Химический элемент и его химические свойства. Химические элементы

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 .

Зная формулировка периодического закона и используя периодическую систему элементов Д. И. Менделеева, можно дать характеристику любому химическому элементу и его соединениям. Такую характеристику химического элемента удобно складывать по плану.

I. Символ химического элемента и его название.

II. Положение химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева:

1. порядковый номер;
2. номер периода;
3. номер группы;
4. подгруппа (главная или побочная).

III. Строение атома химического элемента:

1. заряд ядра атома;
2. относительная атомная масса химического элемента;
3. число протонов;
4. число электронов;
5. число нейтронов;
6. число электронных уровней в атоме.

IV. Электронная и электронно-графическая формулы атома, его валентные электроны.

V. Тип химического элемента (металл или неметалл, s-, p-, d-или f-элемент).

VI. Формулы высшего оксида и гидроксида химического элемента, характеристика их свойств (основные, кислотные или амфотерные).

VII. Сравнение металлических или неметаллических свойств химического элемента со свойствами элементов-соседей по периоду и подгруппой.

VIII. Максимальная и минимальная степень окисления атома.

Например, предоставим характеристику химического элемента с порядковым номером 15 и его соединениям по положению в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и строению атома.

I. Находим в таблице Д. И. Менделеева клетку с номером химического элемента, записываем его символ и название.

Химический элемент номер 15 — Фосфор. Его символ Р.

II. Охарактеризуем положение элемента в таблице Д. И. Менделеева (номер периода, группы, тип подгруппы).

Фосфор находится в главной подгруппе V группы, в 3-м периоде.

III. Предоставим общую характеристику состава атома химического элемента (заряд ядра, атомная масса, число протонов, нейтронов, электронов и электронных уровней).

Заряд ядра атома фосфора равен +15. Относительная атомная масса фосфора равна 31. Ядро атома содержит 15 протонов и 16 нейтронов (31 — 15 = 16). Атом фосфора имеет три энергетических уровня, на которых находятся 15 электронов.

IV. Составляем электронной и электронно-графическую формулы атома, отмечаем его валентные электроны.

Электронная формула атома фосфора: 15 P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 .

Электронно-графическая формула внешнего уровня атома фосфора: на третьем энергетическом уровне на 3s-подуровня находятся два электрона (в одной клетке записываются две стрелки, имеющие противоположное направление), на три р-подуровне находятся три электрона (в каждой из трех клеток записываются по одной стрелке, имеющие одинаковое направление).

Валентными электронами являются электроны внешнего уровня, т.е. 3s2 3p3 электроны.

V. Определяем тип химического элемента (металл или неметалл, s-, p-, d-или f-элемент).

Фосфор — неметалл. Поскольку в последнее подуровнем в атоме фосфора, который заполняется электронами, является p-подуровень, Фосфор относится к семейству p-элементов.

VI. Составляем формулы высшего оксида и гидроксида фосфора и характеризуем их свойства (основные, кислотные или амфотерные).

Высший оксид фосфора P 2 O 5 , проявляет свойства кислотного оксида. Гидроксид, соответствующий высшему оксиду, H 3 PO 4 , проявляет свойства кислоты. Подтвердим указанные свойства уравнениями видповиних химических реакций:

P 2 O 5 + 3 Na 2 O = 2Na 3 PO 4

H 3 PO 4 + 3NaOH = Na 3 PO 4 + 3H 2 O

VII. Сравним неметаллические свойства фосфора со свойствами элементов-соседей по периоду и подгруппой.

Соседом фосфора по подгруппе являются азот. Соседями фосфора за периодом является кремний и Сера. Неметаллические свойства атомов химических элементов главных подгрупп с ростом порядкового номера растут в периодах и снижаются в группах. Поэтому неметаллические свойства фосфора более выражены, чем у кремния и менее выражены, чем у азота и серы.

VIII. Определяем максимальную и минимальную степень окисления атома фосфора.

Максимальный положительный степень окисления для химических элементов главных подгрупп равен номеру группы. Фосфор находится в главной подгруппе пятой группы, поэтому максимальная степень окисления фосфора +5.

Минимальная степень окисления для неметаллов в большинстве случаев равен разнице между номером группы и числом восемь. Так, минимальная степень окисления фосфора -3.

