Что такое химический элемент определение. Атомы
Все многообразие окружающей нас природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов. Так какова же характеристика химического элемента, и чем он отличается от простого вещества?
Химический элемент: история открытия
В различные исторические эпохи в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы в качестве таких «элементов» рассматривали 4 «стихии» – тепло, холод, сухость и влажность. Сочетаясь попарно они образовывали четыре «начала» всего на свете – огонь, воздух, воду и землю.
В XVII веке Р. Бойль указал на то, что все элементы носят материальный характер и их число может быть достаточно велико.
В 1787 году французский химик А. Лавуазье создал «Таблицу простых тел». В нее вошли все известные к тому времени элементы. Под последними понимались простые тела, которые не удавалось разложить химическими методами на еще более простые. Впоследствии выяснилось, что в таблицу вошли и некоторые сложные вещества.
К моменту, когда Д. И. Менделеев открыл периодический закон, было известно всего 63 химических элементов. Открытие ученого не только привело к упорядоченной классификации химических элементов, а также помогло предсказать существование новых, еще не открытых элементов.
Рис. 1. А. Лавуазье.
Что такое химический элемент?
Химическим элементом называют определенный вид атомов. В настоящее время известно 118 химических элементов. Каждый элемент обозначают символом, который представляет одну или две буквы из его латинского названия. Например, элемент водород обозначают латинской буквой H и формулой H 2 – первой буквой латинского названия элемента Hydrogenium. Все достаточно хорошо изученные элементы имеют символы и названия, которые можно найти в главных и побочных подгруппах Периодической системы, где все они расположены в определенном порядке.
Cуществует много видов систем, но общепринятой является Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, которая является графическим выражением Периодического закона Д. И. Менделеева. Обычно используют короткую и длинную формы Периодической системы.
Рис. 2. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева.
Что же является главным признаком, по которому атом относят к определенному элементу? Д. И. Менделеев и другие ученые-химики XIX века считали главным признаком атома массу как наиболее стабильную его характеристику, поэтому элементы в Периодической системе расположены в порядке возрастания атомной массы (за немногим исключением).
По современным представлениям, главным свойством атома, относящим его к определенному элементу, является заряд ядра. Таким образом, химический элемент – это вид атомов, характеризующихся определенным значением (величиной) части химического элемента – положительного заряда ядра.
Из всех существующих 118 химических элементов большую часть (около 90) можно обнаружить в природе. Остальные же получены искусственно с помощью ядерных реакций. Элементы 104-107 были синтезированы учеными-физиками в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.
Все элементы делятся на металлы и неметаллы. Более 80 элементов относятся к металлам. Однако это деление условное. При определенных условиях некоторые металлы могут проявлять неметаллические свойства, а некоторые неметаллы – металлические свойства.
Содержание различных элементов в природных объектах колеблется в широких пределах. 8 химических элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний) составляют 99% земной коры по массе, все остальные – менее 1%. Большинство химических элементов имеют природное происхождение (95), хотя некоторые из них изначально были выведены искусственно (например, прометий).
Следует различать понятия «простое вещество» и «химический элемент». Простое вещество характеризуется определенными химическими и физическими свойствами. В процессе химического превращения простое вещество утрачивает часть своих свойств и входит в новое вещество в виде элемента. Например, азот и водород, входящие в состав аммиака, содержатся в нем не в виде простых веществ, а в виде элементов.
Некоторые элементы объединяются в группы, такие как органогены (углерод, кислород, водород, азот), щелочные металлы (литий, натрий, калий и т.д.), лантаноиды (лантан, церий и т.д.), галогены (фтор, хлор, бром и т.д.), инертные элементы (гелий, неон, аргон)
Ученые объясняют возникновение химических элементов теорией Большого Взрыва. Согласно ей, Вселенная образовалась после Большого Взрыва огромного огненного шара, который разбросал во всех направлениях частицы материи и потоки энергии. Хотя, если во Вселенной самые распространенные химические элементы это Водород и Гелий, то на планете Земля - это Кислород и Кремний.
