Alkuaine

Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä.

Alkuaine määritellään aineeksi, jonka atomien ytimissä on tietty määrä protoneja. Alkuaineita ei myöskään voida jakaa tai muuttaa toiseksi aineeksi kemiallisessa prosessissa.

Alkuaineet koostuvat atomeista, joiden ytimissä on protoneja, joita kiertää yhtäläinen määrä elektroneja. Protonien lukumäärä määrää alkuaineen järjestysluvun eli niin kutsutun atomiluvun. Saman alkuaineen atomeilla on siten sama atomiluku. Esimerkiksi atomit, joiden ytimessä on kuusi protonia, ovat hiiliatomeja. Ytimessä voi olla vaihteleva määrä neutroneja; tällaisia saman alkuaineen erilaisia ytimiä kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi.

Virallisesti varmennettuja alkuaineita tunnetaan nykyään 118 erilaista, joista 94 kevyintä alkuainetta esiintyy luonnossa ja loput, raskaammat alkuaineet on valmistettu keinotekoisesti ydinreaktioiden avulla. Nykyisin tunnetuista alkuaineista 80:llä on pysyviä isotooppeja ja muiden alkuaineiden kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia.

Alkuaineet voidaan jakaa kemiallisten ominaisuuksiensa suhteen karkeasti kahdentyyppisiin aineisiin: metalleiksi ja epämetalleiksi. Jos alkuaineella on sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia, sitä kutsutaan puolimetalliksi. Alkuaineet on ryhmitelty tarkemmin rakenteensa perusteella jaksolliseen järjestelmään, jonka avulla voi myös ennustaa alkuaineiden kemiallisia ominaisuuksia. Alkuaineet muodostavat yhdisteitä, jotka voidaan yleisesti ottaen jakaa ioni- tai molekyyliyhdisteiksi.

Alkuaineiden löytämisen historia

Alkuaine-käsitteellä on pitkä historia. Esimerkiksi Thales piti vettä alkuaineena, josta kaikki muut aineet olisivat syntyneet, myöhemmin eräät muut filosofit pitivät sellaisena ilmaa tai tulta. Myöhemmin tuli yleisesti hyväksytyksi alkujaan Empedokleen esittämä ja myös Aristoteleen kannattama käsitys, että oli olemassa neljä alkuainetta, maa, vesi, ilma ja tuli. Näitä kutsutaan usein klassisiksi alkuaineiksi. Kuitenkin jo vanhoista ajoista oli tunnettu useita sellaisiakin aineita (hiili, rikki ja joukko metalleja), joiden nykyisin tiedetään olevan alkuaineita, mutta yksikään niistä ei ollut sellaiseksi tunnistettu. Nykyinen käsitys alkuaineista on muodostunut vasta 1700–1800-luvuilla.

Varhaiset löydöt

• Antiikin aikana tunnettiin alkuaineista hiili, hopea, kupari, rikki, tina, kulta, lyijy, rauta ja elohopea.
• 1200-luvulla Albertus Magnuksen uskotaan löytäneen arseenin.
• 1450-luvulla Johan Thölde kuvasi antimonin tieteellisesti.
• 1500-luvulla tunnettiin jo vismutti, mutta sen kuvasi tarkasti 1753 Claude François Geoffroy.
• 1526 Paracelsus tunnisti sinkin.
• 1669 Hening Brand kuvasi fosforin, hieman myöhemmin saman teki Robert Boyle.

1700-luvulla löydetyt alkuaineet

1700-luvulla löydettiin 19 alkuainetta.

• 1732: koboltti (Georg Brandt)
• 1741: platina (toisistaan riippumatta Antonio de Ulloa, jonka löytö julkistettiin 1748, ja Charles H. Wood – Amerikan intiaanit tunsivat tämän metallin)
• 1751: nikkeli (Axel Fredrik Cronstedt)
• 1755: magnesium (Joseph Black)
• 1766: vety (Henry Cavendish, sen nimesi Antoine Lavoisier)
• 1771: happi (Joseph Priestley)
• 1772: typpi (Daniel Rutherford)
• 1774: kloori (Carl Wilhelm Scheele) ja mangaani (Johan Gottlieb Gahn)
• 1778: molybdeeni (Scheele)
• 1782: telluuri (Franz-Joseph Müller von Reichenstein)
• 1783: volframi (Juan José ja Fausto Elhuyar)
• 1789: uraani ja zirkonium (Martin Heinrich Klaproth)
• 1793: strontium (Klaproth)
• 1794: yttrium (suomalainen Johan Gadolin)
• 1797: titaani (Klaproth) ja kromi (Louis Nicolas Vauquelin)
• 1798: beryllium (Vauquelin)

1800-luvulla löydetyt alkuaineet

1800-luvulla löydettiin pääosa alkuaineista ja huomattiin niissä olevan säännönmukaisuuksia, mikä johdatti Mendelejevin jaksollisen järjestelmän keksimiseen.

