,_black_and_white.png/1280px-Periodic_table_(32-col,_enwiki),_black_and_white.png)
Химический элемент – химическое вещество , которое не может быть расщеплено на другие вещества в результате химических реакций . Основной частицей, составляющей химический элемент, является атом . Химические элементы идентифицируются по количеству протонов в ядрах их атомов, [1] известному как атомный номер элемента . [2] Например, атомный номер кислорода равен 8, что означает, что каждый атом кислорода имеет в ядре 8 протонов. Два и более атома одного и того же элемента могут объединяться в молекулы , в отличие от химических соединений или смесей , которые содержат атомы разных элементов. Атомы могут превращаться в различные элементы в ядерных реакциях , в результате которых меняется атомный номер атома.
Почти вся барионная материя Вселенной состоит из химических элементов (за редким исключением — нейтронные звезды ). Когда различные элементы подвергаются химическим реакциям, атомы перестраиваются в новые соединения, удерживаемые вместе химическими связями . Лишь немногие элементы, такие как серебро и золото , встречаются в несвязанном виде в виде относительно чистых самородных минералов . Почти все другие встречающиеся в природе элементы встречаются на Земле в виде соединений или смесей. Воздух в основном представляет собой смесь молекулярного азота и кислорода , хотя он содержит соединения, включая углекислый газ и воду , а также атомарный аргон , благородный газ , который химически инертен и поэтому не вступает в химические реакции.
История открытия и использования элементов началась с первобытных человеческих обществ , которые открыли природные минералы, такие как углерод , сера , медь и золото (хотя концепция химического элемента еще не была понята). Попытки классифицировать подобные материалы привели к появлению концепций классических элементов , алхимии и различных подобных теорий на протяжении всей истории человечества. Большая часть современного понимания элементов сложилась из работ Дмитрия Менделеева , русского химика, который опубликовал первую узнаваемую таблицу Менделеева в 1869 году. Эта таблица организует элементы путем увеличения атомного номера в строки (« периоды »), в которых столбцы («периоды») группы ») имеют повторяющиеся («периодические») физические и химические свойства . Таблица Менделеева суммирует различные свойства элементов, позволяя химикам устанавливать взаимосвязи между ними и делать прогнозы относительно соединений и потенциальных новых.
К ноябрю 2016 года Международный союз теоретической и прикладной химии признал в общей сложности 118 элементов. Первые 94 элемента встречаются на Земле в природе , а остальные 24 представляют собой синтетические элементы , образующиеся в результате ядерных реакций. За исключением нестабильных радиоактивных элементов ( радионуклидов ), которые быстро распадаются , почти все элементы доступны в промышленности в различных количествах. Открытие и синтез новых элементов является постоянной областью научных исследований.
Самыми легкими химическими элементами являются водород и гелий , оба они созданы в результате нуклеосинтеза Большого взрыва в течение первых 20 минут существования Вселенной [3] в соотношении около 3:1 по массе (или 12:1 по числу атомов), [4] [5] вместе с крошечными следами следующих двух элементов, лития и бериллия . Почти все остальные элементы, встречающиеся в природе, были получены различными естественными методами нуклеосинтеза . [6] На Земле небольшие количества новых атомов естественным образом производятся в результате нуклеогенных реакций или космогенных процессов, таких как расщепление космических лучей . Новые атомы также естественным образом производятся на Земле в виде радиогенных дочерних изотопов продолжающихся процессов радиоактивного распада , таких как альфа-распад , бета-распад , спонтанное деление , кластерный распад и другие более редкие виды распада.
Из 94 встречающихся в природе элементов каждый с атомными номерами от 1 до 82 имеет по крайней мере один стабильный изотоп (за исключением технеция , элемента 43, и прометия , элемента 61, которые не имеют стабильных изотопов). Стабильными считаются те изотопы, радиоактивный распад которых еще не наблюдался. Элементы с атомными номерами от 83 до 94 нестабильны до такой степени, что можно обнаружить радиоактивный распад всех изотопов. Некоторые из этих элементов, особенно висмут (атомный номер 83), торий (атомный номер 90) и уран (атомный номер 92), имеют один или несколько изотопов с периодом полураспада, достаточно длинным, чтобы выжить в качестве остатков взрывного звездного нуклеосинтеза , который произвел тяжелые металлы до образования нашей Солнечной системы . При более чем 1,9 × 10Висмут-209 (атомный номер 83) составляет 19 лет, что более чем в миллиард раз превышает текущий предполагаемый возраст Вселенной. Онимеет самый длинный известный период полураспада среди всех встречающихся в природе элементов и почти всегда считается равным 80-му стабильные элементы. [7] [8] Самые тяжелые элементы (за исключением плутония, элемент 94) подвергаются радиоактивному распаду с периодом полураспада настолько коротким, что они не встречаются в природе и должны быть синтезированы .
Сейчас известно 118 элементов. В этом контексте «известный» означает наблюдаемый достаточно хорошо, даже по нескольким продуктам распада, чтобы его можно было отличить от других элементов. [9] [10] Совсем недавно о синтезе элемента 118 (с тех пор названного оганессоном ) сообщалось в октябре 2006 года, а о синтезе элемента 117 ( теннессина ) сообщалось в апреле 2010 года. [11] [12] Из этих 118 элементов , 94 происходят на Земле естественным образом. Шесть из них встречаются в экстремальных следовых количествах: технеций , атомный номер 43; прометий , номер 61; астат , номер 85; франций , номер 87; нептуний , номер 93; и плутоний , номер 94. Эти 94 элемента были обнаружены во Вселенной в целом, в спектрах звезд, а также в сверхновых, где вновь образуются короткоживущие радиоактивные элементы. Первые 94 элемента были обнаружены непосредственно на Земле как первичные нуклиды, образовавшиеся в результате формирования Солнечной системы , или как естественные продукты деления или трансмутации урана и тория.