Из всего числа известных химических элементов, на Земле найдено 88 таких элементов, среди которых самыми распространенными в земной коре являются Кислород (49,4%), Кремний (25,8%), также Алюминий (7,5%), Железо, Калий и другие химические элементы, встречаемые в природе. На эти элементы приходится 99% массы всей Земной оболочки.
Состав элементов в Земной коре отличается от элементов, находящихся в мантии и ядре. Так ядро Земли состоит в основном из железа и никеля, а поверхность Земли насыщена кислородом.
Самые распространенные химические элементы на Земле
(49,4% в Земной коре)
Кислород используют для дыхания почти все живые организмы на Земле. Десятки миллиардов тонн Кислорода расходуются каждый год, но в воздухе его все равно не становится меньше. Ученые считают, что зеленые растения на планете выделяют Кислорода почти в шесть раз больше, чем он расходуется...
(25,8% в Земной коре)
Роль Кремния в геохимии Земли огромна, примерно 12% литосферы составляет кремнезем SiO2 (все твердые и прочные породы состоят на треть из кремния), а число минералов, в которых содержится кремнезем больше 400. На Земле Кремний в свободном виде не встречается, только в соединениях...
(7,5% в Земной коре)
В чистом виде в природе Алюминий не встречается. Алюминий входит в состав гранитов, глины, базальтов, полевого шпата и др. и содержится во многих минералах...
(4,7% в Земной коре)
Этот химический элемент очень важен для живых организмов, так как является катализатором дыхательного процесса, участвует в доставке кислорода к тканям и присутствует в гемоглобине крови. В природе Железо встречается в руде (магнетит, гематит, лимонит и пирит) и в более 300 минералах (сульфиды, силикаты, карбонаты и др.)...
(3,4% в Земной коре)
В чистом виде в природе не встречается, в соединениях содержится в почве, во всех неорганических связующих веществах, животных, растениях и природной воде. Ионы Кальция в крови играют важную роль в регулировании работы сердца, и позволяют ей свертываться на воздухе. При недостатке Кальция у растений, страдает корневая система...
(2,6% в Земной коре)
Натрий распространен в верхней части земной коры, в природе встречается в виде минералов: галита, мирабилита, криолита и буры. Входит в состав человеческого организма, в крови человека содержится около 0.6% КаС1, за счет которого поддерживается нормальное осмотическое давление крови. В животных Натрия содержится больше чем в растениях...
(2,4% в Земной коре)
В природе не встречается в чистом виде, только в соединениях, содержится во многих минералах: сильвине, сильвините, карналлите, алюмосиликатах и др. В морской воде содержится примерно 0,04% калия. Калий быстро окисляется на воздухе и легко вступает в химические реакции. Является важным элементом развития растений, при его недостатке они желтеют, а семена теряют всхожесть...
(1,9% в Земной коре)
В природе Магний не встречается в чистом виде, но входит в состав многих минералов: силикатов, карбонатов, сульфатов, алюмосиликатов и др. Кроме этого Магния много в морской воде, подземных водах, растениях и природных рассолах...
(0,9% в Земной коре)
Водород входит в состав атмосферы, всех органических веществ и живых клеток. Его доля в живых клетках по числу атомов составляет 63%. Водород входит в состав нефти, вулканических и природных горючих газов, немного Водорода выделяют зеленые растения. Образуется при разложении органических веществ и при коксовании угля...
(0,6% в Земной коре)
В природе не встречается в свободном виде, часто в виде двуокиси TiO2 или её соединений (титанатов). Содержится в поч¬ве, в животных и растительных организмах и входит в состав больше 60 минералов. В биосфере Титан рессеян, в морской воде его 10-7%.Титан содержится и в зернах, плодах, стеблях растений, в тканях животных, молоке, куриных яйцах и в человеческом организме...
