Каждый химический элемент имеет. Элементы химические. Классификация по электронному строению атомов
Происхождение химических элементов во Вселенной
Создание химических элементов на Земле
Все знают периодическую таблицу химических элементов — таблицу Менделеева . Там элементов достаточно много и непрерывно физики трудятся над тем, чтобы создать всё более и более тяжёлые трансурановые элементы . Есть много интересного в ядерной физике, связанного с устойчивостью этих ядер. Есть всякие острова стабильности и люди, работающие на соответствующих ускорителях, пытаются создать химические элементы с очень большими атомными числами. Но все эти элементы живут очень недолго. То есть можно создать несколько ядер этого элемента , успеть что-то исследовать, доказать что вы его вправду синтезировали и открыли этот элемент . Получите право присвоить ему какое-то имя, может быть получите Нобелевскую премию. Но в природе этих химических элементов кажется нет, но на самом деле они могут в каких-то процессах возникать. Но совершенно в ничтожных количествах и за короткое время распадаются. Поэтому во Вселенной , в основном, мы видим элементы начиная с урана и легче.
Эволюция Вселенной
Но Вселенная
наша эволюционирует. И вообще, как только вы пришли к идее какого-то глобального изменения, вы неизбежно приходите к мысли о том, что всё что вы видите вокруг, в том или ином смысле, становится бренным. И если, в смысле людей, зверей и вещей мы как-то с этим смирились, то сделать следующий шаг, иногда, кажется странным. Например, вода то она всегда вода или железо оно всегда железо?! Ответ нет, поскольку эволюционирует Вселенная
в целом и когда-то, естественно, не было, например, земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой складывалась Солнечная система. Нужно идти ещё и ещё дальше назад и окажется, что когда-то не было, не только Менделеева и его периодической таблицы, но не было никаких элементов в неё входящих. Так как наша Вселенная
родилась, пройдя через очень горячее, через очень плотное состояние. А когда горячо и плотно, всё сложные структуры разрушаются. И поэтому, в очень ранней истории Вселенной
не существовало стабильно никаких, привычных для нас, веществ или даже элементарных частиц.
Происхождение лёгких химических элементов во Вселенной
Образование химического элемента — водорода
По мере того, как Вселенная расширялась
, остывала и становилась менее плотной, появлялись какие-то частицы. Грубо говоря, каждой массе частицы, мы можем сопоставить энергию по формуле E=mc 2
. Каждой энергии мы можем сопоставить температуру и когда температура падает ниже этой критичной энергии, частица может становиться стабильной и может существовать.
Соответственно Вселенная расширяется
, остывает и из таблицы Менделеева первым естественно появляется водород
. Потому что это просто протон. То есть появились протоны, и мы можем сказать, что появился водород
. В этом смысле Вселенная
на 100%
состоит из водорода, плюс тёмное вещество, плюс тёмная энергия, плюс многое излучения. Но из обычного вещества есть только водород
. Появляются протоны
, начинают появляться нейтроны
. Нейтроны
немножечко тяжелее протонов
и это приводит к тому, что нейтронов
появляется немножко меньше. Чтобы какие-то временные факторы в голове были, мы говорим ещё о первых долях секунды жизни Вселенной
.
«Первые три минуты»
Появились протоны
и нейтроны
, вроде бы горячо и плотно. И с протона
и нейтрона
можно начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд. Но на самом деле, ещё слишком горячо и плотно. Поэтому надо чуть-чуть подождать и где-то с первых секунд жизни Вселенной
и до первых минут. Есть книжка Вайнберга известная, называется «Первые три минуты»
и она посвящена вот этому этапу в жизни Вселенной
.
Происхождение химического элемента — гелия
В первые минуты начинают идти термоядерные реакции, потому что вся Вселенная
похожа на недра звезды и термоядерные реакции могут идти. Начинают образовываться изотопы водорода
– дейтерий
и соответственно тритий
. Начинают образовываться более тяжелые химические элементы
– гелий
. А вот дальше двигаться трудно, потому что стабильных ядер с числом частиц 5
и 8
нет. И получается такая вот сложная затыка.
