Что представляет собой химический элемент. Химические элементы

Вся материя вокруг нас, которую мы видим, состоит из различных атомов. Атомы отличаются друг от друга строением, размером и массой. Существует более 100 видов различных атомов, более 20 видов атомов были получены человеком и не встречаются в природе, так как неустойчивы и распадаются по более простые атомы.

Однако даже атомы принадлежащие к одному виду немного могут между собой различаться. Поэтому существует такое понятие как химический элемент - это атомы одного вида. У всех у них одинаковый заряд ядра, то есть одинаковое число протонов.

Каждый химический элемент имеет название и обозначение в виде одной или двух букв из латинского названия этого элемента. Например, химический элемент водород обозначается буквой H (от латинского названия Hydrogenium) , хлор - Cl (от Chlorum), углерод - C (от Carboneum), золото - Au (от Aurum), медь - Cu (от Cuprum), кислород - O (от Oxigeium).

Существующие химические элементы перечислены в Периодической таблице Менделеева. Часто о ней говорят как о системе (периодическая система), потому что существуют определенные строгие правила по которым тот или иной элемент помещается в свою ячейку таблицы. В строках и столбцах периодической таблицы наблюдаются закономерные изменения свойств элементов. Таким образом, у каждого элемента в таблице есть свой номер.

Атомы химических элементов не изменяются в результате химических реакций. Изменяется набор веществ, образуемых атомами, но не они сами. Например, если в результате химической реакции угольная кислота (H 2 CO 3) разложилась на воду (H 2 O) и углекислый газ (CO 2), то никаких новых атомов не образовалось. Изменились лишь связи между ними.

Таким образом, атом можно определить как мельчайшую химически неделимую частицу вещества.

Самым распространенным элементом во Вселенной является водород, затем следует гелий. Это самые простые по строению химические элементы. На остальные химические элементы приходится около 0,1% от всех атомов. Однако атомы остальных химических элементов имеют большую массу, чем атомы водорода и гелия. Поэтому если выражать содержание остальных химических элементов во Вселенной в массовых процентах, то на них придется 2% от массы всего вещества Вселенной.

На Земле распространенность химических элементов сильно отличается, если рассматривать всю Вселенную. На Земле преобладают кислород (O) и кремний (Si). На их долю приходится около 75% массы Земли. Далее идут по убыванию алюминий (Al), железо (Fe), кальций (Ca), натрий (Na), калий (K), магний (Mg), водород (H) и многие другие элементы.

Это была сенсация - оказывается, важнейшее вещество на Земле состоит из двух не менее важных химических элементов. «АиФ» решил заглянуть в таблицу Менделеева и вспомнить, благодаря каким же элементам и соединениям существует Вселенная, а также жизнь на Земле и человеческая цивилизация.

ВОДОРОД (H)

Где встречается: самый распространённый элемент во Вселенной, её главный «строительный материал». Из него состоят звёзды, в том числе Солнце. Благодаря термоядерному синтезу с участием водорода Солнце будет греть нашу планету ещё 6,5 млрд. лет.

Чем полезен: в промышленности - при производстве аммиака, мыла и пластмасс. Большие перспективы у водородной энергетики: этот газ не загрязняет окружающую среду, т. к. при сгорании даёт только водяной пар.

УГЛЕРОД (C)

Где встречается: любой организм в значительной степени построен из углерода. В теле человека этот элемент занимает около 21%. Так, наши мышцы состоят из него на 2/3. В свободном состоянии в природе встречается в виде графита и алмаза.

Чем полезен: пища, энергоносители и мн. др. Класс соединений на основе углерода огромен - углеводороды, белки, жиры и т. д. Этот элемент незаменим в нанотехнологиях.

АЗОТ (N)

Где встречается: атмосфера Земли на 75% состоит из азота. Входит в состав белков, аминокислот, гемоглобина и др.

Чем полезен: необходим для существования животных и растений. В промышленности используется как газовая среда для упаковки и хранения, хладагент. С его помощью синтезируют разнообразные соединения - аммиак, удобрения, взрывчатые вещества, красители.

КИСЛОРОД (O)

Где встречается: Самый распространённый на Земле элемент, на его долю приходится около 47% массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды на 89% состоят из кислорода, атмосфера - на 23%.

Чем полезен: Благодаря кислороду живые существа могут дышать, без него не был бы возможен огонь. Этот газ широко используется в медицине, металлургии, пищевой промышленности, энергетике.

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ (CO2)

Где встречается: В атмосфере, в морской воде.

Чем полезен: Благодаря этому соединению растения могут дышать. Процесс поглощения углекислоты из воздуха называется фотосинтезом. Это основной источник биологической энергии. Стоит напомнить, что энергия, которую мы получаем при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти, газа), накоплена в недрах земли на протяжении миллионов лет именно благодаря фотосинтезу.