Самые редкие химические элементы на Земле
- Лютеций (0,00008 % в Земной коре по массе) . Для получения его выделяют из минералов вместе с другими тяжёлыми редкими элементами.
- Иттербий (3,310-5% в Земной коре по массе) . Содержится в бастензите, монаците, гадолините, талените и др. минералах.
- Тулий (2,7 .10−5 масс. % в Земной коре по массе) . Так же как и другие редкоземельные элементы содержится в минералах: ксенотим, монацит, эвксенит, лопарит и др.
- Эрбий (3,3 г/т в Земной коре по массе) . Добывается из монацита и бастенизита, так же как и некоторые редкие химические элементы.
- Гольмий (1,3.10−4 % в Земной коре по массе) . Вместе с другими редкоземельными элементами содержится в минералах монаците, эвксените, бастенизите, апатите и гадолините.
Очень редкие химические элементы применяют в радиоэлектронике, атомной технике, машиностроении, метталургии и химической промышленности и др.
Очень много различных вещей и предметов, живых и неживых тел природы нас окружает. И все они имеют свой состав, строение, свойства. В живых существах протекают сложнейшие биохимические реакции, сопровождающие процессы жизнедеятельности. Неживые тела выполняют различные функции в природе и жизни биомассы и имеют сложный молекулярный и атомарный состав.
Но все вместе объекты планеты имеют общую особенность: они состоят из множества мельчайших структурных частиц, называемых атомами химических элементов. Настолько мелких, что невооруженным взглядом их не рассмотреть. Что такое химические элементы? Какими характеристиками они обладают и откуда стало известно об их существовании? Попробуем разобраться.
Понятие о химических элементах
В общепринятом понимании химические элементы - это лишь графическое отображение атомов. Частиц, из которых складывается все существующее во Вселенной. То есть на вопрос "что такое химические элементы" можно дать такой ответ. Это сложные маленькие структуры, совокупности всех изотопов атомов, объединенные общим названием, имеющие свое графическое обозначение (символ).
На сегодняшний день известно о 118 элементах, которые открыты как в естественных условиях, так и синтетически, путем осуществления ядерных реакций и ядер других атомов. Каждый из них имеет набор характеристик, свое местоположение в общей системе, историю открытия и название, а также выполняет определенную роль в природе и жизни живых существ. Изучением этих особенностей занимается наука химия. Химические элементы - это основа для построения молекул, простых и сложных соединений, а следовательно, химических взаимодействий.
История открытия
Само понимание того, что такое химические элементы, пришло только в XVII веке благодаря работам Бойля. Именно он впервые заговорил об этом понятии и дал ему следующее определение. Это неделимые маленькие простые вещества, из которых складывается все вокруг, в том числе и все сложные.
До этой работы господствовали взгляды алхимиков, признававшим теорию четырех стихий - Эмпидокла и Аристотеля, а также открывших "горючие начала" (сера) и "металлические начала" (ртуть).
Практически весь XVIII век была распространена совершенно ошибочная теория флогистона. Однако уже в конце этого периода Антуан Лоран Лавуазье доказывает, что она несостоятельна. Он повторяет формулировку Бойля, но при этом дополняет ее первой попыткой систематизации всех известных на тот момент элементов, распределив их на четыре группы: металлы, радикалы, земли, неметаллы.
Следующий большой шаг в понимании того, что такое химические элементы, делает Дальтон. Ему принадлежит заслуга открытия атомной массы. На основе этого он распределяет часть известных химических элементов в порядке возрастания их атомной массы.
Стабильно интенсивное развитие науки и техники позволяет делать ряд открытий новых элементов в составе природных тел. Поэтому к 1869 году - времени великого творения Д. И. Менделеева - науке стало известно о существовании 63 элементов. Работа русского ученого стала первой полной и навсегда закрепившейся классификацией этих частиц.