• 1801: vanadiini (Andrés Manuel del Río) ja niobium (Charles Hatchett)
• 1802: tantaali (Anders Gustaf Ekeberg)
• 1803: cerium (Martin Heinrich Klaproth, Jöns Jakob Berzelius ja Wilhelm von Hisinger), rodium ja palladium (William Hyde Wollaston), osmium ja iridium (Smithson Tennant)
• 1807: kalium ja natrium (Humphry Davy)
• 1808: kalsium ja barium (Davy) sekä boori (Joseph Louis Gay-Lussac ja Louis-Jacques Thenard)
• 1811: jodi (Bernard Courtois)
• 1817: litium (Johan August Arfwedson), kadmium (Friedrich Strohmeyer ja samanaikaisesti K.S.L Hermann) ja seleeni (Jöns Jakob Berzelius)
• 1823: pii (Berzelius)
• 1825: alumiini (Hans Christian Ørsted)
• 1826: bromi (Antoine Jérôme Balard)
• 1828: torium (Berzelius). Vuonna 1798 löydetty beryllium eristettiin puhtaana (Friedrich Wöhler ja samanaikaisesti Antoine Bussy)
• 1839–1841: lantaani (Carl Gustaf Mosander)
• 1843: terbium ja erbium (Mosander)
• 1844: rutenium (Karl Klaus)
• 1860: cesium ja rubidium (Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff, spektroskopian avulla)
• 1861: tallium (Sir William Crookes)
• 1863: indium (Ferdinand Reich ja Theodor Richter)
• 1868: helium (samanaikaisesti Pierre Jansen ja Norman Lockyer, auringon spektristä. Maapallolta sitä löydettiin vasta 1890-luvulla.)
• 1874: gallium (Paul Emile Lecoq de Boisbaudran; alkuaineen olemassaolon ja ominaisuudet ennusti Mendelejev 1871)
• 1878: ytterbium (Jean Charles Galissard de Marignac)
• 1879: tulium (Per Teodor Cleve), skandium (Lars Fredrik Nilson), holmium (Marc Delafontaine, Jacques-Louis Soret ja Per Teodor Cleve) sekä samarium (de Boisbaudran)
• 1880: gadolinium (de Marignac)
• 1885: praseodyymi (Carl Auer von Welsbach; Mosanderin 1839 erottama didymiumiksi kutsuttu aine osoittautui praseodyymiksi ja neodyymiksi)
• 1886: dysprosium (de Boisbaudran), germanium (Clemens Winkler) ja fluori (Henri Moissan). Monet fluoriyhdisteet oli tunnettu jo kauan aikaisemmin ja niiden oli oletettu sisältävän tuntematonta alkuainetta, jonka monet tutkijat olivat yrittäneet eristää, mutta vasta vuonna 1886 Moissan onnistui sen tekemään.
• 1894: argon (Lordi Rayleigh ja Sir William Ramsay)
• 1898: jalokaasut neon, krypton ja ksenon (Ramsay), radium ja polonium (Pierre ja Marie Curie)
• 1899: aktinium (André Debierne)

1900-luvulla löydetyt alkuaineet

1900-luvulla löytyi vielä muutamia alkuaineita luonnosta, mutta suurin osa uusista löydöistä oli lyhytikäisiä keinotekoisia alkuaineita.