Остальные 24 более тяжелых элемента, не обнаруженных сегодня ни на Земле, ни в астрономических спектрах, созданы искусственно: все они радиоактивны, с очень коротким периодом полураспада; если какие-либо атомы этих элементов присутствовали при формировании Земли, то с высокой вероятностью они уже распались, а если и присутствовали в новых звездах, то в количествах, слишком малых, чтобы их можно было заметить. Технеций был первым предположительно неприродным элементом, синтезированным в 1937 году, хотя с тех пор следовые количества технеция были обнаружены в природе (а также этот элемент, возможно, был открыт естественным путем в 1925 году). [13] Эта модель искусственного производства и последующего естественного открытия была повторена с несколькими другими радиоактивными редкими элементами естественного происхождения. [14]
Список элементов доступен по названию, атомному номеру, плотности, температуре плавления, температуре кипения и по символу , а также энергии ионизации элементов . Нуклиды стабильных и радиоактивных элементов также доступны в виде списка нуклидов , отсортированных по продолжительности периода полураспада для нестабильных элементов. Одним из наиболее удобных и, безусловно, наиболее традиционных представлений элементов является таблица Менделеева, в которой группируются элементы со схожими химическими свойствами (и обычно также со схожим электронным строением).
Атомный номер элемента равен числу протонов в каждом атоме и определяет элемент. [15] Например, все атомы углерода содержат в атомном ядре 6 протонов ; таким образом, атомный номер углерода равен 6. [16] Атомы углерода могут иметь разное количество нейтронов; Атомы одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов, известны как изотопы элемента. [17]
Число протонов в атомном ядре определяет и его электрический заряд , который, в свою очередь, определяет количество электронов атома в его неионизированном состоянии. Электроны помещаются на атомные орбитали , которые определяют различные химические свойства атома . Число нейтронов в ядре обычно очень мало влияет на химические свойства элемента (за исключением водорода и дейтерия ). Таким образом, все изотопы углерода имеют почти одинаковые химические свойства, поскольку все они имеют шесть протонов и шесть электронов, хотя атомы углерода могут, например, иметь 6 или 8 нейтронов. Вот почему атомный номер, а не массовое число или атомный вес , считается идентификационной характеристикой химического элемента.
Символ атомного номера — Z.
Изотопы — это атомы одного и того же элемента (то есть с одинаковым числом протонов в атомном ядре ), но имеющие разное количество нейтронов . Так, например, существует три основных изотопа углерода. Все атомы углерода имеют в ядре 6 протонов, но могут иметь либо 6, 7 или 8 нейтронов. Поскольку их массовые числа равны 12, 13 и 14 соответственно, три изотопа углерода известны как углерод-12 , углерод-13 и углерод-14 , часто сокращенно обозначаемые как 12 C, 13 C и 14 C. Углерод в в быту и в химии представляет собой смесь 12 С (около 98,9%), 13 С (около 1,1%) и около 1 атома на триллион 14 С.
Большинство (66 из 94) встречающихся в природе элементов имеют более одного стабильного изотопа. За исключением изотопов водорода (которые сильно отличаются друг от друга по относительной массе, достаточной для того, чтобы вызывать химические эффекты), изотопы данного элемента химически почти неотличимы.
Все элементы имеют некоторые радиоактивные изотопы (радиоизотопы), хотя не все эти радиоизотопы встречаются в природе. Радиоизотопы обычно распадаются на другие элементы при излучении альфа- или бета-частицы . Если у элемента есть изотопы, которые не являются радиоактивными, их называют «стабильными» изотопами. Все известные стабильные изотопы встречаются в природе (см. Первичный изотоп ). Многие радиоизотопы, не встречающиеся в природе, были охарактеризованы после того, как были созданы искусственно. Некоторые элементы не имеют стабильных изотопов и состоят только из радиоактивных изотопов: в частности, элементами без каких-либо стабильных изотопов являются технеций (атомный номер 43), прометий (атомный номер 61) и все наблюдаемые элементы с атомными номерами больше 82.
Из 80 элементов, имеющих хотя бы один стабильный изотоп, 26 имеют только один стабильный изотоп. Среднее количество стабильных изотопов для 80 стабильных элементов составляет 3,1 стабильного изотопа на элемент. Наибольшее количество стабильных изотопов, встречающихся для одного элемента, равно 10 (для олова — 50 элемент).
Массовое число элемента A — это количество нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Различные изотопы данного элемента различаются по массовым числам, которые обычно записываются в виде верхнего индекса слева от атомного символа (например, 238 U). Массовое число всегда является целым числом и имеет единицы «нуклоны». Например, магний-24 (24 — массовое число) — это атом с 24 нуклонами (12 протонов и 12 нейтронов).
В то время как массовое число просто подсчитывает общее количество нейтронов и протонов и, таким образом, является натуральным (или целым) числом, атомная масса конкретного изотопа (или «нуклида») элемента представляет собой массу одного атома этого изотопа. и обычно выражается в дальтонах (символ: Да) или универсальных атомных единицах массы (символ: u). Его относительная атомная масса представляет собой безразмерное число, равное атомной массе, разделенной на константу атомной массы , равную 1 Да. Вообще массовое число данного нуклида незначительно отличается по значению от его относительной атомной массы, поскольку масса каждого протона и нейтрона не составляет точно 1 Да; поскольку электроны вносят меньшую долю в атомную массу, поскольку число нейтронов превышает число протонов; и из-за энергии связи ядра и энергии связи электрона. Например, атомная масса хлора-35 до пяти значащих цифр составляет 34,969 Да, а хлора-37 — 36,966 Да. Однако относительная атомная масса каждого изотопа довольно близка к его массовому числу (всегда в пределах 1%). Единственный изотоп, атомная масса которого в точности равна натуральному числу , — это 12 C, масса которого равна 12 Да, поскольку дальтон определяется как 1/12 массы свободного нейтрального атома углерода-12 в основном состоянии.
