יסוד כימי

בכימיה, יסוד כימי (או יסוד) הוא קבוצת כל האטומים, שמספר הפרוטונים בהם זהה:^[1] מספר הפרוטונים נקרא המספר האטומי והוא קובע את שמו של האטום ואת עיקר תכונותיו הכימיות. אטומים מורכבים מפרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים, אולם וריאציות במספרם של שני המרכיבים האחרונים לא נחשבות לשינוי היסוד. לדוגמה, המספר האטומי של חמצן הוא 8, כלומר בכל אטום חמצן ישנם בדיוק 8 פרוטונים; מספר הנייטרונים בגרעין החמצן משתנה בין איזוטופים שונים של חמצן, אך בצורה הנפוצה ביותר מצויים בו 8 נייטרונים.

ערך זה מונה יסוד כימי. אם התכוונתם לרשימה של היסודות הכימיים, ראו יסודות כימיים.

המונח "יסוד" מפנה לכאן. אם הכוונה למשמעות אחרת, ראו יסוד (פירושונים).

Thumb — אלוטרופ גבישי של גופרית cyclo-S8. הגביש בנוי מולקולות מעגליות, שכל אחת מהן מכילה שמונה אטומי גופרית. בגביש זה, אין שום אטום שאינו אטום גופרית. דהיינו, לכל אטום ואטום בגביש הזה יש בדיוק 16 פרוטונים, הוא מספרו האטומי של הגופרית.

ידוע על 118 יסודות שנצפו ונחקרו, אך רק 92 מהם הם יציבים דיים כדי להתקיים בטבע. שאר היסודות מעבר לאורניום, שמספרו האטומי 92, אינם מצויים כיום בטבע והם נוצרו בצורה מלאכותית במעבדות. לרוב זמן מחצית החיים של יסודות אלה קצר.

שני היסודות הנפוצים ביותר ביקום הם מימן והליום^[2], אך היסודות הנפוצים ביותר על כדור הארץ הם החמצן והצורן.

יסודות מכונים כך כיוון שהם אבני הבניין הבסיסיות של כל החומר הידוע לנו (למעט מקרה קיצון כמו פלזמת קווארקים-גלואונים), ויסוד אחד אינו משתנה לאחר בתהליכים כימיים, אלא רק בתגובות גרעיניות או תהליכים רדיואקטיביים.

שמות היסודות הכימיים

סמל כימי

ערך מורחב – סמל כימי

סמל כימי הוא קיצור שמו של יסוד, המייצג אותו בטבלה המחזורית ובנוסחאות כימיות. שם זה ניתן לו לפי שמו באנגלית או בלטינית. לדוגמה: ברזל נקרא בלטינית Ferrum, ועל כן הסימן הכימי של היסוד ברזל הוא Fe. לכל יסוד סמל כימי ייחודי. לכל היסודות סמל כימי בן אות אחת או שתיים.

דוגמה: חמצן מיוצג על ידי הסמל הכימי O ומימן על ידי H. לכן נתאר את התגובה הכימית בה חמצן ומימן יוצרים מולקולת מים כך:

2H+O\to H_{2}O

אך מאחר שמולקולות מימן וחמצן מופיעות בטבע כ- $H_{2},O_{2}$ ) התגובה שמתרחשת היא

2H_{2}+O_{2}\to 2H_{2}O

.

האות הראשונה של הסמל תמיד תהיה אות גדולה ואם קיימות אותיות נוספות, תמיד יהיו קטנות (לדוגמה: Fe, ולא FE).

שמות יסודות בתנ"ך ובחז"ל

הפסוק שמרכז שישה מתוך שבעת היסודות המוזכרים בתנ"ך, נמצא בספר במדבר פרק ל"א פסוק כ"ב: "אַךְ אֶת-הַזָּהָב וְאֶת-הַכָּסֶף אֶת-הַנְּחשֶׁת אֶת-הַבַּרְזֶל אֶת-הַבְּדִיל וְאֶת-הָעֹפָרֶת". יסוד נוסף שמוזכר בתורה הוא הגופרית, למשל, בספר בראשית פרק י"ט כד : " וַיהוָה, הִמְטִיר עַל-סְדֹם וְעַל-עֲמֹרָה--גָּפְרִית וָאֵשׁ: מֵאֵת יְהוָה, מִן-הַשָּׁמָיִם. ". ובספר דברים כ"ט ב' : "גפרית ומלח שרפה כל ארצה לא תזרע ולא תצמיח ולא יעלה בה כל עשב כמהפת סדום ועמורה אדמה וצבוים אשר הפך ה' באפו ובחמתו"^[3].