Представьте, что у вас комната усыпана детальками от лего и вам нужно бегать и собирать структуры. Но детальки разбегаются или комната расширяется, то есть, как-то всё движется. Вам трудно собирать детальки, да ещё вдобавок, например, вот две вы сложили, потом ещё две сложили. А вот приткнуть пятую не получается. И поэтому за эти первые минуты жизни Вселенной
, в основном, успевает сформироваться только гелий
, немножко лития
, немножко дейтерия
остаётся. Он просто сгорает в этих реакциях, превращается в тот же гелий
.
Так, что в основном Вселенная
оказывается, состоящей из водорода
и гелия
, спустя первые минуты своей жизни. Плюс совсем небольшое количество элементов немножко более тяжёлых. И как бы всё, на этом первоначальный этап формирования таблицы Менделеева закончился. И наступает пауза, пока не появятся первые звезды. В звёздах опять получается горячо и плотно. Создаются условия для продолжения термоядерного синтеза
. И звёзды большую часть своей жизни, занимаются синтезом гелия
из водорода
. То есть всё равно игра с первыми двумя элементами. Поэтому из-за существования звёзд, водорода
становится меньше, гелия
становится больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во Вселенной
находится не в звёздах. В основном обычное вещество разбросано по всей Вселенной
в облаках горячего газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплений. И этот газ может быть никогда не превратится в звёзды, то есть в этом смысле, Вселенная
всё равно останется, в основном, состоящей из водорода
и гелия
. Если мы говорим об обычном веществе, но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких химических элементов падает, а количество тяжёлых элементов растет.
Звёздный нуклеосинтез
И так после эпохи первоначального нуклеосинтеза , наступает эпоха звёздного нуклеосинтеза , который идёт и в наши дни. В звезде, в начале водород превращается в гелий . Если условия позволят, а условия это температура и плотность, то пойдут следующие реакции. Чем дальше мы продвигаемся по таблице Менделеева, тем труднее начинать эти реакции, тем более экстремальные условия нужны. Условия создаются в звезде сами по себе. Звезда сама на себя давит, ее гравитационная энергия уравновешивается с её внутренней энергией, связанной с давлением газа и изучением. Соответственно, чем тяжелее звезда, тем сильнее она себя сдавливает и получает более высокую температуру и плотность в центре. И там могут идти следующие атомные реакции .
Химическая эволюция звёзд и галактик
В Солнце после синтеза гелия , запустится следующая реакция, будет образовываться углерод и кислород . Дальше реакции не пойдут и Солнце превратится в кислородно-углеродный белый карлик . Но при этом внешние слои Солнца, уже обогащённые реакция синтеза, будут сброшены. Солнце превратится в планетарную туманность, внешние слои разлетятся. И по большей части, вот так сброшенное вещество, после того, как она перемешается с веществом межзвёздной среды, сможет войти в состав следующего поколения звёзд. Так что у звёзд есть такая вот эволюция. Есть химическая эволюция галактик , каждые следующие образующиеся звёзды, в среднем, содержат всё больше и больше тяжелых элементов. Поэтому самые первые звёзды, которые образовывались из чистого водорода и гелия , они, например, не могли иметь каменных планет. Потому что их не из чего было делать. Нужно было, чтобы прошел цикл эволюции первых звёзд и здесь важно, что быстрее всего эволюционируют массивные звёзды.
Происхождение тяжёлых химических элементов во Вселенной
Происхождение химического элемента — железа
Солнце и его полное время жизни почти 12 млрд
лет. А массивные звезды живут несколько миллионов
лет. Они доводят реакции до железа
, и в конце своей жизни взрываются. При взрыве, кроме самого внутреннего ядра, всё вещество оказывается сброшено и поэтому наружу сбрасывается большое количество, естественно, и водорода
, который остался не переработанным во внешних слоях. Но важно, что выбрасывается большое количество кислорода
, кремния
, магния
, то есть уже достаточно тяжелых химических элементов
, чуть-чуть не доходящих до железа
и, родственных ему, никеля
и кобальта
. Очень выделенные элементы. Может быть, со школьных времен памятна такая картинка: номер химического элемента
и выделение энергии при реакциях синтеза или распада и там получается такой максимум. И железо, никель, кобальт
находятся на самой верхушке. Это означает, что распад тяжелых химических элементов
выгоден до железа
, синтез из лёгких тоже выгоден до железа. Дальше энергию нужно тратить. Соответственно мы двигаемся со стороны водорода, со стороны лёгких элементов и реакция термоядерного синтеза в звездах могут доходить до железа. Они должны идти с выделением энергии.