Стандартный атомный вес (обычно называемый «атомным весом») элемента представляет собой среднее значение атомных масс всех изотопов химического элемента, обнаруженных в определенной среде, взвешенных по изотопному содержанию относительно единицы атомной массы. Это число может быть дробью, не близкой к целому числу. Например, относительная атомная масса хлора составляет 35,453 ед., что сильно отличается от целого числа, так как в среднем содержит около 76% хлора-35 и 24% хлора-37. Всякий раз, когда значение относительной атомной массы отличается более чем на 1% от целого числа, это происходит из-за эффекта усреднения, поскольку в образце этого элемента естественным образом присутствуют значительные количества более чем одного изотопа.
Химики и ученые-ядерщики имеют разные определения чистого элемента . В химии чистый элемент означает вещество, все атомы которого (или на практике почти все) имеют одинаковый атомный номер или количество протонов . Однако ученые-ядерщики определяют чистый элемент как элемент, состоящий только из одного стабильного изотопа. [18]
Например, медная проволока имеет химическую чистоту 99,99%, если 99,99% ее атомов состоят из меди и содержат по 29 протонов в каждом. Однако она не является изотопно чистой, поскольку обычная медь состоит из двух стабильных изотопов: 69% 63 Cu и 31% 65 Cu, с разным количеством нейтронов. Однако слиток чистого золота будет как химически, так и изотопно чистым, поскольку обычное золото состоит только из одного изотопа — 197 Au.
Атомы химически чистых элементов могут связываться друг с другом химически более чем одним способом, позволяя чистому элементу существовать в нескольких химических структурах ( пространственном расположении атомов ), известных как аллотропы , которые различаются по своим свойствам. Например, углерод можно найти в виде алмаза , который имеет тетраэдрическую структуру вокруг каждого атома углерода; графит , имеющий слои атомов углерода гексагональной структуры, наложенные друг на друга; графен , представляющий собой один очень прочный слой графита; фуллерены , имеющие почти сферическую форму; и углеродные нанотрубки , представляющие собой трубки с гексагональной структурой (даже они могут отличаться друг от друга электрическими свойствами). Способность элемента существовать в одной из многих структурных форм известна как «аллотропия».
Эталонное состояние элемента определяется по соглашению, обычно как термодинамически наиболее стабильный аллотроп и физическое состояние при давлении 1 бар и заданной температуре (обычно при 298,15 К). Однако для фосфора эталонным состоянием является белый фосфор, хотя это и не самый стабильный аллотроп. В термохимии определяется, что элемент имеет нулевую энтальпию образования в исходном состоянии. Например, эталонным состоянием углерода является графит, поскольку структура графита более стабильна, чем у других аллотропов.
К элементам можно широко применять несколько видов описательных классификаций, включая рассмотрение их общих физических и химических свойств, их состояний вещества в знакомых условиях, их температур плавления и кипения, их плотности, их кристаллических структур как твердых тел и их происхождения.
Для характеристики общих физических и химических свойств химических элементов обычно используются несколько терминов. Первое различие проводится между металлами , которые легко проводят электричество , неметаллами , которые этого не делают, и небольшой группой (металлоидами ) , имеющими промежуточные свойства и часто ведущими себя как полупроводники .
Более уточненная классификация часто представлена в цветных представлениях таблицы Менделеева. Эта система ограничивает термины «металл» и «неметалл» только некоторыми из более широко определяемых металлов и неметаллов, добавляя дополнительные термины для определенных наборов более широко рассматриваемых металлов и неметаллов. Версия этой классификации, используемая в представленных здесь таблицах Менделеева, включает: актиниды , щелочные металлы , щелочноземельные металлы , галогены , лантаноиды , переходные металлы , постпереходные металлы , металлоиды , химически активные неметаллы и благородные газы . В этой системе щелочные, щелочноземельные и переходные металлы, а также лантаноиды и актиниды представляют собой особые группы металлов, рассматриваемые в более широком смысле. Точно так же химически активные неметаллы и благородные газы являются неметаллами в более широком смысле. В некоторых представлениях галогены не выделяются: астат идентифицируется как металлоид, а другие идентифицируются как неметаллы.
Еще одним широко используемым основным различием между элементами является их состояние вещества (фаза), будь то твердое , жидкое или газообразное , при выбранной стандартной температуре и давлении (STP). Большинство элементов при обычных температурах и атмосферном давлении представляют собой твердые вещества, а некоторые представляют собой газы. Только бром и ртуть являются жидкими при температуре 0 градусов Цельсия (32 градуса по Фаренгейту) и нормальном атмосферном давлении; цезий и галлий при этой температуре являются твердыми веществами, но плавятся при 28,4 ° C (83,2 ° F) и 29,8 ° C (85,6 ° F) соответственно.
Точки плавления и кипения , обычно выражаемые в градусах Цельсия при давлении в одну атмосферу, обычно используются для характеристики различных элементов. Хотя для большинства элементов они известны, одно или оба этих измерения все еще не определены для некоторых радиоактивных элементов, доступных лишь в небольших количествах. Поскольку гелий остается жидкостью даже при абсолютном нуле атмосферного давления, в общепринятых представлениях он имеет только температуру кипения, а не плавления.
Плотность при выбранной стандартной температуре и давлении ( STP ) часто используется для характеристики элементов. Плотность часто выражают в граммах на кубический сантиметр (г/см 3 ). Поскольку некоторые элементы представляют собой газы при обычно встречающихся температурах, их плотности обычно указывают для их газообразных форм; в сжиженном или затвердевшем состоянии газообразные элементы имеют плотность, аналогичную плотности других элементов.
