nepřechodné prvky patří s- a p-prvky, jsou to kovy, polokovy i nekovy. Také se jim někdy přezdívá prvky "hlavních" podskupin periodické tabulky.

D- a f- prvky jsou přechodné, prvky "vedlejších" podskupin periodické tabulky a patří sem pouze kovy.

Triviální názvy některých skupin prvků

• 1a: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr - alkalické kovy
• 2a: Ca, Sr, Ba - kovy alkalických zemin
• 6a: O, S, Se, Te, Po - chalkogeny (chalko = rudotvorný -> oxidy, sulfidy)
• 7a: F, Cl, Br, I, At - halogeny
• 8a: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn - vzácné plyny
• 8b (nebo 8, 9, 10):
• Fe, Co, Ni - triáda železa
• Ru, Rh, Pd - lehké platinové kovy
• Os, Ir, Pt - těžké platinové kovy
• vnitřně přechodné prvky:
• prvky 57 - 71 - lanthanoidy (koncovka -oid -> vyjadřuje podobnost)
• prvky 90 - 103 - aktinoidy
• Z > 92 - transurany
• Z = 92 - 95 - uranoidy
• Z = 96 - 103 - curoidy
• Skupiny 3a, 4a a 5a jsou někdy v literatuře pojmenovány jako triely, tetrely a pentely, tyto názvy se ovšem nevžily.

Biogenní prvky

Biogenní prvky jsou takové prvky, které se vyskytují v živých organismech. Jedná se o kyslík (70 %, koloběh kyslíku), uhlík (18 %, koloběh uhlíku), vodík (10 %), vápník (0,5 %), dusík (0,3 %) a draslík (0,3 %). Dále sem patří hořčík, fosfor, síra, chlor, sodík a železo (setiny %). Měď a vanad se v organismu vyskytují ve stopových množstvích. To neubírá na jejich důležitosti, protože bez nich by nebyla schopna správně fungovat řada enzymů.

Složení sloučenin

Sloučeniny lze podle složení rozdělit na několik skupin: daltonidy, bertholidy, klathráty a interkalátové sloučeniny.

Daltonidy jsou sloučeniny se stálým složením a vyhovují zákonu o stálých a násobných poměrech slučovacích.

U bertholidů stálé složení trochu pokulhává, např. složení FeO se pohybuje mezi Fe0,95 O a Fe0,84 O.

Klathráty neboli intersticiální sloučeniny tvoří komplexy, kdy je molekula jedné látky obklopena molekulami látky jiné. Většinou se jedná o molekuly obklopené molekulami vody.

Interkalátové nebo taky interkalační sloučeniny tvoří mřížku, např. fluorid grafitu.

Obrázky byly použity ze stránky Astronomia a také z přednášek prof. Příhody.

Shrnutí

• Velký třesk, 13-14 mld, prajádro 10⁹⁶ g cm³, 10³² K
• 1. s: 10¹⁰ K, protony, el., neutrony -> nejlehčí nuklidy
• 10-500 s: 25 % He, 0,01 % D
• 2 hod: 89 % H, 11 % He
• chládnutí -> hvědy -> stoupání teploty -> nukleogeneze (H, He, C hoření) -> CNO cyklus -> další jaderné reakce
• H hoření: 4H -> He + 2e⁺ + 2v; He hoř.: He -> Be -> C + γ; C hoř.: 2C -> Mg nebo Na + H
• CNO: ¹²C + H à ¹³N + γ; ¹³N à ¹³C + e⁺ + ν; ¹³C + H à ¹⁴N + γ; ¹⁴N + H à ¹⁵O + γ; ¹⁵O à ¹⁵N + e⁺ + ν; ¹⁵N + H à ¹²C + He
• názvy prvků: podle vlastností (Br, Cl, P), výskytu (Ca), vědců (Es, Md, Cm), zemí (Po, Fr, Ge), světadílů (Eu, Am), nebeských těles (U, Np, Pu, He, Se)
• nejzastoupenější prvky: vesmír - H, He; příroda - O, Si; zemská kůra - O (téměř polovina), atmosféra - N, O; celkově na Zemi - O, Si, Al, Fe + Ca, Mg, Na, K
• vznik Země: odvržení hmoty -> chládnutí -> liquace -> vznik jádra (31,5 %, Fe₂₅Ni₂Co_0,1S₃), plášť jádra (68,1 %, oxidy těžkých kovů, silikáty) -> chládnutí povrchu magmatu -> vznik zemské kůry (0,4 %), krystalizace -> pneumatolytické a hydrotermální procesy -> normální teplotní a tlakové podmínky -> sekundární procesy (zvětrávání, katastrofy)
• krystalizace: 1. fáze - oxidy kovů, křemičitany, diamanty; 2. fáze - SiO₂, křemičitany, sírany, fluoridy; 3. fáze pegmatitová - žilní nerosty
• pneumatolytické procesy - 400 - 600 °C z magmatu těkavé látky, vznik minerálů (beryl, topaz, turmalín) X hydrotermální procesy - T < 345 °C, krystalizace, polymetalická ložiska
• atmosféra: 78 % N, 21 % O, 0,9 % Ar, CO₂, vzácné plyny, CH₄, H₂O, aerosol
• hydrosféra: sladká + slaná voda, 6 %, 97 % O + H (H₂O), NaCl (cca. 3 %), Mg (0,1 %)...
• zemská kůra: do 20 km, O, Si
• nepřechodné: s-, p-prvky, hlavní
• přechodné: d, f, vedlejší
• triviální názvy: 1a alkalické kovy, 2a kovy alkalických zemin, 6a chalkogeny, 7a halogeny, 8a vzácné plyny, 8b triáda železa (Fe, Co, Ni) + lehké platinové kovy (Ru, Rh, Pd) + těžké platinové kovy (Os, Ir, Pt), lanthanoidy (57-71), aktinoidy (90-103), transurany (>92), uranoidy (92-95), curoidy (96-103)
• biogenní prvky: O (70 %), C (18 %), H (10 %), Ca (0,5 %), N (0,3 %), K (0,3 %), Mg, P, S, Cl, Na, Fe, Cu, V
• daltonidy - stálé, bertholidy - nemají stálé složení, klathráty - jedná látka obklopuje jinou, interkalátové sloučeniny - mřížky