При взрыве массивной звезды, железо
, в основном, не выбрасывается. Оно остается в центральном ядре и превращается в нейтронную звезду
или чёрную дыру
. Но выбрасываются химические элементы тяжелее железа
. Железо выбрасывается при других взрывах. Взрываться могут белые карлики, то что остается, например, от Солнца. Сам по себе белый карлик очень стабильный объект. Но у него есть предельная масса, когда он эту устойчивость теряет. Начинается термоядерная реакция горения углерода
.
Взрыв Сверхновой
И если обычная звезда, это очень стабильный объект. Вы её чуть-чуть нагрели в центре, она на это отреагирует, она расширится. Упадет температура в центре, и всё она себя отрегулирует. Как бы в её ни грели или ни охлаждали. А вот белый карлик
так не умеет. Вы запустили реакцию, он хочет расшириться, а не может. Поэтому термоядерная реакция быстро охватывает весь белый карлик и он целиком взрывается. Получается взрыв Сверхновой типа 1А
и это очень хорошая очень важная Сверхновая. Они позволили открыть . Но самое главное, что при этом взрыве карлик разрушается полностью и там синтезируется много железа
. Всё желез
о вокруг, все гвозди, гайки, топоры и все железо внутри нас, можно уколоть палец и посмотреть на него или попробовать на вкус. Так вот всё это железо
взялось из белых карликов.
Происхождение тяжёлых химических элементов
Но есть ещё более тяжелые элементы. Где же синтезируется они? Долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов
, это взрывы Сверхновых
, связанных с массивными звёздами. Во время взрыва, то есть когда есть много лишней энергии, когда летают всякие лишние нейтроны
, можно проводить реакции, которые энергетически невыгодны. Просто условия так сложились и в этом, разлетающемся веществе, могут идти реакции, синтезирующие достаточно тяжёлые химические элементы
. И они действительно идут. Многие химические элементы
, тяжелее железа, образуются именно таким способом.
Кроме того, даже не взрывающиеся звезды, на определенном этапе своей эволюции, когда они превратились в красных гигантов
могут синтезировать тяжелые элементы
. В них идут термоядерные реакции, в результате которых образуется немножко свободных нейтронов. Нейтрон
, в этом смысле, очень хорошая частица, поскольку заряд у неё нет, она может легко проникать в атомное ядро. И проникнув в ядро, потом нейтрон может превратиться в протон
. И соответственно элемент перепрыгнет на следующую клеточку в таблице Менделеева
. Этот процесс довольно медленный. Он называется s-процесс
, от слова slow-медленный. Но он достаточно эффективный и многие химические элементы
синтезируются в красных гигантах именно способом. А в Сверхновых идет r- процесс
, то есть быстрый. По сколько, действительно всё происходит за очень короткое время.
Недавно оказалось, что есть ещё одно хорошее место для r-процесса, несвязанное со взрывом Сверхновой
. Есть ещё одно очень интересное явление — это слияние двух нейтронных звёзд. Звёзды очень любят рождаться парами, а массивные звезды рождаются, по большей части, парами. 80-90%
массивных звезд рождаются в двойных системах. В результате эволюции, двойные могут разрушаться, но какие-то доходят до конца. И если у нас в системе было 2
массивных звезды, мы можем получить систему из двух нейтронных звёзд. После этого они будут сближаться за счет излучения гравитационных волн и в конце концов сольются.
Представьте, вы берите объект размером 20 км
с массой полторы массы Солнца, и почти со скоростью света
, роняете его на другой такой же объект. Даже по простой формуле кинетическая энергия равняется (mv 2)/2
. Если в качестве m
вы подставить скажем 2
массы Солнца, в качестве v
поставить треть скорости света
, вы можете посчитать и получите совершенно фантастическую энергию
. Она будет выделяться и в виде гравитационных волн, по всей видимости в установке LIGO
уже видят такие события, но мы ещё об этом не знаем. Но при этом, поскольку сталкиваются реальные объекты, происходит действительно взрыв. Выделяется много энергии в гамма-диапазоне
, в рентгеновском
диапазоне. В общем-то всех диапазонах и часть этой энергии идет на синтез химических элементов
.
