Какие бывают химические элементы. Химические элементы в природе. Галлий: как наука помогает шутникам

Химические элементы - см. Элементы, Вес атомов, Периодическая законность, Химия и Лавуазье … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Синтезированные химические элементы - Синтезированные (искусственные) химические элементы элементы, впервые идентифицированные как продукт искусственного синтеза. Часть из них (тяжёлые трансурановые элементы, все трансактиноиды), по видимому, отсутствует в природе; другие… … Википедия

ЭЛЕМЕНТЫ-ПРИМЕСИ - химические элементы, присутствующие в минералах других элементов в виде изоморфных примесей или тонких механических включений; иногда извлекаются в качестве попутных или даже основных (напр., золото из пирита) компонентов. В число элементов… … Большой Энциклопедический словарь

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА - химические элементы и соединения, их смеси, как натуральные, так и искусственные, а также готовые изделия, содержащие в своем составе Х. в., способные оказать вредное воздействие на человека при нормальных или непредсказуемых условиях их… … Российская энциклопедия по охране труда

элементы петрогенные - Главнейшие химические элементы, образующие горные породы; к ним относятся наиболее распространенные элементы земной коры (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, К и др). [Словарь геологических терминов и понятий. Томский Государственный Университет] Тематики… … Справочник технического переводчика

ЭЛЕМЕНТЫ БИОФИЛЬНЫЕ - поглощаемые из геохим. среды (почвы, воды) организмами и используемые в процессах жизнедеятельности. К ним относятся: макроэлементы N, С, О, Н, Са, Mg, Na, К, Р, S, Cl, Si, Fe и микроэлементы Сu, Со, Mn, Zn, V, Ni, Mo, Sr, В, Se, F, Br, I. Кроме… … Геологическая энциклопедия

Элементы зольные - химические элементы, входящие в состав золы растений и животных. Обычно это все элементы, которые могут находиться в растениях и животных, кроме углерода, водорода, кислорода и азота; последние не входят в состав золы, так как улетучиваются при… … Толковый словарь по почвоведению

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ - простейшая форма материи, которая может быть идентифицирована химическими методами. Это составные части простых и сложных веществ, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра атома определяется числом протонов в … Энциклопедия Кольера

Элементы химические - Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева H … Википедия

элементы-примеси - химические элементы, присутствующие в минералах других элементов в виде изоморфных примесей или тонких механических включений; иногда извлекаются в качестве попутных или даже основных (например, золото из пирита) компонентов. В число элементов… … Энциклопедический словарь

Книги

• Химические элементы , Вайткене Любовь Дмитриевна , Fe, Au, Cu Феррум, аурум, купрум Ты еще не знаешь, что означают эти слова, но очень хотел бы узнать? Тогда эта книга твой верный помощник в освоении такой непростой науки, как химия. Прочитав… Категория: Для детей Серия: Для самых любознательных Издатель: АСТ , Производитель: АСТ , Купить за 987 грн (только Украина)
• Химические элементы , Вайткене Л. , Fe, Au, Cu... Феррум, аурум, купрум... Ты еще не знаешь, что означают эти слова, но очень хотел бы узнать? Тогда эта книга - твой верный помощник в освоении такой непростой науки, как химия.… Категория:

Символы химических элементов, используемые в настоящее время, были введены в науку в 1813 г. Й. Берцелиусом. Элементы обозначаются начальными буквами их латинских названий. Химических элементов больше, чем букв алфавита, и поэтому большинство элементов обозначаются символом из двух букв. При чтении химических формул символы водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы произносятся как название буквы (вода 11 2 0 - «аш два о»), а остальные - как полное латинское название элемента (Si0 2 - «силициум о два»).

Уточним понятия атома и химического элемента, предполагая, что некоторые сведения о структуре атома уже известны из курса химии средней школы. Атом имеет устойчивое положительно заряженное ядро и электронные оболочки. За счет изменения энергии электронов на внешних оболочках образуются химические связи между атомами. При этом ядро никак не изменяется. Данный атом может входить в состав молекул, переноситься при реакциях из одних молекул в другие, терять и принимать электроны, переходить в газообразное состояние с разрывом всех химических связей, но ядро атома при всех этих превращениях полностью сохраняется - как но массе, так и по заряду. Любые цепочки химических превращений вещества не приводят к превращению самих атомов. С учетом этого специфического поведения атомов можно дать следующее определение.

Атом - это микрочастица вещества, сохраняющаяся при химических превращениях.

В природе существует 90 видов атомов, различающихся по заряду ядра. Еще около 30 видов получено с применением физических методов превращения ядер. Химическое поведение атомов в конечном счете полностью определяется зарядами ядер. Отсюда следует научное определение химического элемента.

Вид атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом.

Атомы данного химического элемента, собранные отдельно от других атомов, образуют простое вещество. Вообще же понятием химического элемента не определено, где именно находятся его атомы, входят ли в состав сложных веществ и смесей. Все атомы данного вида, где бы они ни находились, мыслятся как химический элемент.

Атомы с одинаковым зарядом могут различаться между собой по массе, так как в их ядрах находятся не только заряженные частицы протоны , но и незаряженные частицы с почти такой же массой нейтроны. При изменении числа нейтронов изменяется масса атома при одном и том же заряде. Таким образом, химический элемент может охватывать две или несколько разновидностей атомов с разными массами.

Вид одинаковых атомов, как по заряду ядра, так и по массе, называется нуклидом.

Нуклиды с одинаковым зарядом ядра, но разной массой называются изотопами.

Нуклиды обозначаются символом элемента с двумя индексами слева: нижний индекс - атомный номер (заряд ядра) и верхний индекс - массовое число (суммарное число протонов и нейтронов). Например, имеющиеся в природе изотопы кремния обозначаются так: ?JSi, JjSi и?JSi.