Строение химических элементов на тот момент установлено не было. Считалось, что атом неделим, что это мельчайшая единица. С открытием явления радиоактивности было доказано, что он делится на структурные части. Практически каждый при этом существует в форме нескольких природных изотопов (аналогичных частиц, но с иным количеством структур нейтронов, от чего меняется атомная масса). Таким образом, к середине прошлого столетия удалось добиться порядка в определении понятия химического элемента.
Система химических элементов Менделеева
В основу ученый положил различие в атомной массе и сумел гениальным образом расположить все известные химические элементы в порядке ее возрастания. Однако вся глубина и гениальность его научного мышления и предвидения заключалась в том, что Менделеев оставил пустые места в своей системе, открытые ячейки для еще неизвестных элементов, которые, по мнению ученого, в будущем будут открыты.
И все получилось именно так, как он сказал. Химические элементы Менделеева с течением времени заполнили все пустые ячейки. Была открыта каждая предсказанная ученым структура. И теперь мы можем смело говорить о том, что система химических элементов представлена 118 единицами. Правда, три последних открытия пока еще официально не подтверждены.
Сама по себе система химических элементов отображается графически таблицей, в которой элементы располагаются согласно иерархичности их свойств, зарядам ядер и особенностям строения электронных оболочек их атомов. Так, имеются периоды (7 штук) - горизонтальные ряды, группы (8 штук) - вертикальные, подгруппы (главная и побочная в пределах каждой группы). Чаще всего отдельно в нижние слои таблицы выносятся два ряда семейств - лантаноиды и актиноиды.
Атомная масса элемента складывается из протонов и нейтронов, совокупность которым имеет название "массовое число". Количество протонов определяется очень просто - оно равно порядковому номеру элемента в системе. А так как атом в целом - система электронейтральная, то есть не имеющая вообще никакого заряда, то количество отрицательных электронов всегда равно количеству положительных частиц протонов.
Таким образом, характеристика химического элемента может быть дана по его положению в периодической системе. Ведь в ячейке описано практически все: порядковый номер, а значит, электроны и протоны, атомная масса (усредненное значение всех существующих изотопов данного элемента). Видно, в каком периоде находится структура (значит, на стольких слоях будут располагаться электроны). Также можно предсказать количество отрицательных частиц на последнем энергетическом уровне для элементов главных подгрупп - оно равно номеру группы, в которой располагается элемент.
Количество нейтронов можно рассчитать, если вычесть из массового числа протоны, то есть порядковый номер. Таким образом, можно получить и составить целую электронно-графическую формулу для каждого химического элемента, которая будет в точности отражать его строение и показывать возможные и проявляемые свойства.
Распространение элементов в природе
Изучением этого вопроса занимается целая наука - космохимия. Данные показывают, что распределение элементов по нашей планете повторяет такие же закономерности во Вселенной. Главным источником ядер легких, тяжелых и средних атомов являются ядерные реакции, происходящие в недрах звезд - нуклеосинтез. Благодаря этим процессам Вселенная и космическое пространство снабдили нашу планету всеми имеющимися химическими элементами.
Всего из известных 118 представителей в естественных природных источниках людьми были обнаружены 89. Это основополагающие, самые распространенные атомы. Химические элементы также были синтезированы искусственно, путем бомбардировки ядер нейтронами (нуклеосинтез в лабораторных условиях).
Самыми многочисленными считаются простые вещества таких элементов, как азот, кислород, водород. Углерод входит в состав всех органических веществ, а значит, также занимает лидирующие позиции.
Классификация по электронному строению атомов
Одна из самых распространенных классификаций всех химических элементов системы - это распределение их на основе электронного строения. По тому, сколько энергетических уровней входит в состав оболочки атома и который из них содержит последние валентные электроны, можно выделить четыре группы элементов.
S-элементы
Это такие, у которых последней заполняется s-орбиталь. К этому семейству относятся элементы первой группы главной подгруппы (или Всего один электрон на внешнем уровне определяет схожие свойства этих представителей как сильных восстановителей.