Происхождение химического элемента — золота
Происхождение химического элемента золота
И современные расчёты, они наблюдениями окончательно подтверждены, показывают, что, например, золото
рождается именно в таких реакциях. Такой экзотический процесс, как слияние двух нейтронных звёзд, действительно экзотический. Даже в такой большой системе, как наша Галактика
, происходит где-то раз в 20-30
тысяч лет. Кажется довольно редко, тем не менее, хватает чтобы что-то насинтезировать. Ну или наоборот, можно сказать, что происходит так редко, и поэтому золото
такое редкое и дорогое. И вообще видно, что многие химические элементы
оказываются достаточно редкими, хотя они для нас часто важнее. Есть всякие редкоземельные металлы, которые используются в ваших смартфонах, а современный человек скорее обойдется без золота, чем без смартфона. Вот всех этих элементов мало, потому что они рождаются в каких-то редких астрофизических процессах. И по большей части все эти процессы, так или иначе, связаны со звездами, с их более или менее спокойной эволюцией, но с поздними стадиями, взрывами массивных звёзд, со взрывами белых карликов
или состояниями нейтронных звёзд
.
Ученые объясняют возникновение химических элементов теорией Большого Взрыва. Согласно ей, Вселенная образовалась после Большого Взрыва огромного огненного шара, который разбросал во всех направлениях частицы материи и потоки энергии. Хотя, если во Вселенной самые распространенные химические элементы это Водород и Гелий, то на планете Земля - это Кислород и Кремний.
Из всего числа известных химических элементов, на Земле найдено 88 таких элементов, среди которых самыми распространенными в земной коре являются Кислород (49,4%), Кремний (25,8%), также Алюминий (7,5%), Железо, Калий и другие химические элементы, встречаемые в природе. На эти элементы приходится 99% массы всей Земной оболочки.
Состав элементов в Земной коре отличается от элементов, находящихся в мантии и ядре. Так ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а поверхность Земли насыщена кислородом.
Самые распространенные химические элементы на Земле
(49,4% в Земной коре)
Кислород используют для дыхания почти все живые организмы на Земле. Десятки миллиардов тонн Кислорода расходуются каждый год, но в воздухе его все равно не становится меньше. Ученые считают, что зеленые растения на планете выделяют Кислорода почти в шесть раз больше, чем он расходуется...
(25,8% в Земной коре)
Роль Кремния в геохимии Земли огромна, примерно 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 (все твердые и прочные породы состоят на треть из кремния), а число минералов, в которых содержится кремнезем больше 400. На Земле Кремний в свободном виде не встречается, только в соединениях...
(7,5% в Земной коре)
В чистом виде в природе Алюминий не встречается. Алюминий входит в состав гранитов, глины, базальтов, полевого шпата и др. и содержится во многих минералах...
(4,7% в Земной коре)
Этот химический элемент очень важен для живых организмов, так как является катализатором дыхательного процесса, участвует в доставке кислорода к тканям и присутствует в гемоглобине крови. В природе Железо встречается в руде (магнетит, гематит, лимонит и пирит) и в более 300 минералах (сульфиды, силикаты, карбонаты и др.)...
(3,4% в Земной коре)
В чистом виде в природе не встречается, в соединениях содержится в почве, во всех неорганических связующих веществах, животных, растениях и природной воде. Ионы Кальция в крови играют важную роль в регулировании работы сердца, и позволяют ей свертываться на воздухе. При недостатке Кальция у растений, страдает корневая система...
(2,6% в Земной коре)
Натрий распространен в верхней части земной коры, в природе встречается в виде минералов: галита, мирабилита, криолита и буры. Входит в состав человеческого организма, в крови человека содержится около 0.6% КаС1, за счет которого поддерживается нормальное осмотическое давление крови. В животных Натрия содержится больше чем в растениях...
(2,4% в Земной коре)
В природе не встречается в чистом виде, только в соединениях, содержится во многих минералах: сильвине, сильвините, карналлите, алюмосиликатах и др. В морской воде содержится примерно 0,04% калия. Калий быстро окисляется на воздухе и легко вступает в химические реакции. Является важным элементом развития растений, при его недостатке они желтеют, а семена теряют всхожесть...
(1,9% в Земной коре)
В природе Магний не встречается в чистом виде, но входит в состав многих минералов: силикатов, карбонатов, сульфатов, алюмосиликатов и др. Кроме этого Магния много в морской воде, подземных водах, растениях и природных рассолах...