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

Залесов Александр Кириллович

Химический элемент - элемент elementum - стихия, самостоятельная часть, являющаяся основой чего-либо, например системы или множества.

Химический элемент -этимология

Латинское слово elementum использовали ещё античные авторы (Цицерон, Овидий, Гораций), причём почти в том же смысле, что и сейчас - как часть чего-то (речи, образования и т. п.).

Древнее изречение гласило: «Cлова состоят из букв, тела из элементов». Отсюда - одно из возможных происхождений этого слова - по названию ряда согласных латинских букв L, M, N (el-em-en).

Михаил Васильевич Ломоносов элементами называл атомы.

Химический элемент - множество атомов с одинаковым зарядом ядра, числом протонов, совпадающим с порядковым или атомным номером в таблице Менделеева. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные)

История становления понятия
Слово элемент (лат. elementum) использовалось еще в античности (Цицероном, Овидием, Горацием) как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т. п.). 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»).

На международном съезде химиков в г. Карлсруе (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Химический элемент (с точки зрения атомно-молекулярного учения) представляет собой каждый отдельный вид атомов. Современное определение химического элемента: Химический элемент - каждый отдельный вид атомов, характеризующийся определенным положительным зарядом ядра кикос

Известные химические элементы
На ноябрь 2009 года известно 117 химических элементов,

(с порядковыми номерами с 1 по 116 и 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые - лишь в следовых количествах), остальные 23 получены искусственно в результате ядерных реакций.

Первые 112 элементов имеют постоянные названия, остальные - временные.
Открытие 112-го элемента (самый тяжелый из официальных) признано Международным союзом теоретической и прикладной химии (en:International Union for Pure and Applied Chemistry). Самый стабильный из известных изотопов данного элемента имеет период полураспада 34 секунды. На начало июня 2009 года носит неофициальное имя унунбий, был впервые синтезирован в феврале 1996 года на ускорителе тяжелых ионов в Институте тяжелых ионов (Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI) в Дармштадте, Германия (в результате бомбардировки свинцовой мишени ядрами цинка). Первооткрыватели имеют полгода, чтобы предложить новое официальное название для добавления в таблицу (ими уже предлагались Виксхаузий, Гельмгольций, Венусий, Фриший, Штрассманий и Гейзенбергий). В настоящее время известны трансурановые элементы с номерами 113-116 и 118, полученные в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, однако они официально пока не признаны.

Символы химических элементов

Символ элемента обозначает
- Название элемента
- Один атом элемента
- Один моль атомов этого элемента

Символы химических элементов используются как сокращения для названия элементов. В качестве символа обычно берут начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют следующую или одну из следующих. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Cu - медь (cuprum), Ag - серебро (argentum), Fe - железо (ferrum), Au - золото (aurum), Hg - ртуть (hydrargirum).

С помощью цифры, стоящей впереди символа элемента, можно обозначить число атомов или молей атомов данного элемента. Примеры:

- 5H - пять атомов элемента водорода, пять моль атомов элемента водорода
- 3S - три атома элемента серы, три моль атомов серы

Цифрами меньшего размера возле символа элемента обозначаются: слева вверху - атомная масса, слева внизу - порядковый номер, справа вверху - заряд иона, справа внизу - число атомов в молекуле

Примеры:
- H2 - молекула водорода, состоящая из двух атомов водорода
- Cu2 + - ион меди с зарядом 2+
- {}^{12}_6C - атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и атомной массой, равной 12.

История
Система химических символов была предложена в 1811г. шведским химиком Я. Берцелиусом. Временные символы элементов состоят из трёх букв, представляющих аббревиатуру их атомного номера на латыни. Символика химических элементов выявляет не только качественный состав химических соединений, но и количественный, так как за символом каждого элемента скрывается присущий только ему заряд атомного ядра, определяющий количество электронов в атомной оболочке нейтрального атома и, таким образом, его химические свойства. Атомная масса также считалась ранее (в 19-м - начале 20-го века) характерным свойством, количественно определяющим химический элемент, однако с открытием изотопов стало ясно, что различные совокупности атомов одного и того же элемента могут иметь различающиеся атомные массы; так, радиогенный гелий, выделенный из урановых минералов, в связи с преобладанием изотопа 4He имеет атомную массу больше, чем гелий космических лучей.