Если у элемента есть аллотропы с разной плотностью, в сводных презентациях обычно выбирается один репрезентативный аллотроп, тогда как плотности для каждого аллотропа могут быть указаны там, где предоставляется более подробная информация. Например, три известных аллотропа углерода ( аморфный углерод , графит и алмаз ) имеют плотности 1,8–2,1, 2,267 и 3,515 г/см 3 соответственно.
Изученные к настоящему времени элементы в виде твердых образцов имеют восемь видов кристаллических структур : кубическую , объемноцентрированную кубическую , гранецентрированную кубическую, гексагональную , моноклинную , орторомбическую , ромбоэдрическую и тетрагональную . Для некоторых синтетически полученных трансурановых элементов доступные образцы были слишком малы для определения кристаллической структуры.
Химические элементы также можно классифицировать по их происхождению на Земле: первые 94 считаются встречающимися в природе, тогда как элементы с атомными номерами выше 94 были произведены искусственно как синтетические продукты ядерных реакций, созданных человеком.
Из 94 встречающихся в природе элементов 83 считаются первичными и либо стабильными , либо слаборадиоактивными. Остальные 11 встречающихся в природе элементов имеют период полураспада, слишком короткий для того, чтобы они могли присутствовать в начале Солнечной системы, и поэтому считаются переходными элементами. Из этих 11 переходных элементов 5 ( полоний , радон , радий , актиний и протактиний ) являются относительно распространенными продуктами распада тория и урана . Остальные 6 переходных элементов (технеций, прометий, астат, франций , нептуний и плутоний ) встречаются лишь изредка, как продукты редких режимов распада или процессов ядерных реакций с участием урана или других тяжелых элементов.
Никакого радиоактивного распада не наблюдалось для элементов с атомными номерами от 1 до 82, за исключением 43 (технеций) и 61 (прометий). Однако согласно прогнозам, стабильные по наблюдениям изотопы некоторых элементов (таких как вольфрам и свинец ) будут слегка радиоактивными с очень длительным периодом полураспада: [19] например, периоды полураспада, предсказанные для стабильных по наблюдениям изотопов свинца, варьируются от 10 до 35 . до 10 189 лет. Элементы с атомными номерами 43, 61 и 83–94 настолько нестабильны, что их радиоактивный распад можно легко обнаружить. Три из этих элементов, висмут (элемент 83), торий (элемент 90) и уран (элемент 92), имеют один или несколько изотопов с периодом полураспада, достаточно длительным, чтобы выжить в качестве остатков взрывного звездного нуклеосинтеза , который произвел тяжелые элементы до образование Солнечной системы. Например, при более чем 1,9 × 10Висмут-209 имеет самый длинный известный период полураспада среди всех встречающихся в природе элементов, который составляет 19 лет, что более чем в миллиард раз превышает нынешний предполагаемый возраст Вселенной. [7] [8] Самые тяжелые 24 элемента (кроме плутония, элемент 94) подвергаются радиоактивному распаду с коротким периодом полураспада и не могут производиться как дочерние элементы более долгоживущих элементов, и поэтому, как известно, вообще не встречаются в природе. .
Свойства химических элементов часто суммируются с помощью таблицы Менделеева, которая мощно и элегантно организует элементы путем увеличения атомного номера в строки (« периоды» ), в которых столбцы ( «группы» ) разделяют повторяющиеся («периодические») физические и химические свойства. Действующая стандартная таблица содержит 118 подтвержденных элементов по состоянию на 2021 год.
Хотя существуют более ранние предшественники этой презентации, ее изобретение обычно приписывают русскому химику Дмитрию Менделееву в 1869 году, который намеревался использовать таблицу для иллюстрации повторяющихся тенденций в свойствах элементов. Структура таблицы со временем уточнялась и расширялась по мере открытия новых элементов и разработки новых теоретических моделей для объяснения химического поведения.
Использование таблицы Менделеева в настоящее время повсеместно распространено в академической дисциплине химии, предоставляя чрезвычайно полезную основу для классификации, систематизации и сравнения всех множества различных форм химического поведения. Таблица также нашла широкое применение в физике , геологии , биологии , материаловедении , технике , сельском хозяйстве , медицине , питании , гигиене окружающей среды и астрономии . Его принципы особенно важны в химической технологии .
Различные химические элементы формально идентифицируются по своим уникальным атомным номерам, общепринятым названиям и символам .
Известные элементы имеют атомные номера от 1 до 118, условно представленные арабскими цифрами . Поскольку элементы могут быть однозначно упорядочены по атомному номеру, обычно от наименьшего к наибольшему (как в периодической таблице), наборы элементов иногда обозначаются такими обозначениями, как «сквозь», «за пределами» или «от… до». , как «через железо», «за пределами урана» или «от лантана через лютеций». Термины «легкий» и «тяжелый» иногда также неофициально используются для обозначения относительных атомных номеров (а не плотности), например, «легче углерода» или «тяжелее свинца», хотя технически это вес или масса атомов элемента ( их атомные веса или атомные массы) не всегда монотонно увеличиваются с ростом их атомных номеров.
Названия различных веществ, ныне известных как элементы, предшествуют атомной теории материи , поскольку названия давались локально различными культурами различным минералам, металлам, соединениям, сплавам, смесям и другим материалам, хотя в то время не было известно, какие химические вещества какие это были элементы и какие соединения. Поскольку они были идентифицированы как элементы, существующие названия для ранее известных элементов (например, золото, ртуть, железо) сохранились в большинстве стран. Национальные различия возникли из-за названий элементов либо из-за удобства, лингвистических тонкостей, либо из-за национализма. Вот несколько наглядных примеров: носители немецкого языка используют «Wasserstoff» (вещество воды) для «водорода», «Sauerstoff» (кислотное вещество) для «кислорода» и «Stickstoff» (удушающее вещество) для «азота», а в английском языке и немного романтики. языки используют «натрий» вместо «натрий» и «калий» вместо «калий», а французы, итальянцы, греки, португальцы и поляки предпочитают «азот/азот/азото» (от корней, означающих «нет жизни») вместо «азота». .