הכספית מכונה בראשונים 'כסף חי'^[4].

שמות יסודות בעברית המודרנית

בעת תחיית הלשון העברית ניתנה ליסודות כימיים מסוימים הסיומת ־ָן; כך למשל מימן, חמצן ופחמן. מקובל לייחס סיומת זאת לרב יחיאל מיכל פינס, אשר טבע את חידושיו אלו בתרגומו ל"ספר הכוח"^[5].

מאפיינים פיזיקליים של היסודות הכימיים

המאפיינים הפיזיקליים של היסודות הכימיים מסייעים להבדיל בין יסוד ליסוד.

מספר אטומי

מספר אטומי (atomic number) הוא התכונה הבסיסית ביותר של היסוד הכימי. תכונה זו מתארת את מספר הפרוטונים שבגרעין האטום ולכן גם את מספר האלקטרונים שבאטום במצבו הנייטרלי. אופיו הכימי של האטום נקבע לחלוטין על ידי מספר זה. לדוגמה: המספר האטומי של מימן הוא 1 והמספר האטומי של דרמשטטיום הוא 110.

משקל אטומי

המשקל האטומי הוא הממוצע המשוקלל של מסות האטומים של כל האיזוטופים של אותו יסוד, על פי שכיחותם בטבע. יחידת המסה הבסיסית במדידת משקל אטומי היא יחידת מסה אטומית מאוחדת, הקרויה גם "דלטון". ערכה של יחידת מסה אטומית מאוחדת אחת הוא בדיוק ¹⁄₁₂ של מסת אטום פחמן.

טמפרטורת התכה ורתיחה

בדומה לכל חומר, גם ליסודות הכימיים יש טמפרטורות שבהן הם עוברים ממצב צבירה אחד לאחר, טמפרטורות אלו נקראות נקודת ההתכה – למעבר ממוצק לנוזל, ונקודת רתיחה – למעבר מנוזל לגז. בדרך כלל מודדים נקודת התכה ורתיחה במעלות קלווין. טונגסטן הוא היסוד הכימי בעל נקודת ההתכה הגבוה ביותר (3695 מעלות קלווין שהן 3422 מעלות צלזיוס) ורניום הוא בעל נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר (5869 קלווין שהן 5596 מעלות צלזיוס).

אלקטרושליליות

אלקטרושליליות (או אלקטרונגטיביות, Electronegativity) היא מידת יכולתו היחסית של אטום למשוך אלקטרונים אליו בקשר קוולנטי. מערך האלקטרונים באטום הוא אשר קובע את האלקטרושליליות – האטומים הקרובים להשלמת קליפתם החיצונית למבנה של גז אציל (ניאון למשל) על ידי הוספת אלקטרונים, הם בעלי אלקטרושליליות גבוהה יותר מאשר אלו המגיעים לקליפה חיצונית שלמה בעזרת מסירת אלקטרונים. אלקטרושליליות נמדדת תמיד בערכים חיוביים והאטום בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר הוא הפלואור – אנרגיית יינון גבוהה וזיקה אלקטרונית גבוהה, בעל ערך אלקטרושליליות 4. למתכות לעומת זאת, יש נטייה למסירת אלקטרונים ולכן הן מקבלות את הערכים הנמוכים ביותר של אלקטרושליליות – לדוגמה פרנציום, מתכת אלקלית, מקבלת ערך 0.7, הנמוך ביותר.

קיבול חום סגולי

קיבול חום סגולי (או חוֹם סגולי) (מקובל לסמנו באות $\ C$ ) של חומר מסוים הוא מונח המתאר את כמות החום ( $\ Q$ ) שיש להשקיע ביחידת מסה של אותו חומר על מנת להעלות את הטמפרטורה שלו במעלה אחת. ביחידות קלוריה לגרם למעלה (צלזיוס או קלווין). החום הסגולי של מים הוא 1.

