ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ
Это понятие, пожалуй, одно из самых важных в естествознании. Ведь все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. В организме человека содержится около 70 элементов.
Нет точных сведений, откуда произошло слово «элемент». Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита l, m, n, t. Прочтя их, вы получите «эль», «эм», «эн», «тэ». Этим подчеркивалось, что как слова состоят из букв, так и все тела сложены из элементов.
В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался разный смысл. Древнегреческие философы в качестве «элементов» рассматривали четыре «стихии» — тепло, холод, сухость и влажность. Сочетаясь попарно, они образовывали четыре «начала» всех вещей — огонь, воздух, воду и землю. В средние века к этим «началам» добавились соль, сера и ртуть. Долгое время парила неопределенность, пока в XVII в. Р. Бойль не высказал мысль, что все элементы носят материальный характер, а их число может быть достаточно велико и многие элементы еще предстоит открыть.
Элементами стали называть простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые. В 1789 г. французский химик А. Лавуазье составил «Таблицу простых тел», в которую включил все известные к тому времени элементы, а также, как оказалось впоследствии, и некоторые сложные вещества.
В начале XIX в. английский ученый Д. Дальтон приписал каждому элементу количественную характеристику— атомный вес (атомная масса). Элемент стали рассматривать как химическую индивидуальность. В 1871 г Д. И. Менделеев четко разграничил понятия «простое тело» и «элемент». Он писал: «Простое тело есть вещество, металл или металлоид, с рядом физических признаков и химических реакций. Под именем элементов должно подразумевать те материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Менделеев считал: углерод — элемент, а уголь, графит, алмаз — простые вещества. Для Д. И. Менделеева понятие «элемент» было отвлеченным. Оно получило конкретное определение с разработкой модели атома.
Теперь понятие «химический элемент» определено точно. Это совокупность атомов с одинаковыми зарядами ядер (Z). Для каждого элемента известны разновидности атомов, отличающихся по массе (или, точнее, по числу нейтронов в ядрах). Эти разновидности называются изотопами.
В периодической системе ныне размещено 110 элементов. Некоторые (с Z = 106—110) еще не имеют названий и символов (см. Трансурановые элементы) Из-за малых периодов полураспада их изотопов элементы с Z—103—110 могут изучаться лишь в количествах буквально единичных атомов. Около 90 элементов существуют в природе; остальные получены искусственно, с помощью ядерных реакций. Самый тяжелый элемент, обнаруженный (хотя и в ничтожных количествах) в природе,— плутоний (Z = 94). Он является, таким образом, естественной верхней границей периодической системы химических элементов.
Содержание различных элементов в природных объектах колеблется в широких пределах. На Земле и в космосе элементы распространены по-разному. Сравните кривые распространенности элементов. Видно, что преобладающие элементы на нашей планете — кислород и кремний, тогда как в космосе господствуют водород и гелий. С чем связано такое резкое различие? На протяжении миллиардов лет Земля испытывала сложную химическую эволюцию. Значительная часть элементов, существующих в газообразном состоянии (водород, инертные газы), почти совсем улетучились из земной атмосферы. Однако заметна и общая закономерность: уменьшение содержания элементов по мере роста Z (заряда ядра атома) и на Земле, и в космосе.
Всего лишь 8 химических элементов — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний — составляют более 99% земной коры по массе, на долю остальных приходится менее 1%, и именно среди этих элементов наблюдается резкое различие в распространенности. Геохимики пользуются понятием «редкие элементы» (их содержание составляет в среднем менее 10-4% массы этого 1%) и «рассеянные элементы» (они фактически не образуют собственных минералов, а содержатся как примеси к другим).
Исторически сложились такие названия определенных совокупностей элементов, как органогены (углерод, азот, кислород и водород — основные элементы, входящие в состав органических веществ), галогены, щелочные и щелочноземельные металлы, платиновые металлы, редкоземельные элементы, радиоактивные элементы, трансурановые элементы.
