ХИМИЯ. ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ

Элементы. Исследование сложного вещества начинается с попыток разложить его на более простые. Простейшая форма материи, в которой сохраняется определенная совокупность физических и химических свойств, называется химическим элементом. Химические элементы - это частицы вещества, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Водород, кислород, хлор, натрий, железо - все это элементы. Элемент нельзя разложить на более простые составляющие обычными методами: с помощью тепла, света, электричества или под действием другого вещества. Для этого нужны колоссальное количество энергии, специальное оборудование (например, ускоритель частиц) или высокие температуры, сравнимые с температурами в недрах Солнца. Из 109 известных элементов в природе существует девяносто два элемента, остальные получены искусственно. Все они систематизированы в периодической таблице элементов, где каждому элементу соответствует свой порядковый номер, называемый атомным номером
(см. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ;
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ).
В табл. 1 перечислены первые 103 элемента в алфавитном порядке. Из этого ограниченного набора элементов и состоят миллионы химических веществ.
Таблица 1. АТОМНЫЕ МАССЫ ЭЛЕМЕНТОВ 1)
Элемент/Символ/Атомный номер/Атомная масса
Азот N 7 14,0067 Актиний Ac 89 (227) Алюминий Al 13 26,98154 Америций Am 95 (243) Аргон Ar 18 39,948 Астат At 85 (210) Барий Ba 56 137,33 Бериллий Be 4 9,01218 Берклий Bk 97 (247) Бор B 5 10,811 Бром Br 35 79,904 Ванадий V 23 50,9415 Висмут Bi 83 208,9804 Водород H 1 1,0079 Вольфрам W 74 183,85 Гадолиний Gd 64 157,25 Галлий Ga 31 69,723 Гафний Hf 72 178,49 Гелий He 2 4,0026 Германий Ge 32 72,59 Гольмий Ho 67 164,9304 Диспрозий Dy 66 162,50 Европий Eu 63 151,96 Железо Fe 26 55,847 Золото Au 79 196,9665 Индий In 49 114,82 Иод I 53 126,9045 Иридий Ir 77 192,22 Иттербий Yb 70 173,04 Иттрий Y 39 88,9059 Кадмий Cd 48 112,41 Калий K 19 39,0983 Калифорний Сf 98 (251) Кальций Ca 20 40,078 Кислород O 8 15,9994 Кобальт Co 27 58,9332 Кремний Si 14 28,0855 Криптон Kr 36 83,80 Ксенон Xe 54 131,29 Кюрий Cm 96 (247) Лантан La 57 138,9055 Лоуренсий Lr 103 (260) Литий Li 3 6,941 Лютеций Lu 71 174,967 Магний Mg 12 24,305 Марганец Mn 25 54,9380 Медь Cu 29 63,546 Менделевий Md 101 (258) Молибден Mo 42 95,94 Мышьяк As 33 74,9216 Натрий Na 11 22,98977 Неодим Nd 60 144,24 Неон Ne 10 20,179 Нептуний Np 93 237,0482 Никель Ni 28 58,69 Ниобий Nb 41 92,9064 Нобелий No 102 (259) Олово Sn 50 118,710 Осмий Os 76 190,2 Палладий Pd 46 106,42 Платина Pt 78 195,08 Плутоний Pu 94 (244) Полоний Po 84 (209) Празеодим Pr 59 140,9077 Прометий Pm 61 (145) Протактиний Pa 91 231,0359 Радий Ra 88 226,0254 Радон Rn 86 (222) Рений Re 75 186,207 Родий Rh 45 102,9055 Ртуть Hg 80 200,59 Рубидий Rb 37 85,4678 Рутений Ru 44 101,07 Самарий Sm 62 150,36 Свинец Pb 82 207,2 Селен Se 34 78,96 Сера S 16 32,066 Серебро2) Ag 47 107,8682 Скандий Sc 21 44,9559 Стронций Sr 38 87,62 Сурьма Sb 51 121,75 Таллий Tl 81 204,383 Тантал Ta 73 180,9479 Теллур Te 52 127,60 Тербий Tb 65 158,9254 Технеций Tc 43 [[97]]
Титан Ti 22 47,88 Торий Th 90 232,0381 Тулий Tm 69 168,9342 Углерод C 6 12,011 Уран U 92 238,0289 Фермий Fm 100 (257) Фосфор P 15 30,97376 Франций Fr 87 (223) Фтор F 9 18,998403 Хлор Cl 17 35,453 Хром Cr 24 51,9961
Цезий Cs 55 132,9054
Церий Ce 58 140,12
Цинк Zn 30 65,39
Цирконий Zr 40 91,224
Эйнштейний Es 99 (252)
Эрбий Er 68 167,26 1) В расчете на атомную массу изотопа углерода 12С, равную 12,0000. В круглых скобках указано массовое число наиболее долгоживущего нуклида.
2) См. также АТОМНАЯ МАССА.
Соединения. Элементы, соединяясь друг с другом, образуют сложные вещества - химические соединения. Соль, вода, ржавчина, каучук - это примеры соединений. Соединение состоит из элементов, но обычно по своим свойствам и внешнему виду не напоминает ни один из них. Так, ржавчина образуется при взаимодействии газа - кислорода с металлом - железом, а сырьем для получения многих волокон служат уголь, вода и воздух. Именно индивидуальность свойств - одна из черт, отличающих соединение от простой смеси. Другая, и наиболее важная, характеристика соединения заключается в том, что элементы всегда соединяются между собой в определенных массовых соотношениях. Например, вода состоит из 2,016 массовых частей водорода и 16,000 массовых частей кислорода. Массовое соотношение между водородом и кислородом в водах Волги и льдах Антарктики одинаково и равно 1:8. Иными словами, каждое химическое соединение имеет вполне определенный состав, т.е. всегда содержит одни и те же элементы в одних и тех же массовых соотношениях. Это один из основных химических законов - закон постоянства состава. Многие элементы образуют несколько соединений. Так, помимо воды известно еще одно соединение водорода и кислорода - пероксид водорода, который состоит из 2,016 частей водорода и 32 частей кислорода. Здесь водород и кислород находятся в массовом соотношении 1:16, что ровно вдвое отличается от их соотношения в воде. Этот пример иллюстрирует закон кратных соотношений: если два элемента образуют между собой несколько соединений, то массовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же массовым количеством другого, относятся между собой как небольшие целые числа.
Атомы и молекулы. Понятия атомов и молекул - основные в химии. Атом - это мельчайшая частица элемента, обладающая всеми его свойствами, а молекула - мельчайшая частица соединения, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Атомистическая идея восходит к 6-5 вв. до н.э. и принадлежит древнегреческим философам Левкиппу и его ученику Демокриту. По их представлениям, вещество состоит из мельчайших неделимых частиц - атомов, созданных из одного и того же первичного материала. Правда, ни один из этих философов не определил, что это за материал. Впоследствии атомную теорию развил другой греческий философ, Эпикур (4-3 вв. до н.э.). Он утверждал, что атомы обладают весом и перемещаются в горизонтальном и вертикальном направлениях, взаимодействуя друг с другом. Аналогичные идеи высказывал римский поэт Лукреций в 1 в. до н.э., наблюдавший за пылинками, которые танцуют в солнечном луче. Наконец, в 1804-1810 английский химик и физик Дж.Дальтон разработал атомную теорию, которая включала законы кратных соотношений и постоянства состава. Однако убедительные доказательства существования атомов были получены только в 20 в. Когда Лукреций утверждал, что пылинки подталкиваются невидимыми потоками движущихся атомов, он был не так уж далек от истины: их танец действительно могут вызывать воздушные течения, но даже в неподвижном воздухе частички пыли или дыма находятся в постоянном движении. Этот эффект называют броуновским движением
(см. также БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ).
Спустя два тысячелетия после Лукреция французский ученый Ж. Перрен, вооруженный микроскопом и математической теорией, изучил случайные блуждания суспендированных частичек краски и рассчитал число невидимых молекул, чьи удары заставляли их двигаться. После того, как атомы и молекулы удалось сосчитать, само их существование стало гораздо более убедительным.
Строение атома. Согласно современным представлениям, атом содержит центральное ядро, размеры которого очень малы по сравнению с атомом в целом. Ядро несет положительный электрический заряд и окружено диффузной оболочкой (облаком) из отрицательно заряженных электронов, которая и определяет размер атома. Диаметр атома - ок. 10-8 см, диаметр ядра в 10 000 раз меньше и равен примерно 10-12 см. У простейшего из атомов - атома водорода - в ядре всего одна частица - протон. Ядро атомов других элементов содержит более одного протона, а также нейтроны - частицы, близкие к протонам по массе, но не имеющие электрического заряда. Заряд ядра называют его атомным (или порядковым) номером. Атомный номер равен числу протонов в ядре и определяет химическую природу элемента. Так, атом с зарядом ядра +26 содержит 26 протонов в ядре и представляет собой элемент железо. Ядро атома железа окружают 26 электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.
Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом, поскольку в этих частицах сосредоточена практически вся масса атома. Число нейтронов, содержащихся в ядрах атомов данного элемента, в отличие от числа протонов, может варьировать. Атомы одного элемента, ядра которых содержат разное число нейтронов, называют изотопами. Слово "изотоп" греческого происхождения; оно означает "одно и то же место" - разные изотопы элемента занимают одну и ту же позицию в периодической таблице Менделеева
(см. также
ИЗОТОПЫ;
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ)
и обладают очень близкими химическими свойствами. Так, у водорода (массовое число 1) есть изотоп дейтерий, в ядре которого один протон и один нейтрон (массовое число соответственно равно 2). Оба изотопа вступают в одни и те же химические реакции, но не всегда одинаково легко. Термин "атомная масса" означает массу атома элемента, выраженную в единицах массы атома изотопа углерода 12С, которую принято считать равной его массовому числу - 12,0000 (атомная масса изотопа близка к его массовому числу, но не равна ему, поскольку при образовании атомного ядра часть массы теряется в виде энергии). До 1961 атомные массы элементов определяли относительно среднего массового числа для смеси изотопов кислорода, равного 16,0000. Атомная масса элемента, существующего в природе в виде смеси изотопов, - это средняя величина атомных масс всех изотопов с учетом их распространенности в природе
(см. также АТОМНАЯ МАССА).
Молекулярная масса равна сумме масс атомов элементов, составляющих молекулу. Например, мол. масса воды равна сумме 2Ч1,008 (два атома водорода) + 16,0000 (один атом кислорода), т.е. 18,016.
Электронное облако. Физические и химические свойства атомов, а следовательно, и вещества в целом во многом определяются особенностями электронного облака вокруг атомного ядра. Положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра так быстро, что точно определить их местонахождение не представляется возможным. Движущиеся вокруг ядра электроны можно сравнить с облаком или туманом, в одних местах более или менее плотным, в других - совсем разреженным. Форму электронного облака, а также вероятность нахождения электрона в любой его точке можно определить, решив соответствующие уравнения квантовой механики
(см. также КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА).
Области наиболее вероятного нахождения электронов называют орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется определенной энергией, и на ней может находиться не более двух электронов. Обычно вначале заполняются ближайшие к ядру самые низкоэнергетические орбитали, затем орбитали с более высокой энергией и т.д. Совокупность электронных орбиталей с близкой энергией образует слой (т.е. оболочку, или энергетический уровень). Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра атома: 1, 2, 3, ... . Чем дальше от ядра, тем просторнее слои и тем больше орбиталей и электронов они могут вместить. Так, на n-м уровне n2 орбиталей, и на них могут располагаться до 2n2 электронов. У известных элементов электроны находятся только на первых семи уровнях, и лишь первые четыре из них бывают заполненными. Существует четыре типа орбиталей, их обозначают s, p, d и f. На каждом уровне (слое) имеется одна s-орбиталь, которая содержит наиболее прочно связанные с ядром электроны. За ней следуют три p-орбитали, пять d-орбиталей и, наконец, семь f-орбиталей.

Три р-орбитали ориентированы в пространстве вдоль осей прямоугольной системы координат и обозначаются соответственно px, py и pz; d- и f-орбитали тоже располагаются под определенными углами друг к другу; сферические s-орбитали пространственной ориентации не имеют. Каждый следующий элемент в периоде имеет атомный номер, на единицу превышающий номер предыдущего элемента, и содержит на один электрон больше. Этот дополнительный электрон занимает следующую орбиталь в порядке возрастания. Нужно иметь в виду, что электронные слои диффузны и энергия у некоторых орбиталей наружных слоев ниже, чем у внутренних. Поэтому, например, сначала заполняется s-орбиталь четвертого уровня (4s-орбиталь), и только после нее завершается заполнение 3d-орбитали. Порядок заполнения орбиталей, как правило, следующий: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s. В записи, которую используют для представления электронной конфигурации элемента, верхний индекс при букве, обозначающей орбиталь, указывает число электронов на этой орбитали. Например, запись 1s22s22p5 означает, что на 1s-орбитали атома находится два электрона, на 2s-орбиталях - два, на 2р - пять электронов. Нейтральные атомы, имеющие на внешней электронной оболочке 8 электронов (т.е. заполнены s- и р-орбитали), настолько стабильны, что практически не вступают ни в какие химические реакции. Таковы атомы инертных газов. Электронная конфигурация гелия 1s2, неона - [[1s2]]2s22p6, аргона - [[1s22s22p6]]3s23p6, криптона - [[1s22s22p63s23p6]]4s23d 104p6, ксенона - [[1s22s22p63s23p64s23d104p6]]5s24d 105p6 и, наконец, радона - [[1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6]]6s24f145d 106p6.
Металлы и неметаллы. Почти все металлы - твердые блестящие вещества, они хорошо проводят электрический ток, ковкие и пластичные, с помощью литья из них можно получать изделия практически любой формы. Многие неметаллы - газы; твердые же неметаллы, как правило, хрупкие, иногда прозрачные и не проводят электричества. Различия в свойствах металлов и неметаллов становятся понятными, если знать строение их атомов, их электронную конфигурацию. Внешняя электронная оболочка атомов металлов заполнена меньше чем наполовину, поэтому, вступая в химические реакции, все металлы стремятся избавиться от внешних электронов, приобретая стабильную электронную конфигурацию. Таким образом, они склонны образовывать положительные ионы. Именно эти внешние (подвижные) электроны отвечают за электропроводность металлов, а также за их механические свойства. Напротив, внешняя электронная оболочка атомов неметаллов практически заполнена. К неметаллам, в частности, относятся инертные газы, у которых на внешней электронной оболочке максимальное число электронов: у гелия два, у остальных восемь. В химических реакциях неметаллы либо присоединяют электроны, превращаясь в отрицательные ионы, либо образуют ковалентную связь.