ביחידות סטנדרטיות מודדים קיבול חום סגולי בג'אול לקילוגרם למעלות (צלזיוס או קלווין).

מוליכות חשמלית

מוליכותו החשמלית של חומר מסוים היא מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור בחומר (נמדדת על ידי יחידת סימנס או MHO). ככל שמוליכות של החומר תהיה גבוהה יותר, היכולת של הזרם לעבור בו תהיה גבוהה יותר, ככל שמוליכותו של החומר תהיה קטנה יותר, היכולת של הזרם לעבור בו תהיה קטנה יותר. היפוכה של המוליכות החשמלית היא ההתנגדות החשמלית (נמדדת ביחידת המידה אוהם מסומן ב-Ω). המוליכות החשמלית של חומר נובעת מכמות נשאי מטען חשמלי החופשיים הקיימים בו (לרוב, אלקטרונים), כיוון שנשאי המטען הם המאפשרים יצירת זרם חשמלי.

מוליכות תרמית

מוליכות תרמית היא כמות החום המועברת בחומר בעקבות שיפוע הטמפרטורות ביחידת זמן ובתנאים קבועים בניצב לפני השטח, כאשר העברת החום תלויה רק בשיפוע הטמפרטורות. יחידת המידה התקנית של המוליכות הטרמית היא ואט למטר קלווין ${\frac {W}{(m\cdot K)}}$

אנרגיית יינון

יינון הוא תהליך שבו מוצא אלקטרון מהרמה האחרונה של האטום. האנרגיה הדרושה לתהליך זה מכונה אנרגיית יינון. המדד ההפיך של היינון הוא הזיקה האלקטרונית – האנרגיה הדרושה להכנסת אלקטרון לאטום. אפשר להוציא יותר מאלקטרון אחד. לדוגמה הוצאת האלקטרון השני במערך נקראת אנרגיית היינון השנייה וכן הלאה. אנרגיית היינון גדלה ככל שמתקדמים ימינה ולמעלה במערכה המחזורית.

הטבלה המחזורית

ערך מורחב – הטבלה המחזורית

הדרך המקובלת ביותר להציג את רשימת היסודות היא הטבלה המחזורית של היסודות (הנקראת לפעמים גם טבלת היסודות וטבלת מנדלייב.) לפי הטבלה אפשר לראות איזה סוג, באיזה מצב צבירה בטמפרטורת החדר ובאיזה קבוצה נמצא כל יסוד: ליסודות הנמצאים באותה השורה יש מספר זהה של קליפות אלקטרונים, כשהקליפה החיצונית של היסודות בקצה השמאלי של הטבלה מכילה אלקטרון בודד, ואילו זו של היסודות בקצה הימני מכילה 8 אלקטרונים (המספר המקסימלי האפשרי; כלומר, קליפתם מלאה לגמרי באלקטרונים). לדוגמה, ליתיום וניאון מכילים שניהם שתי קליפות אלקטרונים, כיוון ששניהם מצויים בשורה השנייה של הטבלה; הקליפה החיצונית של ליתיום מכילה אלקטרון בודד, וזו של ניאון – 8 אלקטרונים.

ליסודות הנמצאים באותו הטור (מכונה בהקשר זה קבוצה) יש מספר זהה של אלקטרונים בקליפה החיצונית. היות שלמספר האלקטרונים בקליפה החיצונית השפעה מכרעת על התכונות הכימיות של היסוד, מגלים כל היסודות באותו הטור תכונות דומות ומהווים ברוב המקרים קבוצה מוגדרת בעלת שם (הלוגנים, מתכות אלקליות ועוד). לכלל זה (בנוגע למספר האלקטרונים בקליפה החיצונית) יש יוצאים מן הכלל במתכות המעבר. הטבלה המחזורית מחולקת לשלוש קבוצות עיקריות (מתכות, מתכות למחצה (מטלואידים) ואל מתכות) ולמספר קבוצות משנה.