(0,9% в Земной коре)
Водород входит в состав атмосферы, всех органических веществ и живых клеток. Его доля в живых клетках по числу атомов составляет 63%. Водород входит в состав нефти, вулканических и природных горючих газов, немного Водорода выделяют зеленые растения. Образуется при разложении органических веществ и при коксовании угля...
(0,6% в Земной коре)
В природе не встречается в свободном виде, часто в виде двуокиси TiO2 или её соединений (титанатов). Содержится в поч¬ве, в животных и растительных организмах и входит в состав больше 60 минералов. В биосфере Титан рессеян, в морской воде его 10-7%.Титан содержится и в зернах, плодах, стеблях растений, в тканях животных, молоке, куриных яйцах и в человеческом организме...
Самые редкие химические элементы на Земле
- Лютеций (0,00008 % в Земной коре по массе) . Для получения его выделяют из минералов вместе с другими тяжёлыми редкими элементами.
- Иттербий (3,310-5% в Земной коре по массе) . Содержится в бастензите, монаците, гадолините, талените и др. минералах.
- Тулий (2,7 .10−5 масс. % в Земной коре по массе) . Так же как и другие редкоземельные элементы содержится в минералах: ксенотим, монацит, эвксенит, лопарит и др.
- Эрбий (3,3 г/т в Земной коре по массе) . Добывается из монацита и бастенизита, так же как и некоторые редкие химические элементы.
- Гольмий (1,3.10−4 % в Земной коре по массе) . Вместе с другими редкоземельными элементами содержится в минералах монаците, эвксените, бастенизите, апатите и гадолините.
Очень редкие химические элементы применяют в радиоэлектронике, атомной технике, машиностроении, метталургии и химической промышленности и др.
Слово «элемент» в переводе значит «стихия». А что такое химический элемент? Это некая часть, которая является самостоятельной, и при этом является основой чего-либо. Еще античные ученые, такие как Гораций и Цицерон это слово использовали в том самом смысле, в котором оно используется в наше время.
Рассмотрим детально
Множество атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, число протонов и совпадают с порядковым номером в таблице Менделеева, называются химическим элементом. В своей Периодической системе элементов Менделеев упорядочил химические элементы, каждый из них имеет свой символ и свое название.
Сегодня, что такое химический элемент, должен знать каждый ученик, который начал в школе учить химию. Он должен знать символы химических элементов, которые обозначают: название элемента, один атом элемента и один моль атомов этого элемента.
Для названий химических элементов используют сокращенные символы химических элементов. Сначала используют первую букву названия химического элемента, а если нужно, то добавляют еще одну. Впереди стоит цифра, которая обозначает число атомов или молей атомов того или иного химического элемента.
Не перепутайте
Не нужно путать определения химического элемента и химического вещества. Это разные понятия. Химическое вещество состоит из химических элементов, может состоять из одного, а может из разных.
Восемьдесят восемь элементов найдены в природе, а все остальные выведены искусственно.
Занимает всего один листок, но в этом листке заключено огромное количество информации. В каждой клетке таблицы расположены международный символ элемента, его название (в наших таблицах – на русском языке), его порядковый номер, относительная атомная масса (для нестабильных элементов – массовое число). Как правило, цветом выделена принадлежность элементов к тому или иному семейству, а также дано строение электронных оболочек атомов. Некоторые фирмы выпускают красочные таблицы, в которых в каждой клетке помещена фотография соответствующего простого вещества, дано строение наиболее устойчивой кристаллической решетки, даны сведения о применении данного элемента. Интересно решается оформление клеточек с радиоактивными элементами. Так, в одной таблице на месте радия помещена фотография рабочего журнала Марии Кюри , открытого на той странице, где впервые появилась запись об открытии нового элемента.
Оригинальную серию из пятнадцати цветных открыток выпустила ассоциация французских химиков. На ней помещены фотографии почтовых марок, выпущенных во многих странах мира. Каждая марка посвящена очередному химическому элементу. И, конечно, почетное место занимает портрет создателя периодической системы элементов – Д.И.Менделеева и фотография первого рукописного наброска его таблицы. На марках – портреты ученых, открывших элементы, минералы, из которых эти элементы добывают, их кристаллические решетки, структурные формулы соединений... А когда владельцу этой филателистической коллекции профессору химии из университета Дижона Жану Тируфле не удавалось найти подходящую марку, он остроумно выходил из положения, прибегая к иносказанию. Так, на месте галлия помещена французская марка с поющим петушком. И это неспроста. Элемент галлий был предсказан Менделеевым (как эка-алюминий) и открыт в 1875 французским химиком Полем Эмилем Лекок де Буабодраном (P.E. Lecoq de Boisbaudran), который назвал его в честь своей родины (Gallia – латинское название Франции). Символ Франции – петух (по-французски – le coq), так что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию!