ЖЕЛЕЗО (Fe)

Где встречается: один из самых распространённых в Солнечной системе элементов. Из него состоят ядра планет земной группы.

Чем полезен: металл, с древних времён применяемый человеком. Целая историческая эпоха получила название Железного века. Сейчас до 95% мирового производства металлов приходится на железо, это основной компонент сталей и чугунов.

СЕРЕБРО (Ag)

Где встречается: Один из дефицитных элементов. Раньше встречался в природе в самородном виде.

Чем полезен: С середины XIII века стал традиционным материалом для изготовления посуды. Обладает уникальными свойствами, поэтому применяется в различных отраслях - в ювелирном деле, в фотографии, электротехнике и электронике. Известны и дезинфицирующие свойства серебра.

ЗОЛОТО (Au)

Где встречается: раньше встречался в природе в самородном виде. Добывается на приисках.

Чем полезен: важнейший элемент мировой финансовой системы, т. к. запасы его невелики. Издавна использовалось в качестве денег. В настоящее время все банковские резервы золота оцениваются

в 32 тыс. тонн - если сплавить их воедино, получится куб со стороной всего лишь 12 м. Используется в медицине, микроэлектронике, при ядерных исследованиях.

КРЕМНИЙ (Si)

Где встречается: По распространённости в земной коре этот элемент занимает второе место (27-30% всей массы).

Чем полезен: Кремний - основной материал для электроники. Также применяется в металлургии и в производстве стекла и цемента.

ВОДА (H2O)

Где встречается: Наша планета на 71% покрыта водой. Тело человека на 65% состоит из этого соединения. Вода есть и в космическом пространстве, в теле комет.

Чем полезна: Имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, потому что благодаря молекулярным свойствам является универсальным растворителем. У воды много уникальных свойств, о которых мы не задумываемся. Так, если бы она при замерзании не увеличивалась в объёме, жизнь просто не зародилась бы: водоёмы каждую зиму промерзали бы до дна. А так, расширяясь, более лёгкий лёд остаётся на поверхности, сохраняя под собой жизнеспособную среду.

Все химические элементы можно охарактеризовать в зависимости от строения их атомов, а также по их положению в Периодической системе Д.И. Менделеева. Обычно характеристику химического элемента дают по следующему плану:

• указывают символ химического элемента, а также его название;
• исходя из положения элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева указывают его порядковый, номер периода и группы (тип подгруппы), в которых находится элемент;
• исходя из строения атома указывают заряд ядра, массовое число, число электронов, протонов и нейтронов в атоме;
• записывают электронную конфигурацию и указывают валентные электроны;
• зарисовывают электронно-графические формулы для валентных электронов в основном и возбужденном (если оно возможно) состояниях;
• указывают семейство элемента, а также его тип (металл или неметалл);
• указывают формулы высших оксидов и гидроксидов с кратким описанием их свойств;
• указывают значения минимальной и максимальной степеней окисления химического элемента.

Характеристика химического элемента на примере ванадия (V)

Рассмотрим характеристику химического элемента на примере ванадия (V) согласно плану, описанному выше:

1. V – ванадий.

2. Порядковый номер – 23. Элемент находится в 4 периоде, в V группе, А (главной) подгруппе.

3. Z=23 (заряд ядра), M=51 (массовое число), e=23 (число электронов), p=23 (число протонов), n=51-23=28 (число нейтронов).

4. 23 V 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3 4s 2 – электронная конфигурация, валентные электроны 3d 3 4s 2 .

5. Основное состояние

Возбужденное состояние

6. d-элемент, металл.

7. Высший оксид – V 2 O 5 — проявляет амфотерные свойства, с преобладанием кислотных:

V 2 O 5 + 2NaOH = 2NaVO 3 + H 2 O

V 2 O 5 + H 2 SO 4 = (VO 2) 2 SO 4 + H 2 O (рН<3)

Ванадий образует гидроксиды следующего состава V(OH) 2 , V(OH) 3 , VO(OH) 2 . Для V(OH) 2 и V(OH) 3 характерны основные свойства (1, 2), а VO(OH) 2 обладает амфотерными свойствами (3, 4):

V(OH) 2 + H 2 SO 4 = VSO 4 + 2H 2 O (1)

2 V(OH) 3 + 3 H 2 SO 4 = V 2 (SO 4) 3 + 6 H 2 O (2)

VO(OH) 2 + H 2 SO 4 = VOSO 4 + 2 H 2 O (3)

4 VO(OH) 2 + 2KOH = K 2 + 5 H 2 O (4)

8. Минимальная степень окисления «+2», максимальная – «+5»

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. Так какова же характеристика химического элемента, и чем он отличается от простого вещества?