В целях международного общения и торговли официальные названия химических элементов, как древних, так и недавно признанных, определяются Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC), который принял решение использовать своего рода международный английский язык, опираясь на традиционный английский язык. Английские названия, даже если химический символ элемента основан на латинском или другом традиционном слове, например, в качестве названия 79-го элемента (Au) используется слово «золото», а не «аурум». ИЮПАК предпочитает британские варианты написания « алюминий » и «цезий» американским вариантам написания «алюминий» и «цезий», а американское «сера» — британскому «сера». Однако элементы, которые практично продавать оптом во многих странах, часто по-прежнему имеют местные национальные названия, а страны, в национальном языке которых не используется латинский алфавит , вероятно, будут использовать названия элементов ИЮПАК.
Согласно ИЮПАК, химические элементы в английском языке не являются именами собственными; следовательно, полное название элемента в английском языке обычно не пишется с заглавной буквы, даже если оно образовано от имени собственного , как в «калифорний» и «эйнштейниум» . Названия изотопов химических элементов также пишутся без заглавной буквы, например, углерод-12 или уран-235 . Символы химических элементов (например, Cf для калифорния и Es для эйнштейния) всегда пишутся с заглавной буквы (см. ниже).
Во второй половине двадцатого века физические лаборатории смогли производить ядра химических элементов с периодом полураспада, слишком коротким для того, чтобы их значительное количество могло существовать в любое время. Им также присвоены имена ИЮПАК, который обычно принимает имя, выбранное первооткрывателем. Эта практика может привести к спорному вопросу о том, какая исследовательская группа на самом деле открыла элемент, вопросу, который на значительное время задержал присвоение названий элементам с атомным номером 104 и выше. (См. споры об именах элементов ).
Предвестниками таких разногласий были националистические названия элементов в конце 19 века. Например, лютеций был назван в честь Парижа, Франция. Немцы не хотели уступать права на наименование французам, часто называя его кассиопеем . Точно так же британский первооткрыватель ниобия первоначально назвал его колумбием, имея в виду Новый Свет . Он широко использовался в американских публикациях до международной стандартизации (в 1950 году).
До того, как химия стала наукой , алхимики разработали загадочные символы как для металлов, так и для обычных соединений. Однако они использовались как сокращения в диаграммах или процедурах; не существовало концепции объединения атомов в молекулы . Благодаря своим достижениям в атомной теории материи Джон Дальтон разработал свои собственные более простые символы, основанные на кругах, для изображения молекул.
Современная система химических обозначений была изобретена Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1814 году. В этой типографской системе химические символы не являются простыми аббревиатурами, хотя каждый из них состоит из букв латинского алфавита . Они задуманы как универсальные символы для людей всех языков и алфавитов.
Поскольку во времена Берцелиуса общим языком науки была латынь, его символы представляли собой аббревиатуры, основанные на латинских названиях элементов (это могут быть классические латинские названия элементарных веществ, известные с античности, или неолатинские чеканки для более поздних элементов). За символами не следует точка (точка), как в случае сокращений. Например, водород имеет химический символ «H» после неолатинского Hydrogenium ; Натрий имеет химический символ «Na» после неолатинского слова « натрий» . То же самое относится к «Fe» (феррум) для железа , «Hg» (гидраргирум) для ртути , «Sn» (олово) для олова , «Ау» (аурум) для золота, «Аг» (аргентум) для серебра ». Pb» (свинец) для свинца , «Cu» (медь) для меди и «Sb» (сурьма) для сурьмы . «W» (вольфрам) для вольфрама в конечном итоге происходит от немецкого языка, «K» (калий) для калия в конечном итоге происходит от арабского языка.
Позже химическим элементам также были присвоены уникальные химические символы, основанные на названии элемента, но не обязательно на английском языке.
Химические символы понимаются на международном уровне, когда названия элементов могут потребовать перевода. В прошлом иногда были различия. Например, немцы в прошлом использовали букву «J» (альтернативное название «Йод») для обозначения йода, но теперь используют «I» и «Йод».
Первая буква химического символа всегда пишется с заглавной буквы, как и в предыдущих примерах, а последующие буквы, если таковые имеются, всегда пишутся строчными (маленькими буквами). Таким образом, символы калифорния и эйнштейния — Cf и Es.
В химических уравнениях также встречаются символы групп химических элементов, например в сравнительных формулах. Часто это одна заглавная буква, буквы зарезервированы и не используются для названий конкретных элементов. Например, « X » указывает на переменную группу (обычно галоген) в классе соединений, а « R » — это радикал , означающий структуру соединения, такую как углеводородная цепь. Буква « Q » зарезервирована для обозначения «тепла» в химической реакции. « Y » также часто используется как общий химический символ, хотя это также символ иттрия . « Z » также часто используется в качестве общей группы переменных. « Е » используется в органической химии для обозначения электроноакцепторной группы или электрофила ; аналогично « Ню » обозначает нуклеофил . « L » используется для обозначения общего лиганда в неорганической и металлоорганической химии . « М » также часто используется вместо обычного металла.
По крайней мере, два дополнительных двухбуквенных общих химических символа также используются неофициально: « Ln » для любого элемента -лантанида и « An » для любого элемента- актинида . « Rg » раньше использовался для обозначения любого редкого газового элемента, но теперь группа редких газов была переименована в благородные газы , а символ « Rg » теперь присвоен элементу рентгению .
Изотопы различаются атомным массовым числом (общее количество протонов и нейтронов) конкретного изотопа элемента, причем это число сочетается с символом соответствующего элемента. ИЮПАК предпочитает, чтобы символы изотопов записывались в надстрочных индексах, когда это практически возможно, например, 12 C и 235 U. Однако также используются и другие обозначения, такие как углерод-12 и уран-235 или C-12 и U-235.