Еще Менделеев говорил, что таблица элементов – плод не только его собственного труда, но и усилий многих химиков, среди которых он особо отмечал «укрепителей периодического закона», открывших предсказанные им элементы. Для создания современной таблицы потребовалась напряженная многолетняя работа тысяч и тысяч химиков и физиков. Если бы Менделеев был сейчас жив, он, глядя на современную таблицу элементов, вполне мог бы повторить слова английского химика Дж.У.Меллора, автора классической 16-томной энциклопедии по неорганической и теоретической химии. Закончив в 1937, после 15-летней работы, свой труд, он написал с признательностью на титульном листе: «Посвящается рядовым огромной армии химиков. Их имена забыты, их работы остались»...
Сейчас мало кому известны имена тех, кто предложил современную шкалу атомных масс, впервые разделил мифический элемент «дидим» на празеодим и неодим, синтезировал технеций и нашел его следы в земной коре, – словом, всех, кто своим трудом внес хотя бы небольшой вклад в таблицу элементов. Но таблица – перед нами, и количество информации, которое она содержит – огромно. Начало же ее простирается вглубь веков, в античные времена, когда греческим философом Левкиппом и его знаменитым учеником Демокритом были сформулированы первые идеи об атомах.
Латинское слово элемент (elementum ) использовалось еще античными авторами (Цицерон , Овидий , Гораций), причем во многом в том же смысле, что и современное его значение – как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т.п.). Интересно происхождение названия этого слова. В древности было распространено изречение «Как слова состоят из букв, так и тела – из элементов». Отсюда – вероятное происхождение этого слова: по названию ряда согласных букв в латинском алфавите: l, m, n, t («el» – «em» – «en» – «tum»).
Близким по смыслу было у римлян слово principium в значении «составная часть», «начало». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в своей поэме О природе вещей часто употреблял термин principium (в переводе – «первоначало»). В этом смысле он очень близок современному «химическому» понятию элемента:
Что же до первоначал, то они еще больше имеют
Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи,
Нет ни одной из вещей, доступных для нашего взора,
Чтоб она из начал состояла вполне однородных...
Первоначала вещей уносятся собственным весом
Или толчками других...
(О природе вещей. Тит Лукреций Кар)
Учение о том, что все вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, не так уж далеки, в принципе, от современных представлений: существует ограниченное число различных типов атомов (т.е. элементов), которые могут по-разному соединяться друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного расположения атомов составляет сущность химической реакции. Понятие об атомах, элементах – величайшее достижение человеческого разума. Очень образно об этом сказал лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман : «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».
Атомы одного сорта составляют химический элемент. Еще в 17 в. Роберт Бойль , а в следующем веке – М.В.Ломоносов и А.Л.Лавуазье ясно сформулировали понятие «элемент» как простое вещество, которое невозможно разложить на составные части химическими методами. Современное определение химического элемента очень лаконичное: элемент – это совокупность атомов с определенным зарядом ядра Z . Заряд ядра равен числу протонов в нем; именно оно определяет сущность химического элемента, его индивидуальность и отличие от всех других элементов. Поэтому следует признать, что и бесцветный легкий газ, состоящий из молекул Н 2 и положительно заряженные катионы H + в водных растворах кислот, и анионы H – в расплавах гидрида лития LiH, и протоны в физических ускорителях или в глубинах Солнца, и «холодные» нейтральные атомы Н в межзвездных пространствах – все это элемент водород (Z = 1). Более того, тяжелые разновидности водорода – дейтерий (D) и тритий (T), содержащие, помимо одного протона один или два нейтрона, а также искусственно полученные сверхтяжелые атомы 4 H и 5 H также относятся к элементу водороду.
Всего в природе найдено 90 различных элементов, и еще более 20 получено искусственно. В природе химические элементы входят в состав простых и сложных веществ. Простые вещества образованы атомами одного и того же химического элемента, тогда как сложные вещества содержат атомы двух и более элементов.