מתכות אלקליות

מתכת אלקלית (ליתיום, נתרן, אשלגן, רובידיום, צזיום ופרנציום) היא יסוד מתכתי, לרוב מוצק בטמפרטורת החדר, רך ופעיל מאוד. המתכות האלקליות הן המתכות הנמצאות בטור הראשון בטבלה המחזורית. מתכות אלה לא נמצאות אף פעם בטבע כיסוד אלא הן תמיד בצורת תרכובת עם יסודות אחרים. מתכות אלה הן בצבע כסף, רכות (במיוחד כאשר יורדים בטבלה המחזורית), בעלות צפיפות נמוכה ומתרכבות במהירות רבה. לכולן יש אלקטרון אחד ברמה האחרונה, כך שעדיפותם האנרגטית היא לאבד את האלקטרון. המימן אמנם נמצא גם באותו הטור, אך הוא אינו שייך לקבוצת המתכות האלקליות. המתכת האלקלית הבאה בתור, ושטרם יוצרה, היא אונונניום.

מתכות אלקליות עפרוריות

המתכות האלקליות-עפרוריות (בריליום, מגנזיום, סידן, סטרונציום, בריום ורדיום) הן יסודות מוצקים ובעלי צבע אפור עם ברק מתכתי אופייני. יסודות אלו מוליכים חשמל וחום וניתנים לריקוע. לקבוצה זו משתייכים ששת היסודות הנמצאים בטור השני של הטבלה המחזורית. היסוד האחרון בקבוצה – רדיום – הוא רדיואקטיבי. בשל נטייתן החזקה של המתכות האלקליות עפרוריות להגיב עם יסודות אחרים הן אינן נמצאות בצורתן החופשית בטבע. בימי הביניים האלכימאים התייחסו לחומרים שאינם מסיסים במים ושאינם משתנים בבעירה כאל "חומרי אדמה", עפר, ומכאן השם.

מתכות מעבר

מתכת מעבר היא יסוד כימי המורכב מאטומים שלאלקטרונים שלהם, אשר נמצאים ברמה האחרונה, אנרגיית יינון נמוכה. כתוצאה מכך חלק או כל האלקטרונים של הרמה האחרונה נמשכים בצורה חלשה לגרעין האטום. קבוצת מתכות המעבר כוללת 25 יסודות: (סקנדיום, איטריום, טיטניום, ונדיום, כרום, מנגן, ברזל, קובלט, ניקל, נחושת, מוליבדן, ניאוביום, צירקוניום, רודיום, רותניום, פלדיום, כסף, הפניום, טנטלום, טונגסטן, רניום, אירידיום, אוסמיום, פלטינה, זהב ) 3 היסודות בטור ש"מימין" למתכות המעבר (הטור ה־12) אבץ, קדמיום וכספית אינם מתכות מעבר מבחינת תכונותיהן המטלורגיות ומבחינת הקישור הכימי אך לשם פישוט צורתה של הטבלה המחזורית נרשמות באותו גוש כך שבטבלה המחזורית בצורתה המקובלת מתכות המעבר משתרעות על 10 טורים^[6]. יש גם כ-10 מתכות מעבר אשר יוצרו במעבדה (טכנציום, רתרפורדיום, דובניום, סיבורגיום, בוהריום, האסיום, מייטנריום, דרמשטטיום, רונטגניום וקופרניקיום).

מתכות מעבר עמידות

מתכות מעבר עמידות היא קבוצה של מתכות, שבטבלה המחזורית משתרעת על 3 קבוצות (5 קבוצות אם מחשיבים גם את היסודות שטרם התגלו). המתכות הן: אלומיניום, אינדיום, בדיל, גליום, תליום, עופרת וביסמוט. שאר המתכות שיוצרו במעבדה הן: ניהוניום, פלרוביום, מוסקוביום, ליברמוריום, טנסין ואוגאנסון.

מתכות למחצה

המתכות למחצה (בורון, צורן, גרמניום, ארסן, אנטימון, טלור, פולוניום) הן אחד משלושת הסוגים של היסודות, שכוללים גם מתכות ואל מתכות. למתכות למחצה (נקראות גם מטלואידים), תכונות ביניים בין מתכות ואל מתכות. אין דרך מיוחדת להבדיל בין מתכת למחצה למתכת רגילה. ההבדל העיקרי הוא שמתכות למחצה הן בדרך כלל גם מוליכות למחצה, בעוד מתכות רגילות הן מוליכות. לעיתים מוסיפים מתכות למחצה לסגסוגות. בטבלה המחזורית, המטלואידים חוצים בקו אלכסוני את הגבול בין מתכות ואל מתכות.