В частном случае три встречающихся в природе изотопа элемента водорода часто обозначаются как H для 1 H ( протий ), D для 2 H ( дейтерий ) и T для 3 H ( тритий ). Это соглашение легче использовать в химических уравнениях, заменяя необходимость выписывать массовое число для каждого атома. Например, формулу тяжелой воды можно записать D 2 O вместо 2 H 2 O.
Лишь около 4% общей массы Вселенной состоит из атомов или ионов и, следовательно, представлено химическими элементами. Эта фракция составляет около 15% всей материи, а остальная часть материи (85%) представляет собой темную материю . Природа темной материи неизвестна, но она не состоит из атомов химических элементов, поскольку не содержит протонов, нейтронов и электронов. (Остальная нематериальная часть массы Вселенной состоит из еще менее изученной темной энергии ).
94 встречающихся в природе химических элемента были произведены как минимум четырьмя классами астрофизических процессов. Большая часть водорода, гелия и очень небольшое количество лития образовались в первые несколько минут Большого взрыва . Нуклеосинтез Большого Взрыва произошел только один раз; остальные процессы продолжаются. Ядерный синтез внутри звезд производит элементы посредством звездного нуклеосинтеза, включая все элементы от углерода до железа по атомному номеру. Элементы с более высоким атомным номером, чем железо, включая тяжелые элементы, такие как уран и плутоний, производятся различными формами взрывного нуклеосинтеза в сверхновых и слияниях нейтронных звезд . Легкие элементы литий , бериллий и бор производятся в основном в результате расщепления космическими лучами (фрагментация, вызванная космическими лучами ) углерода, азота и кислорода.
На ранних стадиях Большого взрыва нуклеосинтез ядер водорода привел к образованию водорода-1 ( протий , 1 H) и гелия-4 ( 4 He), а также меньшего количества дейтерия ( 2 H) и очень мизерные количества (порядка 10-10 ) лития и бериллия. Еще меньшие количества бора могли быть произведены в результате Большого взрыва, поскольку он наблюдался в некоторых очень старых звездах, а углерода — нет. [22] В ходе Большого взрыва не было произведено ни одного элемента тяжелее бора. В результате изначальное содержание атомов (или ионов) состояло примерно из 75% 1 H, 25% 4 He и 0,01% дейтерия с лишь крошечными следами лития, бериллия и, возможно, бора. [23] Последующее обогащение галактических гало произошло за счет звездного нуклеосинтеза и нуклеосинтеза сверхновых . [24] Однако содержание элементов в межгалактическом пространстве все еще может очень напоминать первобытные условия, если только оно не было обогащено каким-либо образом.
На Земле (и в других местах) следовые количества различных элементов продолжают производиться из других элементов в виде продуктов процессов ядерной трансмутации . К ним относятся некоторые, образующиеся в результате космических лучей или других ядерных реакций (см. Космогенные и нуклеогенные нуклиды), а другие - продукты распада долгоживущих первичных нуклидов. [25] Например, следовые (но обнаруживаемые) количества углерода-14 ( 14 C) постоянно производятся в атмосфере под воздействием космических лучей, воздействующих на атомы азота, а аргон-40 ( 40 Ar) постоянно образуется в результате распада изначально возникших но нестабильный калий-40 ( 40 К). Кроме того, три изначально встречающихся, но радиоактивных актинида, торий, уран и плутоний, распадаются через ряд периодически образующихся, но нестабильных радиоактивных элементов, таких как радий и радон , которые временно присутствуют в любом образце этих металлов или их руд или соединений. Три других радиоактивных элемента — технеций, прометий и нептуний — встречаются в природных материалах лишь случайно, образуясь в виде отдельных атомов в результате ядерного деления ядер различных тяжелых элементов или в других редких ядерных процессах.
Помимо 94 встречающихся в природе элементов, с помощью технологий ядерной физики человека было получено несколько искусственных элементов . По состоянию на 2021 год в результате этих экспериментов были получены все элементы до атомного номера 118.[update]
Следующий график (примечание логарифмического масштаба) показывает содержание элементов в нашей Солнечной системе. В таблице показаны двенадцать наиболее распространенных элементов в нашей галактике (по оценкам спектроскопически), измеренные в частях на миллион , по массе . [26] Близлежащие галактики, которые развивались по схожему пути, имеют соответствующее обогащение элементами тяжелее водорода и гелия. Более отдаленные галактики рассматриваются такими, какими они выглядели в прошлом, поэтому содержание в них элементов кажется более близким к первичной смеси. Однако, поскольку физические законы и процессы кажутся общими во всей видимой Вселенной , ученые ожидают, что в этих галактиках эволюционировали элементы в одинаковом количестве.
Обилие элементов в Солнечной системе соответствует их происхождению в результате нуклеосинтеза в результате Большого взрыва и ряда звезд-прародителей сверхновых. Очень распространенные водород и гелий являются продуктами Большого взрыва, но следующие три элемента редки, поскольку у них было мало времени для формирования в ходе Большого взрыва, и они не образуются в звездах (однако они производятся в небольших количествах при распаде более тяжелые элементы в межзвездной пыли в результате воздействия космических лучей). Начиная с углерода, элементы производятся в звездах путем накопления альфа-частиц (ядер гелия), что приводит к поочередному увеличению содержания элементов с четными атомными номерами (они также более стабильны). Вообще такие элементы вплоть до железа производятся в крупных звездах в процессе становления сверхновых . Железо-56 особенно распространено, поскольку это наиболее стабильный элемент, который можно легко получить из альфа-частиц (являясь продуктом распада радиоактивного никеля-56, в конечном итоге состоящего из 14 ядер гелия). Элементы тяжелее железа образуются в результате энергопоглощающих процессов в крупных звездах, и их содержание во Вселенной (и на Земле) обычно уменьшается вместе с их атомным номером.