• 1900: radon (Friedrich Enrst Dorn)
• 1901: europium (Eugène-Anatole Demarçay)
• 1907: lutetium (Georges Urbain)
• 1913: protaktinium (Kasimir Fajans, Oswald Göhring, Frederick Soddy, John Cranston, Lise Meitner ja Otto Hahn)
• 1923: hafnium (Dirk Coster ja György Hevesy)
• 1925: renium (Walter Noddack ja Ida Tacke)
• 1937: teknetium (Carlo Perrier ja Emilio Segrè; ensimmäinen keinotekoinen alkuaine)
• 1939: frankium (Marguerite Perey; viimeinen luonnosta löytynyt alkuaine)
• 1940: astatiini (Dale R. Corson, K.R. Mackenzie ja Segrè)
• 1940: neptunium (Edwin McMillan ja Philip H. Abelson)
• 1940: plutonium (Glenn T. Seaborg, Arthur C. Wahl, Joseph W. Kennedy ja Segrè)
• 1944: curium ja amerikium (Seaborg)
• 1945: prometium (Jacob A. Marinsky)
• 1949: berkelium (Albert Ghiorso, Seaborg, Stanley G. Thompson ja Kenneth Street Jr.)
• 1950: kalifornium (Ghiorso, Seaborg, Thompson ja Street)
• 1952: einsteinium (sekä Argonnen ja Los Alamosin laboratorioissa että Kalifornian yliopistossa)
• 1953: fermium (sekä Argonnen ja Los Alamosin laboratorioissa että Kalifornian yliopistossa) ja mendelevium (Seaborg ja Evans G. Valens)
• 1958: nobelium (Ghiorso, Seaborg, John R. Walton ja Torbørn Sikkeland)
• 1961: lawrencium (Ghiorso, Sikkeland, Almon Larsh ja Robert M. Latimer)
• 1964: rutherfordium (Dubnan ydintutkimuskeskus Neuvostoliitossa)
• 1970: dubnium (Ghiorso)
• 1974: seaborgium (Kalifornian yliopiston ydintutkimuskeskus)
• 1976: bohrium (Juri Oganesjan Dubnan ydintutkimuskeskuksessa; varmistettiin GSI:ssä 1982)
• 1982: meitnerium (Peter Armbruster ja Gottfried Münzenberg)
• 1984: hassium (Armbruster ja Münzenberg)
• 1994: darmstadtium ja röntgenium (S. Hofmann ja V. Ninov)
• 1996: kopernikium (Hofmann ja Ninov)
• 1999: flerovium (Dubnan ydintutkimuskeskus)

2000-luvulla löytyneet alkuaineet

• 2000: livermorium (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio)
• 2003: moskovium (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio)
• 2004: nihonium (K. Morita työryhmineen (RIKEN) Japanissa)
• 2006: oganesson (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio)
• 2010: tennessiini (Dubnan ydintutkimuskeskus ja Lawrence Livermoren laboratorio)

Maapallon ja maailmankaikkeuden yleisimmät alkuaineet

Happi on yleisin alkuaine maankuoressa ja pii toiseksi yleisin (massan perusteella). Koko maapallon yleisin on rautapitoisen ytimen vuoksi rauta, hapen ollessa toiseksi yleisin.

Kymmenen maailmankaikkeuden yleisintä alkuainetta esitettynä miljoonasosina (parts per million):

Alkuaine	ppm
Vety	739 000
Helium	240 000
Happi	10 700
Hiili	4 600
Neon	1 340
Rauta	1 090
Typpi	970
Pii	650
Magnesium	580
Rikki	440

Uusien alkuaineiden etsiminen

Alkuaineita voidaan valmistaa laboratorio-olosuhteissa. Tällaisia keinotekoisia alkuaineita ovat muun muassa livermorium, einsteinium ja seaborgium. Kokeellisesti tuotetuille aineille annetaan ensin väliaikainen nimi, joka muodostuu alkuaineen järjestysluvun mukaisista kolmesta peräkkäisestä lukusanaa ilmaisevasta, latinalais- tai kreikkalaisperäisestä tavusta, kuten alkuaineelle 124: yksi-kaksi-neljä (un + bi + quad + ium = unbiquadium). Alkuaineen nimen perään lisätään myös liite -ium. Aineen päätymisestä virallisesti alkuaineiden listaan päättää IUPAC.

Katso myös

• Luettelo alkuaineista
• Ydinsynteesi

Lähteet

• John Hudson: Suurin tiede – kemian historia. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Art House, 2002. ISBN 951-884-346-5
• Otavan iso Fokus, 1. osa (A–El), s. 129–133, art. Alkuaine ja siihen liittyvä taulukko. Otava, 1973. ISBN 951-1-00273-2

Kirjallisuutta

• Hamilo, Marko & Lauri Niinistö (toim.): Alkuaineet. Helsinki: Helsingin Sanomat, 2007. ISBN 978-952-5557-16-9
• Strathern, Paul: Mendelejevin uni: Puuttuvien alkuaineiden etsintä. ((Mendeleyev’s dream: The quest for the elements, 2000.) Suomentanut Juha Pietiläinen) Helsinki: Terra Cognita, 2004. ISBN 952-5202-62-3