Химический элемент:

1 - обозначение химического элемента.
2 - русское название.
3 - порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атоме.
4 - атомная масса.
5 - распределение электронов по энергетическим уровням.
6 - электронная конфигурация.

Распространённость химических элементов в природе:
Из всех химических элементов в природе найдено 88; такие элементы, как технеций Tc (порядковый номер 43), прометий Pm (61), астат At (85) и франций Fr (87), а также все элементы, следующие за ураном U(порядковый номер 92), впервые получены искусственно. Некоторые из них в исчезающе малых количествах обнаружены в природе.

Из химических элементов наиболее распространены в земной коре кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99% массы земной оболочки, так что на остальные элементы приходится менее 1%. В морской воде, помимо кислорода и водорода - составных частей самой воды, высокое содержание имеют такие элементы, как хлор, натрий, магний, сера, калий, бром и углерод. Массовое содержание элемента в земной коре называется кларковым числом или кларком элемента.

Содержание элементов в коре Земли отличается от содержания элементов в Земле, взятой как целое, поскольку химсоставы коры, мантии и ядра Земли различны. Так, ядро состоит в основном из железа и никеля. В свою очередь, содержания элементов в Солнечной системе и в целом во Вселенной также отличаются от земных. Наиболее распространённым элементом во Вселенной является водород, за ним идёт гелий. Исследование относительных распространённостей химических элементов и их изотопов в космосе является важным источником информации о процессах нуклеосинтеза и об эволюции Солнечной системы и небесных тел.

Химические вещества
Химическое вещество может состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение). Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией.

Агрегатное состояние
В обычных условиях соответствующие простые вещества для 11 элементов являются газами (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), для 2 - жидкостями (Br, Hg), для остальных элементов - твёрдыми телами. Химические элементы образуют около 500 простых веществ.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Химические элементы в живых организмах

Все живые существа состоят из химических элементов. Необходимо знать, какие элементы важны для здоровья растений, животных и человека, а какие вредны и в каком количестве. Введение

Начнём с тех химических элементов, без которых жизнь на Земле была бы невозможна. Водород, кислород, и их соединение - вода. Основы

Является структурной единицей органических соединений, участвующий в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Водород (Hydrogenium)

Водород был открыт англичанином Х. Кавендишем в 1766 году. Своё название он получил от греч. Слов хидор – вода и генес – род. Водород (Hydrogenium) Х. Кавендиш

Кислород – биоэлемент. В атмосфере его всего 21%. В живых организмах кислорода около 70%. Кислород (Oxygenium)

Кислород необходим для дыхания всех живых организмов, он главный участник окислительно-восстановительных реакций. Также участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Кислород (Oxygenium)

Участвует в процессах фотосинтеза и дыхания. Весь кислород возник благодаря деятельности зелёных растений, которые выделяют кислород в процессе фотосинтеза на свету. Кислород в жизни растений Фотосинтез

Большинство живых организмов используют кислород для дыхания и поэтому являются аэробными организмами. Но каждому нужно разное количество кислорода. К примеру, для разных пород рыб нужно разное количества кислорода в воде. Кому-то 4мг/мл, а кому-то намного больше. Кислород в жизни животных

На долю кислорода приходится 62% от массы тела человека. Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и др. Окисление пищи – источник энергии. Кислород доставляется гемоглобином, который образует соединение – оксигемоглобин. Оно окисляет белки, жиры и углеводы, образуя углекислый газ и воду, и выделяя энергию, необходимую для жизнедеятельности. Кислород в жизни человека Гемоглобин

Аллотропное видоизменение кислорода – озон. Это газ, образующийся во время грозы из молекул кислорода. На высоте 15-20 км. над Землёй, озон образует слой, защищающий от ультрафиолетовых лучей. Использую озон для обеззараживания и дезинфекции. Озон Земля и озоновый слой

Основным соединением водорода и кислорода является вода. Растения на 70-80% состоят из воды. Совокупность процессов поглощения, усвоения и выделения воды, называется водным режимом. Вода (Aqua) Молекула воды

Вода выполняет множество функций: является средой для биохимических реакций, участвует в фотосинтезе, определяет функциональную активность ферментов и структурных белков клеточных мембран и органоидов. Вода (Aqua) в жизни растений

В процессе эволюции растения приобрели различные адаптации, связанные с регуляцией водного режима в конкретных условиях обитания. По этим признакам их относят к разным экологическим группам. Вода (Aqua) в жизни растений