Распространенность химических элементов на Земле варьируется от воздуха до земной коры и океана, а также в различных формах жизни. Содержание элементов в земной коре отличается от такового в Солнечной системе (как это видно на Солнце и тяжелых планетах, таких как Юпитер), главным образом, избирательной потерей самых легких элементов (водорода и гелия), а также летучих неона и углерода (в виде углеводородов). , азот и сера в результате солнечного нагрева на ранних этапах формирования Солнечной системы. Кислород, самый распространенный по массе элемент Земли, удерживается на Земле за счет соединения с кремнием. Алюминий с концентрацией 8% по массе чаще встречается в земной коре, чем во Вселенной и Солнечной системе, но состав гораздо более объемистой мантии, в которой вместо алюминия (который встречается там только в 2% массы) ) более точно отражает элементный состав Солнечной системы, за исключением отмеченной потери летучих элементов в космос и потери железа, которое мигрировало в ядро Земли.
Состав человеческого тела , напротив, более точно соответствует составу морской воды , за исключением того, что человеческое тело имеет дополнительные запасы углерода и азота, необходимых для образования белков и нуклеиновых кислот , а также фосфора в нуклеиновых кислотах и молекул, передающих энергию. аденозинтрифосфат (АТФ), который встречается в клетках всех живых организмов. Определенным видам организмов требуются определенные дополнительные элементы, например, магний в хлорофилле зеленых растений, кальций в раковинах моллюсков или железо в гемоглобине в красных кровяных тельцах позвоночных животных .
Концепция «элемента» как неделимой субстанции развивалась на протяжении трех основных исторических этапов: классические определения (например, определения древних греков), химические определения и атомные определения.
Древняя философия постулировала набор классических элементов для объяснения наблюдаемых закономерностей в природе . Первоначально эти элементы относились к земле , воде , воздуху и огню , а не к химическим элементам современной науки.
Термин «элементы» ( stoicheia ) впервые был использован греческим философом Платоном примерно в 360 году до нашей эры в его диалоге «Тимей» , который включает обсуждение состава неорганических и органических тел и представляет собой умозрительный трактат по химии. Платон считал, что элементы, введенные Эмпедоклом столетием ранее , состоят из небольших многогранных форм : тетраэдра (огонь), октаэдра (воздух), икосаэдра (вода) и куба (земля). [33] [34]
Аристотель , ок. 350 г. до н. э ., также использовал термин стоихия и добавил пятый элемент, называемый эфиром , который образовал небеса. Аристотель определял элемент как:
Стихия – одно из тех тел, на которые могут разлагаться другие тела, и которое само не способно разделиться на другие. [35]
.jpg/1280px-Portret_van_Robert_Boyle,_RP-P-OB-4578_(cropped).jpg)
.jpg/1280px-Sceptical_chymist_1661_Boyle_Title_page_AQ18_(3).jpg)
В 1661 году в книге «Скептический химик » Роберт Бойль предложил свою теорию корпускуляризма , которая отдавала предпочтение анализу материи как состоящей из нередуцируемых единиц материи (атомов) и, предпочитая не стоять на стороне ни взгляда Аристотеля на четыре элемента, ни взгляда Парацельса на три элемента. фундаментальные элементы, оставили открытым вопрос о количестве элементов. Бойль выступал против заранее определенного числа элементов — прямо против трех принципов Парацельса (сера, ртуть и соль), косвенно против «аристотелевских» элементов (земля, вода, воздух и огонь), поскольку Бойль считал, что аргументы против первого должно быть по крайней мере столь же действительным против второго.
Многое из того, что я собираюсь изложить... может быть безразлично применено к четырем перипатетическим элементам и трем химическим принципам... химическая гипотеза , по-видимому, гораздо более подтверждена опытом, чем другая, это будет целесообразно настаивать главным образом на опровержении этого; тем более, что большинство аргументов, выдвигаемых против нее, можно, с небольшими вариациями, выдвинуть… по крайней мере столь же решительно против менее правдоподобной, аристотелевской доктрины. [36]
Затем Бойль излагает свою точку зрения в четырех положениях. В первом и втором он предполагает, что материя состоит из частиц, но эти частицы бывает трудно разделить.