Bce химические элементы произошли в результате сложных космических процессов ядерного синтеза, задолго до того, как образовались Солнечная система и планета Земля. Элементы, имеющие стабильные или долгоживущие радиоактивные изотопы (торий и уран)у вошли в состав Земли как первичные элементы. Естественные радиоактивные элементы, входящие в ряды радиоактивных превращаемостей урана и тория, являются вторичными. Их периоды полураспада невелики, гораздо меньше возраста Земли, поэтому их первоначальные «ресурсы» давным-давно исчезли. Теперь они, так сказать, заново образуются на Земле — как продукты последовательных радиоактивных превращаемостей урана и тория. Следовательно, содержащиеся на нашей планете химические элементы различаются по своему происхождению.
Форма существования химических элементов в свободном состоянии называется простым веществом. Некоторые химические элементы известны в виде двух или более простых веществ (см. Аллотропия), так называемых аллотропических модификаций. В настоящее время все обнаруженные на Земле элементы, а также некоторые синтезированные элементы (технеций, прометий, нептуний, плутоний, америций, берклий, калифорний) получены в свободном виде. Инертные газы встречаются в природе исключительно в виде простых веществ, несколько элементов — в виде простых веществ и соединений, но большинство — только в форме соединений. Агрегатное состояние большинства простых веществ при нормальных условиях — твердое. Жидкости—лишь бром и ртуть. Водород, азот, кислород, фтор, хлор, гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон газообразны.
По своим химическим свойствам элементы подразделяются на два больших класса: металлы и неметаллы. Из 110 элементов 88 — металлы. Их характерная особенность — способность образовывать элементарные, положительно заряженные ионы при химических взаимодействиях и наличие свободных, не связанных с определенными атомами электронов. Однако граница между металлами и неметаллами довольно расплывчата.
Открытие существующих в природе элементов происходило в течение длительного времени. Хронологическая последовательность открытий химических элементов зависела, во-первых, от их специфических свойств, во-вторых, от разработки новых методов химического анализа.
В первую очередь человеку стали известны так называемые элементы древности (золото, серебро, ртуть, железо, олово, свинец, сера, углерод), потому что они встречаются на Земле в свободном (самородном) состоянии или их легко получить из содержащих их минералов. Однако это не были открытия в полном смысле слова, так как датировать их невозможно.
В средние века, в период господства алхимии, случайно были открыты и изучены мышьяк, сурьма, висмут, цинк и фосфор, хотя то, что они являются химическими элементами, стало ясно спустя несколько столетий.
Массовое открытие новых элементов началось во второй половине XVIII в. Исследования по пневматической химии (изучение свойств газов) привели к открытию таких важных элементов, как азот и кислород.
Многие элементы были открыты благодаря хими-ко-аналитическому методу. С помощью его обнаружено около 30 новых элементов. Разработка электрохимического метода пополнила список элементов натрием, калием, магнием и кальцием. Методом спектрального анализа было доказано существование рубидия, цезия, индия, таллия и галлия.
К моменту открытия периодического закона (1869) было известно 63 элемента. Периодическая система позволила предсказывать свойства новых элементов и в значительной степени устранила момент случайности в их открытиях. Теперь каждый новый элемент должен был занять определенное место в таблице Менделеева. До физического обоснования периодического закона в границах системы между водородом и ураном были открыты почти все стабильные элементы (кроме гафния с Z — 12 и рения с Z = 75) и почти все радиоактивные элементы (кроме астата, Z = 85, франция Z = 87, технеция Z=43 и прометия Z = 61).
Технеций, астат и прометий, а также 18 трансурановых элементов были получены искусственно, с помощью ядерных реакций.
Многие химические элементы (главным образом металлы) первоначально были выделены в форме соединений, а получены в свободном виде иногда много лет спустя. Это было связано с трудностями химического выделения этих элементов из соединений.
В наше время почти все химические элементы находят то или иное практическое применение. Некоторые элементы, считавшиеся ранее бесперспективными, теперь играют исключительно важную роль (например, бериллий, титан, цирконий, галлий, германий, тантал, рений) — как материалы новой техники.