Жизнедеятельность многих бактерий проходит во влажной среде. В почве широко распространены водородные бактерии, которые в процессе хемосинтеза окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы. Вода (Aqua) в жизни бактерий 2 H 2 +O 2 =2H 2 O+ энергия

Вода с растворёнными в ней минеральными веществами включается в водно-солевой обмен – совокупность процессов потребления, всасывания и выделения воды и солей. Вода (Aqua) в жизни животных и человека Водно-солевой обмен обеспечивает постоянство ионного состава, кислотно-щелочного равновесия и объёма жидкостей внутренней среды организма

Кроме обычной воды, существует метаболическая вода, которая образуется в процессе обмена веществ. Она необходима для нормального развития зародыша. У верблюдов вода образуется в процессе окисления жиров. Из 100 грамм – 107 мл. воды. Вода (Aqua) в жизни животных и человека Верблюды в пустыне. В горбах – метаболическая вода.

Роль воды в жизни живых организмов огромна. Если человек потеряет 50% массы в результате голодания, он может остаться в живых, но если потеряет 15-20% массы в результате обезвоживания – он умрёт. Вода (Aqua) в жизни животных и человека

Следующая группа химических элементов также очень важна для жизни. Человек должен употреблять их не менее 400 мг в день. А такие вещества как Na и K – 3000 мг день. Ca, P, Na, K, Mg

Кальций был открыт Х. Дэви в 1808 году. Название происходит от лат. калцис (камень, известняк). Суточное поступления кальция в организм составляет 800-1500 мг. Кальций (Calcium) Х. Дэви

В организме животного, кальция – 1,9-2,5%. Кальций – материал для постройки костных скелетов. Карбонат кальция CaCO 3 входит в состав кораллов, раковин, панцирей и скелетов микроорганизмов. Роль кальция в жизни животных Раковина

В организме человека 98-99% кальция содержится в костях. Кальций необходим для процессов кроветворения и свёртывания крови, для регуляции работы сердца, обмена веществ, для нормального роста костей (скелет, зубы). Роль кальция в жизни человека

Кальций находится в кисломолочных продуктах, в овощах, фруктах, миндале, злаках… Но больше всего кальция содержится в сырах. Где находится кальций?

CaCo 3 – кальцит, мел и др. Ca 3 (PO 4) 2 – костная мука Ca(NO 3) 2 – кальц. селитра CaO – негашеная известь Ca(OH) 2 -известковая вода CaOCl 2 – хлорка Соединения кальция Кальцит

Фосфор входит в состав важнейших веществ клеток: ДНК, РНК, фосфолипидов, глицерина и АТФ. Открыт фосфор Х. Брандом в 1669 г. Фосфор (Р) Бранд открывает фосфор. Картина Дж. Райта

Фосфор составляет 0,1-0,7% от массы растения. Фосфор ускоряет созревание плодов, поэтому удобрения из фосфора активно применяют в сельском хозяйстве. Фосфор в жизни растений

При недостатке фосфора замедляется обмен веществ, корни слабеют, листья принимают пурпурный цвет… Фосфор в жизни растений

В организме человека содержится 4,5 кг фосфора. Фосфор входит в состав липидов, ДНК, РНК, АТФ. Почти все важнейшие процессы человека связаны с превращением фосфорсодержащих веществ. Фосфор в жизни человека Молекула ДНК

Для организма, фосфора необходимо в двое больше, чем кальция. Но кальций и фосфор не могут друг без друга. Фосфор, также как и кальций, является составной частью костной ткани. Если баланс фосфора и кальция нарушается, то организм для выживания должен будет брать запасы из костей и зубов. Фосфор в жизни человека Суточная норма потребления фосфора 1000-1300 мг.

В активно работающих органах – печени, мышцах, мозге – наиболее интенсивно расходуется АТФ. АТФ – это энергия, и одну из главных ролей в этом нуклеотиде играет фосфор. Поэтому А.Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли». Фосфор в жизни человека Молекула АТФ

Белый фосфор окисляется на воздухе, давая зелёное свечение. Очень ядовит. Используется в производстве серной кислоты и красного фосфора. Белый фосфор

Порошок, не ядовит, не горюч. Используется в качестве наполнителя в лампах накаливания и при производстве спичек. Красный фосфор

Натрий важен для транспорта веществ через клеточные мембраны. Также натрий регулирует транспорт углерода в растении. При его недостатке происходит торможение в образовании хлорофилла. Натрий в жизни растений

Натрий распределён по всему организму. 40% натрия находится в костной ткани, часть в эритроцитах, мышцах и др. Натрий в жизни человека Суточная норма потребления натрия – - 4000-6000 мг.