Большинство элементов представляют собой смесь изотопов, меньшее число их (20) - мононуклидные.

Широко известно, что существует так называемая тяжелая вода. Подразумевается, что в ее составе находится редкий изотоп водорода с массовым числом не один, а два. В природе изотопы всегда присутствуют совместно.

Поэтому в составе вещества одновременно присутствуют все природные изотопы элемента. Выделяя какой-либо элемент в виде простого вещества, мы получаем сразу все его изотопы. Обычными химическими методами изотопы не разделяются.

В табл. 2.2 даны сведения о наиболее известных химических элементах. Остальные химические элементы можно найти в периодической системе элементов (таблице Менделеева). Одна из наиболее легко определяемых характеристик атома и химического элемента - масса. В настоящее время за атомную единицу массы - сокращенно а.е.м. (или дальтон, Да) - принята 1/12 часть массы наиболее распространенного изотопа углерода ^С. В природном углероде есть примесь более тяжелых изотопов, поэтому атомная масса самого углерода выражается не точно числом 12, а немного превышает его - 12,011.

Атомная масса А - это масса атома и соответственно химического элемента, выраженная в а.е.м.

Наиболее известные химические элементы

Таблица 22

Окончание табл. 2.2

Чаще используют относительную атомную массу А,., которая отличается только тем, что не имеет единицы измерения, т.е. получается делением атомной массы на 1 а.е.м. Для краткости А г тоже можно называть атомной массой. Сама по себе атомная масса не дает представления о величине атома. Для этого надо знать соотношение между а.е.м. и граммом. Это соотношение таково:

• 6,02 10 23 а.е.м. = 1 г, или 6,02 10 23 а.е.м./г = 1;
• 1,66 10~ 24 г = 1 а.е.м., или 1,66 10 -24 г/а.е.м. = 1.

Из этих соотношений можно составить представление о реальных размерах атомов, а также о числе атомов в конкретных образцах вещества. Выражения, содержащие отношение единиц измерения а.е.м./г и г/а.е.м., удобны для подстановки в уравнения при необходимости перехода от одной единицы измерения к другой.

Пример 2.2. То, насколько мала частица, называемая атомом, можно яснее осмыслить на следующем примере. Всем понятно, сколь далеки от нас даже ближайшие звезды. Так вот, если бы молекулы, составляющие 32 мг кислорода (приблизительно 22,5 см 3 газа, что равно небольшому мыльному пузырю диаметром 3,5 см), равномерно разместить на прямой линии между Солнцем и ближайшей к нам яркой звездой а Центавра, до которой 4,125-10 13 км, то расстояния между молекулами составили бы лишь 0,07 долей миллиметра. Значит, в этой небольшой массе находится колоссальное число молекул, которое можно вычислить, деля массу данной порции кислорода на массу одной молекулы:

Все мы знаем, что водород наполняет нашу Вселенную на 75%. Но знаете ли вы, какие еще есть химические элементы, не менее важные для нашего существования и играющие значительную роль для жизни людей, животных, растений и всей нашей Земли? Элементы из этого рейтинга формируют всю нашу Вселенную!

10. Сера (распространенность относительно кремния – 0.38)

Этот химический элемент в таблице Менделеева значится под символом S и характеризуется атомным номером 16. Сера очень в природе.

9. Железо (распространенность относительно кремния – 0.6)

Обозначается символом Fe, атомный номер – 26. Железо очень часто встречается в природе, особенно важную роль оно играет в формировании внутренней и внешней оболочки ядра Земли.

8. Магний (распространенность относительно кремния – 0.91)

В таблице Менделеева магний можно найти под символом Mg, и его атомный номер – 12. Что самое удивительное в этом химическом элементе, так это то, что он чаще всего выделяется при взрыве звезд в процессе их преобразования в сверхновые тела.

7. Кремний (распространенность относительно кремния – 1)

Обозначается как Si. Атомный номер кремния – 14. Этот серо-голубой металлоид очень редко встречается в земной коре в чистом виде, но довольно распространен в составе других веществ. Например, его можно обнаружить даже в растениях.

6. Углерод (распространенность относительно кремния – 3.5)

Углерод в таблице химических элементов Менделеева значится под символом С, его атомный номер – 6. Самой знаменитой аллотропной модификацией углерода являются одни из самых желанных драгоценных камней в мире – алмазы. Углерод активно применяют и в других в промышленных целях более будничного назначения.

5. Азот (распространенность относительно кремния – 6.6)

Символ N, атомный номер 7. Впервые открытый шотландским врачом Дэниелом Рутерфордом (Daniel Rutherford), азот чаще всего встречается в форме азотной кислоты и нитратов.

4. Неон (распространенность относительно кремния – 8.6)

Обозначается символом Ne, атомный номер - 10. Не секрет, что именно этот химический элемент ассоциируется с красивым свечением.

3. Кислород (распространенность относительно кремния – 22)

Химический элемент под символом О и с атомным номером 8, кислород незаменим для нашего существования! Но это не значит, что он присутствует только на Земле и служит только для человеческих легких. Вселенная полна сюрпризов.

2. Гелий (распространенность относительно кремния – 3.100)

Символ гелия – He, атомный номер – 2. Он бесцветен, не имеет запаха и вкуса, не ядовит, и его точка кипения – самая низкая среди всех химических элементов. А еще благодаря ему шарики взмывают ввысь!

1. Водород (распространенность относительно кремния – 40.000)

Истинный номер один в нашем списке, водород находится в таблице Менделеева под символом Н и обладает атомным номером 1. Это самый легкий химический элемент периодической таблицы и самый распространенный элемент во всей изученной человеком Вселенной.

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 .

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.