Химический элемент

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева^[1]. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся в Периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.^[2]

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества (одноэлементные)^[3]

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»).^[4]

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^[5].

Символы химических элементов по Дж. Дальтону: 1 — водород; 2 — магний; 3 — кислород; 4 — сера; 5 — аммиак; 6 — диоксид углерода

В 1789 г. Антуан Лоран Лавуазье в «Элементарном курсе химии», приводит первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел), разделённых на несколько типов. Он впервые отождествляет с химическими элементами ряд простых веществ (в их числе, кислород, азот, водород, сера, фосфор, уголь и все известые к тому времени металлы). В число элементов были включены свет, теплород и «солеобразующие землистые вещества» (трудноразлагаемые оксиды кальция, магния и др.). Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить экспериментально^[6].

Благодаря Джону Дальтону в начале XIX в. в химии возобладала атомно-молекулярная гипотеза, рассматривающая химический элемент как отдельный вид атомов и указывающая на природу простых и сложных веществ, как состоящих, соответственно, из атомов одного или различного видов. Дальтон же впервые указывает на атомный вес как важнейшее свойство элементов, определяющее его химическую природу. Благодаря усилиям Йенса Берцелиуса и его последователей были весьма точно определены атомные веса (атомные массы) известных элементов. Середина XIX в. ознаменовалась целым рядом открытий новых элементов. На международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Ko времени открытия Периодического закона Д. И. Менделеевым (1869) было известно 63 элемента. Именно атомный вес был выделен им как свойство атомов, определяющее периодический характер изменения свойств химических элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ. Менделеев определял химические элементы как «материальные части простых или сложных тел, к-рые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Oткрытие Mенделеева позволило предвидеть существование, a также свойства ряда неизвестных в то время элементов и послужило научной основой для их классификации.

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.

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)^[7].

Известные химические элементы

Основная статья: Периодическая система элементов

На середину 2012 года известно 118 химических элементов (с порядковыми номерами с 1 по 118), из них 94 обнаружены в природе (некоторые — лишь в следовых количествах), остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Предпринимались попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов, в т.ч. были заявления о синтезе элемента унбиквадий (124) и косвенных свидетельствах о элементах унбинилий (120) и унбигексий (126), которые пока не подтверждены. Также было объявлено об обнаружении элемента экатория-унбибия (122) в образцах природного тория^[8], однако это заявление в настоящее время оспаривается на основании последних попыток воспроизведения данных с использованием более точных методов. Кроме того, есть сообщения об открытии в метеоритном веществе следов столкновений с частицами с атомными числами от 105 до 130, что может являться косвенным доказательством существования стабильных сверхтяжёлых ядер^[9]. Поиски сверхтяжёлых трансурановых элементов в природе, возможных согласно теории острова стабильности, пока не увенчались достоверным успехом, а синтезирование новых трансурановых элементов продолжается в российском, американских, немецком и японском центрах ядерных исследований силами международных коллективов учёных. Информация об ещё не открытых химических элементах доступна в статье Расширенная периодическая таблица элементов.

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

Не все из известных на сегодня 118 элементов имеют утвержденные ИЮПАК постоянные названия. Самым тяжёлым из официально признанных элементов, имеющих официальные постоянные названия, является 116-й, получивший в мае 2012 года имя ливерморий вместе со 114-м элементом флеровием.

Названия сверхтяжёлых элементов с номерами 113, 115, 117, 118, полученные в 2002—2010 годах в России и США, официально пока не утверждены. Они имеют временные систематические названия.

Символы химических элементов

Основная статья: 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 — ртуть (hydrargirum). Такая система химических символов была предложена в 1811 г. шведским химиком Я. Берцелиусом.

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^[7]:

атомная масса		заряд иона
	Символ элемента
порядковый номер		число атомов в молекуле

Примеры:

• $~\mathsf{H_2}$ — молекула водорода, состоящая из двух атомов водорода
• $~\mathsf{Cu^{2+}}$ — ион меди с зарядом 2+
• $~\mathsf{^{12}_{ 6}C}$ — атом углерода с зарядом ядра, равным 6 и атомной массой, равной 12.

Временные символы элементов состоят из трёх букв, представляющих аббревиатуру их атомного номера на латыни.

В Периодической таблице карточка химического элемента обычно включает следующие характеристики:

• 1 — обозначение химического элемента.
• 2 — русское название.
• 3 — порядковый номер химического элемента, равный количеству протонов в атомном ядре.
• 4 — атомная масса: среднее значение атомной массы устойчивых изотопов в земной коре или атомная масса наиболее долгоживущего изотопа (для радиоактивных элементов).
• 5 — распределение электронов по энергетическим уровням.
• 6 — электронная конфигурация.

Распространённость химических элементов в природе

Распространённость химических элементов в земной коре (% масс.) – кларковые числа

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.

Классификация химических элементов

Этот раздел статьи ещё не написан. Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел. Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

Химические элементы как составная часть химических веществ

Основные статьи: Простые вещества, Химическое соединение

Химические вещества могут состоять как из одного химического элемента (простое вещество), так и из разных (сложное вещество или химическое соединение).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ^[10]. Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией.^[10]

В обычных условиях 11 элементов существуют в виде газообразных простых веществ (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 — жидкости (Br и Hg), остальные элементы образуют твёрдые тела.

См. также

• Список химических элементов
• Хронология открытия химических элементов
• Периодическая система химических элементов
• Нуклид
• Изотоп

Ссылки

• Kедров Б. M. Эволюция понятия элемента в химии. M., 1956
• Химия и Жизнь (Солтеровская химия). Ч.1. Понятия химии. М.: изд-во РХТУ им. Д. И. Менделеева, 1997
• Азимов А. Краткая история химии. СПб, Амфора, 2002
• Бедняков В. А. «О происхождении химических элементов» Э. Ч. А. Я., Том 33 (2002), Часть 4 стр.914-963.

Примечания

1. ↑ БСЭ
2. ↑ Атомы и химические элементы
3. ↑ Классы неорганических веществ
4. ↑ Кругосвет — ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ
5. ↑ Роберт Бойль и возникновение научной химии / Левченков С. И. Краткий очерк истории химии
6. ↑ Химическая революция / Левченков С. И. Краткий очерк истории химии
7. ↑ ^{1 2} Основные понятия химии
8. ↑ Marinov, A.; Rodushkin, I.; Kolb, D.; Pape, A.; Kashiv, Y.; Brandt, R.; Gentry, R. V.; Miller, H. W. (2008). «Evidence for a long-lived superheavy nucleus with atomic mass number A=292 and atomic number Z=~122 in natural Th». ArXiv.org. Проверено 2008-04-28.
9. ↑ В космических лучах нашли сверхтяжелые элементы // Lenta.ru. — 2011.
10. ↑ ^{1 2} Простые и сложные вещества. Аллотропия. Названия сложных веществ

Химический портал — мир химии, веществ и превращений на страницах Википедии.