Р-элементы
Всего 30 штук. Валентные электроны располагаются на р-подуровне. Это элементы, формирующие главные подгруппы с третьей по восьмую группу, относящиеся к 3,4,5,6 периодам. Среди них по свойствам встречаются как металлы, так и типичные неметаллические элементы.
d-элементы и f-элементы
Это переходные металлы с 4 по 7 большой период. Всего 32 элемента. Простые вещества могут проявлять как кислотные, так и основные свойства (окислительные и восстановительные). Также амфотерные, то есть двойственные.
К f-семейству относятся лантаноиды и актиноиды, у которых последние электроны располагаются на f-орбиталях.
Вещества, образуемые элементами: простые
Также все классы химических элементов способны существовать в виде простых или сложных соединений. Так, простыми принято считать такие, которые образованы из одной и той же структуры в разном количестве. Например, О 2 - кислород или дикислород, а О 3 - озон. Такое явление носит название аллотропии.
Простые химические элементы, формирующие одноименные соединения, характерны для каждого представителя периодической системы. Но не все они одинаковы по проявляемым свойствам. Так, существуют простые вещества металлы и неметаллы. Первые образуют главные подгруппы с 1-3 группу и все побочные подгруппы в таблице. Неметаллы же формируют главные подгруппы 4-7 групп. В восьмую основную входят особые элементы - благородные или инертные газы.
Среди всех открытых на сегодня простых элементов известны при обычных условиях 11 газов, 2 жидких вещества (бром и ртуть), все остальные - твердые.
Сложные соединения
К таковым принято относить все, которые состоят из двух и более химических элементов. Примеров масса, ведь химических соединений известно более 2 миллионов! Это соли, оксиды, основания и кислоты, сложные комплексные соединения, все органические вещества.
Химические элементы - см. Элементы, Вес атомов, Периодическая законность, Химия и Лавуазье … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Синтезированные химические элементы - Синтезированные (искусственные) химические элементы элементы, впервые идентифицированные как продукт искусственного синтеза. Часть из них (тяжёлые трансурановые элементы, все трансактиноиды), по видимому, отсутствует в природе; другие… … Википедия
ЭЛЕМЕНТЫ-ПРИМЕСИ - химические элементы, присутствующие в минералах других элементов в виде изоморфных примесей или тонких механических включений; иногда извлекаются в качестве попутных или даже основных (напр., золото из пирита) компонентов. В число элементов… … Большой Энциклопедический словарь
ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА - химические элементы и соединения, их смеси, как натуральные, так и искусственные, а также готовые изделия, содержащие в своем составе Х. в., способные оказать вредное воздействие на человека при нормальных или непредсказуемых условиях их… … Российская энциклопедия по охране труда
элементы петрогенные - Главнейшие химические элементы, образующие горные породы; к ним относятся наиболее распространенные элементы земной коры (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, К и др). [Словарь геологических терминов и понятий. Томский Государственный Университет] Тематики… … Справочник технического переводчика
ЭЛЕМЕНТЫ БИОФИЛЬНЫЕ - поглощаемые из геохим. среды (почвы, воды) организмами и используемые в процессах жизнедеятельности. К ним относятся: макроэлементы N, С, О, Н, Са, Mg, Na, К, Р, S, Cl, Si, Fe и микроэлементы Сu, Со, Mn, Zn, V, Ni, Mo, Sr, В, Se, F, Br, I. Кроме… … Геологическая энциклопедия
Элементы зольные - химические элементы, входящие в состав золы растений и животных. Обычно это все элементы, которые могут находиться в растениях и животных, кроме углерода, водорода, кислорода и азота; последние не входят в состав золы, так как улетучиваются при… … Толковый словарь по почвоведению
ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ - простейшая форма материи, которая может быть идентифицирована химическими методами. Это составные части простых и сложных веществ, представляющие собой совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра атома определяется числом протонов в … Энциклопедия Кольера
