Химический элемент

Химический элемент — чистое вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра^[1]. Химические элементы не могут быть разложены на более простые вещества химическим методом и представляют собой основные строительные блоки материи. Атом является основной частицей, представляющей химический элемент. