Химические элементы

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ. Периодическая таблица химических элементов Д.И.Менделеева занимает всего один листок, но в этом листке заключено огромное количество информации. В каждой клетке таблицы расположены международный символ элемента, его название (в наших таблицах – на русском языке), его порядковый номер, относительная атомная масса (для нестабильных элементов – массовое число). Как правило, цветом выделена принадлежность элементов к тому или иному семейству, а также дано строение электронных оболочек атомов. Некоторые фирмы выпускают красочные таблицы, в которых в каждой клетке помещена фотография соответствующего простого вещества, дано строение наиболее устойчивой кристаллической решетки, даны сведения о применении данного элемента. Интересно решается оформление клеточек с радиоактивными элементами. Так, в одной таблице на месте радия помещена фотография рабочего журнала Марии Кюри, открытого на той странице, где впервые появилась запись об открытии нового элемента.

Оригинальную серию из пятнадцати цветных открыток выпустила  ассоциация французских химиков. На ней помещены фотографии почтовых марок, выпущенных во многих странах мира. Каждая марка посвящена очередному химическому элементу. И, конечно, почетное место занимает портрет создателя  периодической системы элементов  – Д.И.Менделеева и фотография первого  рукописного наброска его таблицы. На марках – портреты ученых, открывших  элементы, минералы, из которых эти  элементы добывают, их кристаллические  решетки, структурные формулы соединений... А когда владельцу этой филателистической  коллекции профессору химии из университета Дижона Жану Тируфле не удавалось  найти подходящую марку, он остроумно  выходил из положения, прибегая к  иносказанию. Так, на месте галлия помещена французская марка с поющим петушком. И это неспроста. Элемент галлий был предсказан Менделеевым (как  эка-алюминий) и открыт в 1875 французским  химиком Полем Эмилем Лекок де Буабодраном (P.E. Lecoq de Boisbaudran), который  назвал его в честь своей родины (Gallia – латинское название Франции). Символ Франции – петух (по-французски – le coq), так что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию!

Еще Менделеев говорил, что  таблица элементов – плод не только его собственного труда, но и усилий многих химиков, среди которых он особо отмечал «укрепителей периодического закона», открывших предсказанные  им элементы. Для создания современной  таблицы потребовалась напряженная  многолетняя работа тысяч и тысяч  химиков и физиков. Если бы Менделеев  был сейчас жив, он, глядя на современную  таблицу элементов, вполне мог бы повторить слова английского  химика Дж.У.Меллора, автора классической 16-томной энциклопедии по неорганической и теоретической химии. Закончив в 1937, после 15-летней работы, свой труд, он написал с признательностью на титульном листе: «Посвящается рядовым  огромной армии химиков. Их имена  забыты, их работы остались»...

Сейчас мало кому известны имена тех, кто предложил современную  шкалу атомных масс, впервые разделил мифический элемент «дидим» на празеодим  и неодим, синтезировал технеций и  нашел его следы в земной коре, – словом, всех, кто своим трудом внес хотя бы небольшой вклад в  таблицу элементов. Но таблица –  перед нами, и количество информации, которое она содержит – огромно. Начало же ее простирается вглубь веков, в античные времена, когда греческим  философом Левкиппом и его  знаменитым учеником Демокритом были сформулированы первые идеи об атомах.

Латинское слово элемент (elementum) использовалось еще античными авторами (Цицерон, Овидий, Гораций), причем во многом в том же смысле, что и современное его значение – как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т.п.). Интересно происхождение названия этого слова. 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»).

Близким по смыслу было у  римлян слово principium в значении «составная часть», «начало». Древнеримский философ Тит Лукреций Кар в своей поэме О природе вещей часто употреблял термин principium (в переводе – «первоначало»). В этом смысле он очень близок современному «химическому» понятию элемента:

Что же до первоначал, то они еще больше имеют 
Средств для того, чтоб из них возникали различные вещи, 
Нет ни одной из вещей, доступных для нашего взора, 
Чтоб она из начал состояла вполне однородных... 
Первоначала вещей уносятся собственным весом 
Или толчками других...

(О природе вещей. Тит Лукреций Кар)

Учение о том, что все  вещества состоят из мельчайших частиц, получило название атомистической теории. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, не так уж далеки, в  принципе, от современных представлений: существует ограниченное число различных  типов атомов (т.е. элементов), которые  могут по-разному соединяться  друг с другом, давая огромное разнообразие веществ с разными свойствами. А процесс перестройки взаимного  расположения атомов составляет сущность химической реакции. Понятие об атомах, элементах – величайшее достижение человеческого разума. Очень образно  об этом сказал лауреат Нобелевской  премии по физике Ричард Фейнман: «Если  бы в результате какой-то мировой  катастрофы все накопленные научные  знания оказались бы уничтоженными  и к грядущим поколениям живых  существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можно называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

Атомы одного сорта составляют химический элемент. Еще в 17 в. Роберт Бойль, а в следующем веке –  М.В.Ломоносов и А.Л.Лавуазье ясно сформулировали понятие «элемент»  как простое вещество, которое  невозможно разложить на составные  части химическими методами. Современное  определение химического элемента очень лаконичное: элемент – это  совокупность атомов с определенным зарядом ядра Z. Заряд ядра равен числу протонов в нем; именно оно определяет сущность химического элемента, его индивидуальность и отличие от всех других элементов. Поэтому следует признать, что и бесцветный легкий газ, состоящий из молекул Н₂ и положительно заряженные катионы H⁺ в водных растворах кислот, и анионы H^– в расплавах гидрида лития LiH, и протоны в физических ускорителях или в глубинах Солнца, и «холодные» нейтральные атомы Н в межзвездных пространствах – все это элемент водород (Z = 1). Более того, тяжелые разновидности водорода – дейтерий (D) и тритий (T), содержащие, помимо одного протона один или два нейтрона, а также искусственно полученные сверхтяжелые атомы ⁴H и ⁵H также относятся к элементу водороду.

Всего в природе найдено 90 различных элементов, и еще более 20 получено искусственно. В природе  химические элементы входят в состав простых и сложных веществ. Простые  вещества образованы атомами одного и того же химического элемента, тогда как сложные вещества содержат атомы двух и более элементов.

Очень образно о различии понятий элемента и простого вещества написал американский химик Александр  Смит, автор одного из лучших учебников  неорганический химии начала 20 в.: «Правильно будет, если мы будем говорить об элементе железе и об элементе сере в сернистом  железе; но никогда химик не скажет, что это соединение содержит простые  вещества: железо и серу. Если бы он это сказал, то мы бы поняли его так, что данный материал представляет собой  не соединение, а смесь; мы стали  бы ожидать, что одни части этого  материала магнитны, подобно железу, а другие части имеют желтый цвет и растворяются в сероуглероде –  чего в действительности нет».

Но и простые вещества, оказывается, не так «просты»: большинство  элементов могут образовать несколько  простых тел. По определению, данному  в Химической энциклопедии, простое  вещество – это форма существования  химического элемента, отличающаяся числом атомов в молекулах (например, кислород О₂ и озон О₃), типом кристаллической решетки (например, модификации углерода – графит, алмаз, карбин) или другими свойствами. Так что в газообразном водороде при комнатной температуре содержатся два простых вещества – две разновидности водорода (ортоводород и параводород); они отличаются взаимным расположением спинов ядер (см. МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР) и водород можно разделить на два простых вещества, отличающиеся по своим физическим свойствам (например, теплоемкостями). И даже такие газы, как H₂, D₂, T₂, HD, HT, DT, следует считать разными простыми веществами, поскольку каждый газ содержит атомы только одного элемента – водорода, а свойства их сильно различаются. Несколько простых веществ образуют молекулы О₂: две разновидности газообразного кислорода (их называют синглетным и триплетным, они различаются электронным строением и реакционной способностью), и по меньшей мере четыре (!) разновидности твердого кислорода (вообще, наличие нескольких кристаллических модификаций для одного элемента – скорее правило, чем исключение). А еще существует озон... Не удивительно, что число известных простых веществ во много раз превышает число известных элементов.

В русском языке для  обозначения как элементов, так  и простых веществ, как правило, используются одни и те же термины. Химиков это не очень затрудняет, так как по контексту почти  всегда ясно, о чем идет речь. Так, говоря «медная монета», «выплавка  меди из руд», «высокая электропроводность меди», всегда подразумевают металлическую  медь – простое вещество. Говоря же о малом распространении меди в природе, имеют в виду вовсе  не металл (самородная медь – исключительно  редкий минерал), а элемент медь, атомы которого могут входить  в различные минералы. Утверждая, что «медь занимает в периодической  таблице место между никелем  и цинком», химик также имеет  в виду не кусочки металла в  клетках таблицы, а элемент медь как совокупность ее атомов с зарядом  ядра Z = 29.

Разные термины для  элемента и образуемых им простых  веществ встречаются редко. Кроме  дейтерия и трития, следует упомянуть  углерод. Углерод – «рождающий уголь», но это не сам уголь, а химический элемент. Углерод содержится в океанской  воде и атмосфере, в теле человека и животных, во многих минералах. Стержень же карандаша и украшение на перстне  изготовлены из простых веществ  – графита и алмаза. Сейчас известны и другие простые вещества, образованные элементом углеродом – лонсдейлит, карбин, различные фуллерены, нанотрубки (фуллерены и нанотрубки часто объединяют под одним названием «фуллерит»).

Понятие простого вещества, как и многие другие основные понятия  химии, отчасти условно. Ведь «железный» гвоздь сделан вовсе не из железа, а  из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода. Золотая  монета содержит не менее 10% меди или  серебра (чистое золото очень мягкое). И даже чистейший полупроводниковый  кремний содержит ничтожные количества атомов других элементов. Число окружающих нас в быту относительно чистых простых  веществ невелико: это алюминий и  медь в проводах, вольфрам, молибден, криптон в электрических лампочках, водород и гелий в воздушных  шариках, серебро, золото, платина, палладий в высокопробных ювелирных изделиях и монетах, ртуть в термометре, олово на консервной банке, хром и  никель на металлических изделиях, сера для борьбы с вредителями  растений, цинк в электрических батарейках...

Атомы (вернее ядра) любого химического  элемента построены из целого числа  простейших «кирпичиков» – ядер атомов водорода (протонов) и незаряженных нейтронов. Число протонов определяет, какому конкретно элементу принадлежит  данное ядро. А вот число протонов в ядрах атомов данного элемента может быть разным (сумма протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом). Разновидности атомов данного элемента, различающиеся  числом нейтронов в ядре и, следовательно, массой, называются изотопами. Этот термин был предложен в 1910 английским химиком  Фредериком Содди, который произвел его от греческих слов isos – равный, одинаковый и topos – место, т.е. занимающие одну и ту же клетку в периодической  таблице. Разные изотопы данного  элемента называют так же, как и  сам элемент с прибавлением массового  числа: хлор-35, хлор-37. Обозначают же изотопы  символами соответствующего элемента с указанием вверху слева массового  числа: ³⁵Cl, ³⁷Cl и т.д. Конкретное же ядро (или атом) с определенным значением массового числа называется нуклидом (от латинского nucleus – ядро). Поэтому правильным будет такое утверждение: природный хлор представлен двумя изотопами, кислород – тремя (нуклиды ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О), сера – четырьмя, титан – пятью, кальций – шестью, молибден – семью, кадмий – восемью, ксенон – девятью, а рекорд принадлежит олову – оно имеет десять изотопов (нуклиды от ¹¹²Sn до ¹²⁴Sn за исключением ¹¹³Sn, ¹²¹Sn и ¹²³Sn. Некоторые элементы в природе представлены лишь одним нуклидом – это ⁹Be, ¹⁹F, ²³Na, ²⁷Al, ³¹P, ⁴⁵Sc, ⁵⁹Co, ⁷⁵As, ⁸⁹Y, ⁹³Nb, ¹⁰³Rh, ¹²⁷I, ¹³³Cs, ¹⁴¹Pr, ¹⁵⁹Tb, ¹⁶⁵Ho, ¹⁶⁹Tm, ¹⁹⁷Au, ²⁰⁹Bi (приведены лишь стабильные, то есть нерадиоактивные нуклиды). Обращает на себя внимание, что все так называемые «элементы-одиночки» представлены нуклидами с нечетным массовым числом.

Во времена Содди изотопами  называли различные радиоактивные  разновидности атомов данного элемента. При этом принадлежность конкретного  нуклида данному элементу часто  была неизвестна, и многие из них  имели свои названия, например, RaA (нуклид ²¹⁸Po), RaB (²¹⁴Pb), RaC (²¹⁴Bi), RaC" (²¹⁴Po), RaC"" (²¹⁰Tl), RaD (²¹⁰Pb), RaE (²¹⁰Bi), два «мезотория»: MsTh₁ (нуклид ²²⁸Ra) и MsTh₂ (нуклид ²²⁸Ac) «радиоторий» RdTh (нуклид ²²⁸Th), газообразные изотопы радона – «эманации» (от латинского emanatio – истечение): эманация радия RaEm (нуклид ²²²Rn), актиния AcEm (нуклид ²¹⁹Rn) и тория ThEm (нуклид ²²⁰Rn) и т.д. Некоторые из этих названий до сих пор иногда используются в радиохимии. В настоящее время разные названия общеприняты только для изотопов водорода – протий (¹Н), дейтерий (²Н или D), тритий (³Н или Т). Происходит это потому, что водород – один из важнейших элементов, а разные его изотопы очень сильно – в несколько раз – различаются по массе и потому имеют не только разные физические свойства, но и различную реакционную способность. Например, дейтерий и его соединения обычно обладают меньшей реакционной способностью и реагируют медленнее, чем легкий изотоп (кинетический изотопный эффект). В настоящее время известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов химических элементов.

Илья Леенсон

ЛИТЕРАТУРА

Химия и Жизнь (Солтеровская химия). Ч.1. Понятия химии. М.: изд-во РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1997 
Айзек Азимов. Краткая история химии. СПб, Амфора, 2002