Элементы химические - Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева H … Википедия
элементы-примеси - химические элементы, присутствующие в минералах других элементов в виде изоморфных примесей или тонких механических включений; иногда извлекаются в качестве попутных или даже основных (например, золото из пирита) компонентов. В число элементов… … Энциклопедический словарь
Книги
- Химические элементы , Вайткене Любовь Дмитриевна , Fe, Au, Cu Феррум, аурум, купрум Ты еще не знаешь, что означают эти слова, но очень хотел бы узнать? Тогда эта книга твой верный помощник в освоении такой непростой науки, как химия. Прочитав… Категория: Для детей Серия: Для самых любознательных Издатель: АСТ , Производитель: АСТ , Купить за 987 грн (только Украина)
- Химические элементы , Вайткене Л. , Fe, Au, Cu... Феррум, аурум, купрум... Ты еще не знаешь, что означают эти слова, но очень хотел бы узнать? Тогда эта книга - твой верный помощник в освоении такой непростой науки, как химия.… Категория:
Все мы знаем, что водород наполняет нашу Вселенную на 75%. Но знаете ли вы, какие еще есть химические элементы, не менее важные для нашего существования и играющие значительную роль для жизни людей, животных, растений и всей нашей Земли? Элементы из этого рейтинга формируют всю нашу Вселенную!
10. Сера (распространенность относительно кремния – 0.38)
Этот химический элемент в таблице Менделеева значится под символом S и характеризуется атомным номером 16. Сера очень в природе.
9. Железо (распространенность относительно кремния – 0.6)
Обозначается символом Fe, атомный номер – 26. Железо очень часто встречается в природе, особенно важную роль оно играет в формировании внутренней и внешней оболочки ядра Земли.
8. Магний (распространенность относительно кремния – 0.91)
В таблице Менделеева магний можно найти под символом Mg, и его атомный номер – 12. Что самое удивительное в этом химическом элементе, так это то, что он чаще всего выделяется при взрыве звезд в процессе их преобразования в сверхновые тела.
7. Кремний (распространенность относительно кремния – 1)
Обозначается как Si. Атомный номер кремния – 14. Этот серо-голубой металлоид очень редко встречается в земной коре в чистом виде, но довольно распространен в составе других веществ. Например, его можно обнаружить даже в растениях.
6. Углерод (распространенность относительно кремния – 3.5)
Углерод в таблице химических элементов Менделеева значится под символом С, его атомный номер – 6. Самой знаменитой аллотропной модификацией углерода являются одни из самых желанных драгоценных камней в мире – алмазы. Углерод активно применяют и в других в промышленных целях более будничного назначения.
5. Азот (распространенность относительно кремния – 6.6)
Символ N, атомный номер 7. Впервые открытый шотландским врачом Дэниелом Рутерфордом (Daniel Rutherford), азот чаще всего встречается в форме азотной кислоты и нитратов.
4. Неон (распространенность относительно кремния – 8.6)
Обозначается символом Ne, атомный номер - 10. Не секрет, что именно этот химический элемент ассоциируется с красивым свечением.
3. Кислород (распространенность относительно кремния – 22)
Химический элемент под символом О и с атомным номером 8, кислород незаменим для нашего существования! Но это не значит, что он присутствует только на Земле и служит только для человеческих легких. Вселенная полна сюрпризов.
2. Гелий (распространенность относительно кремния – 3.100)
Символ гелия – He, атомный номер – 2. Он бесцветен, не имеет запаха и вкуса, не ядовит, и его точка кипения – самая низкая среди всех химических элементов. А еще благодаря ему шарики взмывают ввысь!
1. Водород (распространенность относительно кремния – 40.000)
Истинный номер один в нашем списке, водород находится в таблице Менделеева под символом Н и обладает атомным номером 1. Это самый легкий химический элемент периодической таблицы и самый распространенный элемент во всей изученной человеком Вселенной.