אל מתכת

האל-מתכות (מימן, חנקן, חמצן, פלואור, כלור, ברום ויוד) הן דו-אטומיות. יש עוד 13 אל מתכות, אבל הן רב-אטומיות. האל-מתכות נמצאות בצד הימני העליון של הטבלה המחזורית. יוצא דופן הוא המימן, שמופיע בדרך כלל בצד השמאלי העליון יחד עם המתכות האלקליות, אבל הוא מתנהג ברוב המקרים כאל-מתכת. שלא כמו מתכות, שמוליכות חשמל, רוב האל-מתכות הן מבודדות או מבודדות למחצה. אל-מתכות יכולות ליצור סריג יוני עם מתכות, או לחלופין קשר קוולנטי עם אל-מתכות ומתכות אחרות. תחמוצת של אל-מתכת יוצרת חומצה.

הלוגנים

הלוגן הוא כל יסוד השייך למשפחת ההלוגנים: קבוצת יסודות אל-מתכתיים, רעילים, המאכלסים את העמודה ה-17 והלפני אחרונה בטבלה המחזורית. ההלוגנים הם: פלואור, כלור, ברום, יוד ואסטטין. ההלוגנים מצויים בטבע בצורת מולקולות דו-אטומיות ובתרכובות רבות. להלוגנים יש שבעה אלקטרונים ברמת האנרגיה החיצונית (7 אלקטרוני ערכיות); דבר זה גורם להלוגנים להיות פעילים במיוחד, ולהגיב בעוצמה עם חומרים רבים. פלואור, בנוסף, הוא היסוד האלקטרושלילי ביותר בכל הטבלה המחזורית; גם עובדה זו אחראית לכך שזהו אחד היסודות הפעילים ביותר.

גזים אצילים

גזים אצילים הם יסודות כימיים שלהם קליפה חיצונית מלאה של אלקטרונים, ולכן אינם מתרכבים בקלות עם יסודות אחרים (השם גזים אצילים ניתן להם בזמן שהדעה הייתה שאינם מתרכבים כלל). יסודות אלה הם: הליום, ניאון, ארגון, קריפטון, קסנון ורדון. כל היסודות הללו הם גזים בטמפרטורת החדר, ולהם נקודות היתוך ונקודות רתיחה נמוכות מאוד. הגזים האצילים מופיעים בטור ה-18 בטבלה המחזורית.

יסודות נדירים

לנתנידים

קבוצת הלנתנידים היא קבוצה של 15 מתכות מעבר נדירות ביותר, הדומות מאוד אחת לשנייה והנמצאות לעיתים קרובות אחת ליד השנייה. קבוצת הלנתנידים מכילה את היסודות לנתן, צריום, פרסאודימיום, נאודימיום, פרומתיום, סמריום, אירופיום, גדוליניום, טרביום, דיספרוסיום, הולמיום, ארביום, תוליום, איטרביום ולוטציום, אשר נמצאים בטבלה המחזורית במקומות 57 - 71 ומסודרים בשורה נפרדת מתחת לטבלה הראשית, שורת הלנתנידים.

אקטינידים

סדרת האקטינידים היא סדרה כימית של 15 יסודות דומים ביותר. הסדרה כוללת את היסודות אקטיניום, תוריום, פרוטקטיניום, אורניום, נפטוניום, פלוטוניום, אמריציום, קוריום, ברקליום, קליפורניום, איינשטייניום, פרמיום, מנדלביום, נובליום ולורנציום. האקטינידים נמצאים בטבלה המחזורית במקומות 89 - 103 והם מרוכזים בשורה נפרדת מתחת לגוף הטבלה, שורת האקטינידים. היסודות האקטינידים מאופיינים ברדיואקטיביות ומשך חיים קצר למדי; רק אורניום ותוריום לא נוצרו באופן מלאכותי (במעבדה), וכל האקטינידים מוצקים בטמפרטורת החדר.

יסודות מלאכותיים / סינתטיים

קיימים כ-30 יסודות כימיים מלאכותיים (הידועים גם בשמותיהם "יסודות סינתטיים" או "יסודות טרנס אורניים") אשר נוצרו במאיצי חלקיקים. מתוכם עשרה הם מתכות מעבר, חמש Poor Metals, הלוגן אחד, לנתניד אחד ו-13 אקטינידים.