Очень образно о различии понятий элемента и простого вещества написал американский химик Александр Смит, автор одного из лучших учебников неорганический химии начала 20 в.: «Правильно будет, если мы будем говорить об элементе железе и об элементе сере в сернистом железе; но никогда химик не скажет, что это соединение содержит простые вещества: железо и серу. Если бы он это сказал, то мы бы поняли его так, что данный материал представляет собой не соединение, а смесь; мы стали бы ожидать, что одни части этого материала магнитны, подобно железу, а другие части имеют желтый цвет и растворяются в сероуглероде – чего в действительности нет».
Но и простые вещества, оказывается, не так «просты»: большинство элементов могут образовать несколько простых тел. По определению, данному в Химической энциклопедии, простое вещество – это форма существования химического элемента, отличающаяся числом атомов в молекулах (например, кислород О 2 и озон О 3), типом кристаллической решетки (например, модификации углерода – графит, алмаз, карбин) или другими свойствами. Так что в газообразном водороде при комнатной температуре содержатся два простых вещества – две разновидности водорода (ортоводород и параводород); они отличаются взаимным расположением спинов ядер (см . МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР) и водород можно разделить на два простых вещества, отличающиеся по своим физическим свойствам (например, теплоемкостями). И даже такие газы, как H 2 , D 2 , T 2 , HD, HT, DT, следует считать разными простыми веществами, поскольку каждый газ содержит атомы только одного элемента – водорода, а свойства их сильно различаются. Несколько простых веществ образуют молекулы О 2: две разновидности газообразного кислорода (их называют синглетным и триплетным, они различаются электронным строением и реакционной способностью), и по меньшей мере четыре (!) разновидности твердого кислорода (вообще, наличие нескольких кристаллических модификаций для одного элемента – скорее правило, чем исключение). А еще существует озон... Не удивительно, что число известных простых веществ во много раз превышает число известных элементов.
В русском языке для обозначения как элементов, так и простых веществ, как правило, используются одни и те же термины. Химиков это не очень затрудняет, так как по контексту почти всегда ясно, о чем идет речь. Так, говоря «медная монета», «выплавка меди из руд», «высокая электропроводность меди», всегда подразумевают металлическую медь – простое вещество. Говоря же о малом распространении меди в природе, имеют в виду вовсе не металл (самородная медь – исключительно редкий минерал), а элемент медь, атомы которого могут входить в различные минералы. Утверждая, что «медь занимает в периодической таблице место между никелем и цинком», химик также имеет в виду не кусочки металла в клетках таблицы, а элемент медь как совокупность ее атомов с зарядом ядра Z = 29.
Разные термины для элемента и образуемых им простых веществ встречаются редко. Кроме дейтерия и трития, следует упомянуть углерод. Углерод – «рождающий уголь», но это не сам уголь, а химический элемент. Углерод содержится в океанской воде и атмосфере, в теле человека и животных, во многих минералах. Стержень же карандаша и украшение на перстне изготовлены из простых веществ – графита и алмаза. Сейчас известны и другие простые вещества, образованные элементом углеродом – лонсдейлит, карбин, различные фуллерены , нанотрубки (фуллерены и нанотрубки часто объединяют под одним названием «фуллерит»).
Понятие простого вещества, как и многие другие основные понятия химии, отчасти условно. Ведь «железный» гвоздь сделан вовсе не из железа, а из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода. Золотая монета содержит не менее 10% меди или серебра (чистое золото очень мягкое). И даже чистейший полупроводниковый кремний содержит ничтожные количества атомов других элементов. Число окружающих нас в быту относительно чистых простых веществ невелико: это алюминий и медь в проводах, вольфрам, молибден, криптон в электрических лампочках, водород и гелий в воздушных шариках, серебро, золото, платина, палладий в высокопробных ювелирных изделиях и монетах, ртуть в термометре, олово на консервной банке, хром и никель на металлических изделиях, сера для борьбы с вредителями растений, цинк в электрических батарейках...