Натрий входит в состав натрий-калиевого насоса, особого белка, выкачивающего из клетки ионы натрия и накачивающий ионы калия, тем самым обеспечивая активный транспорт вещей в клетку. Натрий в жизни человека

Натрий поддерживает кислотно-щелочной баланс в организме, регулирует кровяное давление, синтез белков и многое другое. Недостаток натрия приводит к головным болям, слабости, потере аппетита. Натрий в жизни человека Поваренная соль – один из главных источников натрия.

Роль калия в жизни растений велика. Калий содержится в плодах, стеблях, корнях, листьях. Он активирует синтез органических веществ, регулирует транспорт углерода, влияет на азотный обмен и водный баланс. Калий в жизни растений

При недостатке калия в клетках накапливается избыток аммиака, что может привести к гибели растения. Признак нехватки элемента – жёлтые листья. Калий в жизни растений

Калий входит в состав натрий-калиевого насоса. В организме человека, массой 70 кг, содержится 140 грамм калия. Взрослый человек должен потреблять в сутки 2-3 мг на 1 кг веса, а ребёнок – 12-13 мг на 1 кг веса. Недостаток калия ведёт заболеванию глаз, плохой памяти, пародонтозу. Калий в жизни человека

KOH – едкий калий KCl - сильвин K2SO4 - арканит KAL(SO4)2*12H2O – - алюмокалиевые квасцы Основные соединения калия

Магний участвует в аккумуляции солнечной энергии, он входит в состав молекулы хлорофилла, являясь центральным атомом в молекуле. Магний в жизни растений

При дефиците магния снижается урожайность, нарушается образование хлоропластов. Листья становятся «мраморными»: бледнеют между жилками, а вдоль жилок остаются зелёными. Магний в жизни растений

При весе человека 70 кг, магния в нём содержится 20 грамм. Он оказывает антисептическое действие, снижает артериальное давление и содержание холестерина, укрепляет иммунную систему. При недостатке магния повышается предрасположенность к инфарктам. Магний в жизни человека

Мы рассмотрели несколько химических элементов и увидели, что все они важны для жизни растений, животных и человека. Многие важные элементы не были освещены в этой презентации, т.к. брались только те вещества, которые нужно употреблять человеку в достаточно большом количестве каждый день (минимум – 300мг). Итог

Над презентацией работал ученик 9 «А» класса, ГОУ СОШ №425 Залесов А.К. Используемые ресурсы: а) И.А. Шапошникова, И.В. Болгова. «Таблица Менделеева в живых организмах» б) www.wikipedia.org в) www.xumuk.ru

Химический элемент - это собирательный термин, описывающий совокупность атомов простого вещества, т. е. такого, которое не может быть разделено на какие-либо более простые (по структуре их молекул) составляющие. Представьте себе, что вы получаете кусок чистого железа с просьбой разделить его на гипотетические составляющие с помощью любого устройства или метода, когда-либо изобретенного химиками. Однако вы ничего не сможете сделать, никогда железо не разделится на что-нибудь попроще. Простому веществу - железу - соответствует химический элемент Fe.

Теоретическое определение

Отмеченный выше экспериментальный факт может быть объяснен с помощью такого определения: химический элемент - это абстрактная совокупность атомов (не молекул!) соответствующего простого вещества, т. е. атомов одного и того же вида. Если бы существовал способ смотреть на каждый из отдельных атомов в куске чистого железа, упомянутого выше, то все они были бы однаковыми - атомами железа. В противоположность этому, химическое соединение, например, оксид железа, всегда содержит по меньшей мере два различных вида атомов: атомы железа и атомы кислорода.

Термины, которые следует знать

Атомная масса : масса протонов, нейтронов и электронов, которые составляют атом химического элемента.

Атомный номер : число протонов в ядре атома элемента.

Химический символ : буква или пара латинских букв, представляющих обозначение данного элемента.

Соединение химическое : вещество, которое состоит из двух или более химических элементов, соединенных друг с другом в определенной пропорции.