Химический элемент: история открытия

В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы в качестве таких «элементов» рассматривали 4 «стихии» – тепло, холод, сухость и влажность. Сочетаясь попарно они образовывали четыре «начала» всего на свете – огонь, воздух, воду и землю.

В XVII веке Р. Бойль указал на то, что все элементы носят материальный характер и их число может быть достаточно велико.

В 1787 году французский химик А. Лавуазье создал «Таблицу простых тел». В нее вошли все известные к тому времени элементы. Под последними понимались простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые. Впоследствии выяснилось, что в таблицу вошли и некоторые сложные вещества.

К моменту, когда Д. И. Менделеев открыл периодический закон, было известно всего 63 химических элементов. Открытие ученого не только привело к упорядоченной классификации химических элементов, а также помогло предсказать существование новых, еще не открытых элементов.

Рис. 1. А. Лавуазье.

Что такое химический элемент?

Химическим элементом называют определенный вид атомов. В настоящее время известно 118 химических элементов. Каждый элемент обозначают символом, который представляет одну или две буквы из его латинского названия. Например, элемент водород обозначают латинской буквой H и формулой H 2 – первой буквой латинского названия элемента Hydrogenium. Все достаточно хорошо изученные элементы имеют символы и названия, которые можно найти в главных и побочных подгруппах Периодической системы, где все они расположены в определенном порядке.

Cуществует много видов систем, но общепринятой является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, которая является графическим выражением Периодического закона Д. И. Менделеева. Обычно используют короткую и длинную формы Периодической системы.

Рис. 2. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.

Что же является главным признаком, по которому атом относят к определенному элементу? Д. И. Менделеев и другие ученые-химики XIX века считали главным признаком атома массу как наиболее стабильную его характеристику, поэтому элементы в Периодической системе расположены в порядке возрастания атомной массы (за немногим исключением).

По современным представлениям, главным свойством атома, относящим его к определенному элементу, является заряд ядра. Таким образом, химический элемент – это вид атомов, характеризующихся определенным значением (величиной) части химического элемента – положительного заряда ядра.

Из всех существующих 118 химических элементов большую часть (около 90) можно обнаружить в природе. Остальные же получены искусственно с помощью ядерных реакций. Элементы 104-107 были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.

Все элементы делятся на металлы и неметаллы. Более 80 элементов относятся к металлам. Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы – металлические свойства.

Содержание различных элементов в природных объектах колеблется в широких пределах. 8 химических элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний) составляют 99% земной коры по массе, все остальные – менее 1%. Большинство химических элементов имеют природное происхождение (95), хотя некоторые из них изначально были выведены искусственно (например, прометий).

Следует различать понятия «простое вещество» и «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенными химическими и физическими свойствами. В процессе химического превращения простое вещество утрачивает часть своих свойств и входит в новое вещество в виде элемента. Например, азот и водород, входящие в состав аммиака, содержатся в нем не в виде простых веществ, а в виде элементов.

Некоторые элементы объединяются в группы, такие как органогены (углерод, кислород, водород, азот), щелочные металлы (литий, натрий, калий и т.д.), лантаноиды (лантан, церий и т.д.), галогены (фтор, хлор, бром и т.д.), инертные элементы (гелий, неон, аргон)

Химических элементов. 94 из них встречаются в природе (некоторые лишь в микроколичествах), а остальные 24 искусственно синтезированы.

История становления понятия

Близкое к современному пониманию понятие химического элемента отражала новая система химической философии, изложенная Робертом Бойлем в книге «Химик-скептик» (1661). Бойль указал, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Элементы, согласно Бойлю - практически неразложимые тела (вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул , из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних .

Однако Менделеев был вынужден сделать несколько перестановок в последовательности элементов, распределённой по возрастающему атомному весу, чтобы соблюсти периодичность химических свойств, а также ввести незаполненные клетки, соответствующие неоткрытым элементам. Позднее (в первые десятилетия XX века) стало ясно, что периодичность химических свойств зависит от атомного номера (заряда атомного ядра), а не от атомной массы элемента. Последняя определяется количеством стабильных изотопов элемента и их природной распространённостью. Тем не менее, устойчивые изотопы элемента имеют атомные массы, группирующиеся около некоторого значения, поскольку изотопы с избытком или недостатком нейтронов в ядре нестабильны, причём с ростом числа протонов (то есть атомного номера) число нейтронов, формирующих в совокупности стабильное ядро, также растёт. Поэтому периодический закон может быть сформулирован и как зависимость химических свойств от атомной массы, хотя эта зависимость нарушается в нескольких случаях.

