Химический элемент - это... Периодическая система химических элементов

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

Название	Символ	Процент всех атомов *				Свойства химических элементов (при обычных комнатных условиях)
		Во вселенной	В земной коре	В морской воде	В человеческом организме
Алюминий	Al	-	6,3	-	-	Легкий, серебристый металл
Кальций	Ca	-	2,1	-	0,02	Входит в состав природных минералов, ракушек, костей
Углерод	С	-	-	-	10,7	Базис всех живых организмов
Хлор	Cl	-	-	0,3	-	Ядовитый газ
Медь	Cu	-	-	-	-	Только красный металл
Золото	Au	-	-	-	-	Только желтый металл
Гелий	He	7,1	-	-	-	Очень легкий газ
Водород	Н	92,8	2,9	66,2	60,6	Самый легкий из всех элементов; газ
Йод	I	-	-	-	-	Неметалл; используется в качестве антисептического средства
Железо	Fe	-	2,1	-	-	Магнитный металл; используется для производства чугуна и стали
Свинец	Pb	-	-	-	-	Мягкий, тяжелый металл
Магний	Mg	-	2,0	-	-	Очень легкий металл
Ртуть	Hg	-	-	-	-	Жидкий металл; один из двух жидких элементов
Никель	Ni	-	-	-	-	Устойчивый против коррозии металл; используют в монетах
Азот	N	-	-	-	2,4	Газ, основной компонент воздуха
Кислород	О	-	60,1	33,1	25,7	Газ, второй важный компонент воздуха
Фосфор	Р	-	-	-	0,1	Неметалл; важен для растений
Калий	К	-	1.1	-	-	Металл; важен для растений; обычно называют "поташ"

* 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.