Металл : элемент, который теряет электроны в химических реакциях с другими элементами.

Металлоид : элемент, который реагирует иногда как металл, а иногда и как неметалл.

Неметалл : элемент, который стремится получить электроны в химических реакциях с другими элементами.

Периодическая система химических элементов : система классификации химических элементов в соответствии с их атомными номерами.

Синтетический элемент : тот, который получен искусственно в лаборатории, и, как правило, не встречается в природе.

Природные и синтетические элементы

Девяносто два химических элемента встречаются в природе на Земле. Остальные были получены искусственно в лабораториях. Синтетический химический элемент - это, как правило, продукт ядерных реакций в ускорителях частиц (устройствах, используемых для увеличения скорости субатомных частиц, таких как электроны и протоны) или ядерных реакторах (устройствах, используемых для управления энергией, выделяющейся при ядерных реакциях). Первым полученным синтетическим элементом с атомным номером 43 стал технеций, обнаруженный в 1937 году итальянскими физиками К. Перрье и Э. Сегре. Кроме технеция и прометия, все синтетические элементы имеют ядра большие, чем у урана. Последний получивший свое название синтетический химический элемент - это ливерморий (116), а перед ним был флеровий (114).

Два десятка распространенных и важных элементов

* Если величина не указана, то элемент составляет менее 0,1 процента.

Большой взрыв как первопричина образования материи

Какой химический элемент был самым первым во Вселенной? Ученые считают, что ответ на этот вопрос лежит в звездах и в процессах, с помощью которых формируются звезды. Вселенная, как полагают, возникла в какой-то момент времени от 12 до 15 миллиардов лет назад. До этого момента ничего сущего, кроме энергии, не мыслится. Но что-то произошло, что превратило эту энергию в огромный взрыв (так называемый Большой взрыв). В следующие секунды после Большого взрыва начала формироваться материя.

Первыми появившимися простейшими формами материи были протоны и электроны. Некоторые из них объединяются в атомы водорода. Последний состоит из одного протона и одного электрона; это самый простой атом, который может существовать.

Медленно, в течение длительных периодов времени атомы водорода стали собираться вместе в определенных областях пространства, образуя плотные облака. Водород в этих облаках стягивался в компактные образования гравитационными силами. В конце концов эти облака водорода стали достаточно плотными, чтобы сформировать звезды..

Звезды как химические реакторы новых элементов

Звезда - просто масса вещества, которая генерирует энергию ядерных реакций. Наиболее распространенная из этих реакций представляет комбинацию четырех атомов водорода, образующих один атом гелия. Как только звезды начали формироваться, то гелий стал вторым элементом, появившимся во Вселенной.

Когда звезды становятся старше, они переходят от водородно-гелиевых ядерных реакций на другие их типы. В них атомы гелия образуют атомы углерода. Позже атомы углерода образуют кислород, неон, натрий и магний. Еще позже неон и кислород соединяются друг с другом с образованием магния. Поскольку эти реакции продолжаются, то все более и более химических элементов образуются.

Первые системы химических элементов

Более 200 лет назад химики начали искать способы их классификации. В середине девятнадцатого века были известны около 50 химических элементов. Один из вопросов, который стремились разрешить химики. сводился к следующему: химический элемент - это полностью отличное от любого другого элемента вещество? Или некоторые элементы, связанные с другими в некотором роде? Есть ли общий закон, их объединяющий?

Химики предлагали различные системы химических элементов. Так, например, английский химик Уильям Праут в 1815 г. предположил, что атомные массы всех элементов кратны массе атома водорода, если принять ее равной единице, т. е. они должны быть целыми числами. В то время атомные массы многих элементов уже были вычислены Дж. Дальтоном по отношению к массе водорода. Однако если для углерода, азота, кислорода это примерно так, то хлор с массой 35,5 в эту схему никак не вписывался.

Немецкий химик Иоганн Вольфганг Доберайнер (1780 — 1849) показал в 1829 году, что три элемента из так называемой группы галогенов (хлор, бром и йод) могут классифицироваться по их относительным атомным массам. Атомный вес брома (79,9) оказался почти точно средним из атомных весов хлора (35,5) и йода (127), а именно 35,5 + 127 ÷ 2 = 81,25 (близко к 79,9). Это был первый подход к построению одной из групп химических элементов. Доберайнер обнаружил еще две таких триады элементов, но сформулировать общий периодический закон ему не удалось.