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов, характеризующихся одинаковым положительным зарядом ядра , равным номеру элемента в Периодической таблице, появилось благодаря фундаментальным работам Генри Мозли (1915) и Джеймса Чедвика (1920) .

Известные химические элементы

Синтез новых (не обнаруженных в природе) элементов, имеющих атомный номер выше, чем у урана (трансурановых элементов), осуществлялся вначале с помощью многократного захвата нейтронов ядрами урана в условиях интенсивного нейтронного потока в ядерных реакторах и ещё более интенсивного - в условиях ядерного (термоядерного) взрыва. Последующая цепочка бета-распадов нейтроноизбыточных ядер приводит к росту атомного номера и появлению дочерних ядер с атомным номером Z > 92 . Таким образом были открыты нептуний (Z = 93 ), плутоний (94), америций (95), берклий (97), эйнштейний (99) и фермий (100). Кюрий (96) и калифорний (98) также могут быть синтезированы (и практически получаются) этим путём, однако открыты они были первоначально с помощью облучения плутония и кюрия альфа-частицами на ускорителе. Более тяжёлые элементы, начиная с менделевия (101), получаются только на ускорителях, при облучении актиноидных мишеней лёгкими ионами.

Право предложить название новому химическому элементу предоставляется первооткрывателям. Однако это название должно удовлетворять определённым правилам. Сообщение о новом открытии проверяется в течение нескольких лет независимыми лабораториями, и, в случае подтверждения, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК; англ. International Union for Pure and Applied Chemistry, IUPAC ) официально утверждает название нового элемента.

Все известные на декабрь 2016 года 118 элементов имеют утверждённые ИЮПАК постоянные названия. От момента заявки на открытие до утверждения названия ИЮПАК элемент фигурирует под временным систематическим названием , производным от латинских числительных, образующих цифры в атомном номере элемента, и обозначается трёхбуквенным временным символом, образованным от первых букв этих числительных. Например, 118-й элемент, оганесон, до официального утверждения постоянного названия носил временное название унуноктий и символ Uuo.

Неоткрытые или неутверждённые элементы часто называются с помощью системы, использованной ещё Менделеевым, - по названию вышестоящего гомолога в периодической таблице, с добавлением префиксов «эка-» или (редко) «дви-», означающих санскритские числительные «один» и «два» (в зависимости от того, на 1 или 2 периода выше находится гомолог). Например, до открытия германий (стоящий в периодической таблице под кремнием и предсказанный Менделеевым) назывался эка-кремнием, оганесон (унуноктий, 118) называется также эка-радоном , а флеровий (унунквадий, 114) - эка-свинцом .

Классификация

Символы химических элементов

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 - (hydrargirum ). Такая система химических символов была предложена в 1814 году шведским химиком Я. Берцелиусом . Временные символы элементов, использующиеся до официального утверждения их постоянных названий и символов, состоят из трёх букв, означающих латинские названия трёх цифр в десятичной записи их атомного номера (например, унуноктий - 118-й элемент - имел временное обозначение Uuo). Используется также система обозначений по вышестоящим гомологам, описанная выше (Eka-Rn, Eka-Pb и т. п.).

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 :

Распространённость химических элементов 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.

Все элементы, следующие после плутония Pu (порядковый номер 94) в периодической системе Д. И. Менделеева , в земной коре полностью отсутствуют , хотя некоторые из них могут образовываться в космосе во время взрывов сверхновых [ ] . Периоды полураспада всех известных изотопов этих элементов малы по сравнению с временем существования Земли . Многолетние поиски гипотетических природных сверхтяжёлых элементов пока не дали результатов.

Большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе звёздного нуклеосинтеза (элементы до железа - в результате термоядерного синтеза, более тяжёлые элементы - при последовательном захвате нейтронов ядрами атомов и последующем бета-распаде , а также в ряде других ядерных реакций). Легчайшие элементы (водород и гелий - почти полностью, литий , бериллий и бор - частично) образовались в первые три минуты после Большого взрыва (первичный нуклеосинтез).

Одним из главных источников особо тяжёлых элементов во Вселенной должны быть, согласно расчётам, слияния нейтронных звёзд , с выбросом значительных количеств этих элементов, которые впоследствии участвуют в образовании новых звёзд и их планет.

Химические элементы как составная часть химических веществ

Химические элементы образуют около 500 простых веществ . Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией . В большинстве случаев названия простых веществ совпадают с названием соответствующих элементов (например, цинк, алюминий, хлор), однако в случае существования нескольких аллотропных модификаций названия простого вещества и элемента могут отличаться, например кислород (дикислород, O 2) и