Предл. I. ...При первом Создании смешанных Тел, Универсальная Материя, из которой они, среди других Частей Вселенной, состояли, фактически была разделена на маленькие Частицы нескольких размеров и форм. [37]
Порождение, Разложение... и растрата Тел... и... Химические Разложения смешанных Тел, и... Действия... Огней над ними... проявляют их состоящую из очень мелких частей... И что также вмешивается различное локальное Движение таких малых Тел... Эпикур ... как вы хорошо знаете, предполагает, что не только все смешанные Тела, но и все остальные производятся... Атомами, перемещающимися в и туда... в Необъятный или, вернее, Бесконечный Вакуум . [38]
Предл. II. ... Эти мельчайшие Частицы... здесь и там были объединены в мельчайшие Массы или Сгустки... которые нелегко было рассеять на составляющие их Частицы. [39]
Золото также будет с помощью обычной Aqua Regis ... превращено в подобие жидкости, настолько, что золотые частицы вместе с частицами менструума пройдут через бумажную крышку и вместе с частицами менструума коагулировать в кристаллическую соль. ... и, тем не менее, впоследствии превратиться в то же самое... Золото было до его смешения. ... Ртуть... с Aqua fortis превратится в красный или белый Порошок... с Купоросным маслом - в бледно-желтый, с Серой - в кроваво-красный и летучий Cinaber. И тем не менее, из всех этих экзотических соединений мы можем извлечь ту самую действующую ртуть, которая была их основным ингредиентом. [40]
Если мы присвоим корпускулам, из которых состоит каждый элемент, особый размер и форму, то достаточно легко можно будет обнаружить, что такие корпускулы различной формы могут смешиваться в таких различных пропорциях и могут быть связаны столь многими различными способами, что Из них может состоять почти невероятное количество Конкретов различной квалификации. [41]
Однако Бойль не считал золото или ртуть элементами:
Золото и Меркурий, хотя они и не являются первичными Конкрециями мельчайших Частиц или материи, а, по общему признанию, являются смешанными Телами... [42]
Предл. III. ... Из большинства таких смешанных Тел... с помощью Огня можно фактически получить определенное количество (Три, Четыре или Пять, или меньше или больше) Субстанций... Предположительно. IV. ... из которых состоят Конкреты, можно... назвать их Элементами или Принципами. [43]
Химики обычно называют ингредиенты смешанных тел принципами , а аристотелианцы называют их элементами . ... Принципы ? как не составленное из каких-либо более первичных Тел и Элементов , поскольку все смешанные Тела состоят из них. [44]
Исаак Уоттс
В 1724 году английский министр и логик Исаак Уоттс в своей книге «Логика» перечислил элементы, признанные тогда химиками. В списке Уоттса две из трёх субстанций, представляющих принципы Парацельса — сера и соль — слились с двумя классическими элементами — землей и водой — а также с « духом » в пять элементов. Однако Уоттс отметил отсутствие консенсуса среди химиков. [45]
Элементы — это такие субстанции, которые нельзя разделить или уменьшить на две или более субстанций разных видов. ... Последователи Аристотеля считали Огонь, Воздух, Землю и Воду четырьмя Элементами, из которых составлены все земные Вещи; и они полагают, что Небеса являются квинтэссенцией или пятым видом Тела, отличным от всех этих тел. Но с тех пор, как экспериментальная философия... стала лучше понята, это учение было многократно опровергнуто. Химики делают Дух, Соль, Серу, Воду и Землю своими пятью Элементами, потому что они могут свести все земные Вещи к этим пяти, хотя не все они согласны.
Первый современный список химических элементов был дан в книге Антуана Лавуазье «Элементы химии» 1789 года , которая содержала тридцать три элемента, включая легкие и тепловые . [46] К 1818 году Йонс Якоб Берцелиус определил атомные массы сорока пяти из сорока девяти тогда принятых элементов. В таблице Менделеева 1869 года было шестьдесят три элемента.
От Бойля до начала 20 века элемент определялся как чистое вещество, которое нельзя разложить на какое-либо более простое вещество. Другими словами, химический элемент не может быть преобразован в другие химические элементы посредством химических процессов. Элементы в то время обычно различались по атомному весу - свойству, которое можно было с достаточной точностью измерить с помощью доступных аналитических методов.
Открытие 1913 года английским физиком Генри Мозли о том, что ядерный заряд является физической основой атомного номера атома, уточненное, когда стала понятна природа протонов и нейтронов , в конечном итоге привело к нынешнему определению элемента, основанному на атомном номере (числе атомов). протонов на атомное ядро). Использование атомных номеров, а не атомных весов, для различения элементов имеет большую прогностическую ценность (поскольку эти числа являются целыми числами), а также устраняет некоторые двусмысленности с точки зрения химии из-за различных свойств изотопов и аллотропов внутри одного и того же элемента. В настоящее время IUPAC определяет элемент как существующий, если он имеет изотопы со временем жизни, превышающим 10–14 секунд , которые требуются ядру для формирования электронного облака. [47]
К 1914 году было известно восемьдесят семь элементов, все встречающиеся в природе. (См. Хронологию открытия химических элементов ). Остальные встречающиеся в природе элементы были открыты или выделены в последующие десятилетия, а различные дополнительные элементы также были получены синтетическим путем, большая часть этой работы пионером выступил Гленн Т. Сиборг . В 1955 году был открыт 101-й элемент, названный менделевием в честь Д. И. Менделеева, первым упорядочившего элементы в периодическом порядке.
Сейчас известно, что десять материалов, знакомых различным доисторическим культурам, являются химическими элементами: углерод, медь, золото , железо, свинец, ртуть, серебро, сера , олово и цинк . Три дополнительных материала, которые теперь считаются элементами: мышьяк , сурьма и висмут , были признаны отдельными веществами до 1500 года нашей эры. Фосфор , кобальт и платина были выделены до 1750 года.
Большинство оставшихся химических элементов природного происхождения были идентифицированы и охарактеризованы к 1900 году, в том числе:
К элементам, выделенным или произведенным с 1900 года, относятся:
Первым трансурановым элементом (элементом с атомным номером более 92), открытым в 1940 году, был нептуний. С 1999 года заявления об открытии новых элементов рассматриваются Объединенной рабочей группой IUPAC/IUPAP . По состоянию на январь 2016 года открытие всех 118 элементов было подтверждено ИЮПАК. Открытие 112-го элемента было признано в 2009 году, для него было предложено название коперниций и атомный символ Cn . [48] Название и символ были официально одобрены ИЮПАК 19 февраля 2010 года. [49] Самый тяжелый элемент, который, как полагают, был синтезирован на сегодняшний день, - это элемент 118, оганессон , 9 октября 2006 года в Лаборатории ядерных реакций имени Флерова. в Дубне , Россия. [10] [50] Теннессин , элемент 117, был последним элементом, который, как утверждается, был открыт в 2009 году . [51] 28 ноября 2016 года ученые из ИЮПАК официально признали названия четырех новейших химических элементов с атомными номерами 113, 115, 117 и 118. [52] [53]
В следующей сортируемой таблице показаны 118 известных химических элементов.
В эту статью включен текст из общедоступного источника : « Технеций-99». epa.gov . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала 1 сентября 2015 года . Проверено 26 февраля 2013 г.