Как появилась периодическая система химических элементов

Большинство ранних классификационных схем было не очень успешными. Затем, около 1869 года, двумя химиками было сделано почти одно открытие и почти в одно время. Русский химик Дмитрий Менделеев (1834-1907) и немецкий химик Юлиус Лотар Мейер (1830-1895) предложили организовать элементы, которые имеют аналогичные физические и химические свойства, в упорядоченную систему групп, рядов и периодов. При этом Менделеев и Мейер указывали, что свойства химических элементов периодически повторяются в зависимости от их атомных весов.

Сегодня Менделеев, как правило, считается первооткрывателем периодического закона, потому что он сделал один шаг, который Мейер не сделал. Когда все элементы были расположены в периодической таблице, в ней появились некоторые пробелы. Менделеев предсказал, что это места для элементов, которые еще не были обнаружены.

Однако он пошел еще дальше. Менделеев предсказал свойства этих еще не открытых элементов. Он знал, где они расположены в периодической таблице, так что мог прогнозировать их свойства. Примечательно, что каждый предсказанный химический элемент Менделеева,будущие галлий, скандий и германий, были обнаружены менее чем через десять лет после опубликования им периодического закона.

Короткая форма периодической таблицы

Были попытки подсчитать, сколько вариантов графического изображения периодической системы предлагалось разными учеными. Оказалось, больше 500. Причем 80% общего числа вариантов - это таблицы, а остальное - геометрические фигуры, математические кривые и т. д. В итоге практическое применение нашли четыре вида таблиц: короткая, полудлинная, длинная и лестничная (пирамидальная). Последняя была предложена великим физиком Н. Бором.

На рисунке ниже показана короткая форма.

В ней химические элементы расположены по возрастанию их атомных номеров слева направо и сверху вниз. Так, первый химический элемент периодической таблицы водород имеет атомный номер 1 потому, что ядра атомов водорода содержит один и только один протон. Аналогично и кислород имеет атомный номер 8, так как ядра всех атомов кислорода содержат 8 протонов (см. рисунок ниже).

Главные структурные фрагменты периодической системы - периоды и группы элементов. В шести периодах все клетки заполнены, седьмой еще не завершен (элементы 113, 115, 117 и 118 хотя и синтезированы в лабораториях, однако еще официально не зарегистрированы и не имеют названий).

Группы подразделяются на главные (A) и побочные (B) подгруппы. Элементы первых трех периодов, содержащих по одному ряду-строке, входят исключительно в A-подгруппы. Остальные четыре периода включают по два ряда-строки.

Химические элементы в одной группе, как правило, имеют схожие химические свойства. Так, первую группу составляют щелочные металлы, вторую - щелочноземельные. Находящиеся в одном периоде элементы имеют свойства, медленно изменяющиеся от щелочного металла до благородного газа. Рисунок ниже показывает, как одно из свойств - атомный радиус - изменяется для отдельных элементов в таблице.

Длиннопериодная форма периодической таблицы

Она показана на рисунке ниже и делится в двух направлениях, по строкам и по столбцам. Есть семь строк-периодов, как и в короткой форме, и 18 столбцов, называемых группами или семьями. По сути, увеличение числа групп с 8 в короткой форме до 18 в длинной получено путем размещения всех элементов в периодах, начиная с 4-го, не в две, а в одну строку.

Две разных системы нумерации используются для групп, как показано в верхней части таблицы. Система на основе римских цифр (IA, IIA, IIB, IVB и т. д.) традиционно была популярна в США. Другая система (1, 2, 3, 4 и т. д.) традиционно используется в Европе, а несколько лет назад была рекомендована для использования в США.

Вид периодических таблиц на рисунках выше немного вводит в заблуждение, как и в любой такой опубликованной таблице. Причиной этого является то, что две группы элементов, показанных в нижней части таблиц, на самом деле должны быть расположены внутри них. Лантаноиды, например, принадлежат к периоду 6 между барием (56) и гафнием (72). Кроме того, актиноиды принадлежат периоду 7 между радием (88) и резерфордием (104). Если бы они были вставлены в таблицу, то она стала бы слишком широкой, чтобы поместиться на листе бумаги или настенной диаграмме. Поэтому принято эти элементы размещать в нижней части таблицы.