Атомы (вернее ядра) любого химического элемента построены из целого числа простейших «кирпичиков» – ядер атомов водорода (протонов) и незаряженных нейтронов. Число протонов определяет, какому конкретно элементу принадлежит данное ядро. А вот число протонов в ядрах атомов данного элемента может быть разным (сумма протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом). Разновидности атомов данного элемента, различающиеся числом нейтронов в ядре и, следовательно, массой, называются изотопами. Этот термин был предложен в 1910 английским химиком Фредериком Содди, который произвел его от греческих слов isos – равный, одинаковый и topos – место, т.е. занимающие одну и ту же клетку в периодической таблице. Разные изотопы данного элемента называют так же, как и сам элемент с прибавлением массового числа: хлор-35, хлор-37. Обозначают же изотопы символами соответствующего элемента с указанием вверху слева массового числа: 35 Cl, 37 Cl и т.д. Конкретное же ядро (или атом) с определенным значением массового числа называется нуклидом (от латинского nucleus – ядро). Поэтому правильным будет такое утверждение: природный хлор представлен двумя изотопами, кислород – тремя (нуклиды 16 О, 17 О и 18 О), сера – четырьмя, титан – пятью, кальций – шестью, молибден – семью, кадмий – восемью, ксенон – девятью, а рекорд принадлежит олову – оно имеет десять изотопов (нуклиды от 112 Sn до 124 Sn за исключением 113 Sn, 121 Sn и 123 Sn. Некоторые элементы в природе представлены лишь одним нуклидом – это 9 Be, 19 F, 23 Na, 27 Al, 31 P, 45 Sc, 59 Co, 75 As, 89 Y, 93 Nb, 103 Rh, 127 I, 133 Cs, 141 Pr, 159 Tb, 165 Ho, 169 Tm, 197 Au, 209 Bi (приведены лишь стабильные, то есть нерадиоактивные нуклиды). Обращает на себя внимание, что все так называемые «элементы-одиночки» представлены нуклидами с нечетным массовым числом.
Во времена Содди изотопами называли различные радиоактивные разновидности атомов данного элемента. При этом принадлежность конкретного нуклида данному элементу часто была неизвестна, и многие из них имели свои названия, например, RaA (нуклид 218 Po), RaB (214 Pb), RaC (214 Bi), RaC" (214 Po), RaC"" (210 Tl), RaD (210 Pb), RaE (210 Bi), два «мезотория»: MsTh 1 (нуклид 228 Ra) и MsTh 2 (нуклид 228 Ac) «радиоторий» RdTh (нуклид 228 Th), газообразные изотопы радона – «эманации» (от латинского emanatio – истечение): эманация радия RaEm (нуклид 222 Rn), актиния AcEm (нуклид 219 Rn) и тория ThEm (нуклид 220 Rn) и т.д. Некоторые из этих названий до сих пор иногда используются в радиохимии. В настоящее время разные названия общеприняты только для изотопов водорода – протий (1 Н), дейтерий (2 Н или D), тритий (3 Н или Т). Происходит это потому, что водород – один из важнейших элементов, а разные его изотопы очень сильно – в несколько раз – различаются по массе и потому имеют не только разные физические свойства, но и различную реакционную способность. Например, дейтерий и его соединения обычно обладают меньшей реакционной способностью и реагируют медленнее, чем легкий изотоп (кинетический изотопный эффект). В настоящее время известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов химических элементов.
Илья Леенсон
См. также: Список химических элементов по атомным номерам и Алфавитный список химических элементов Содержание 1 Символы, используемые в данный момент … Википедия
См. также: Список химических элементов по символам и Алфавитный список химических элементов Это список химических элементов, упорядоченный в порядке возрастания атомных номеров. В таблице приводятся название элемента, символ, группа и период в… … Википедия
- (ИСО 4217) Коды для представления валют и фондов Codes for the representation of currencies and funds (англ.) Codes pour la représentation des monnaies et types de fonds (фр.) … Википедия
Простейшая форма материи, которая может быть идентифицирована химическими методами. Это составные части простых и сложных веществ, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра атома определяется числом протонов в … Энциклопедия Кольера
Содержание 1 Эпоха палеолита 2 10 е тысячелетие до н. э. 3 9 е тысячелетие до н. э … Википедия
Содержание 1 Эпоха палеолита 2 10 е тысячелетие до н. э. 3 9 е тысячелетие до н. э … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Русские (значения). Русские … Википедия
Терминология 1: : dw Номер дня недели. «1» соответствует понедельнику Определения термина из разных документов: dw DUT Разность между московским и всемирным координированным временем, выраженная целым количеством часов Определения термина из… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
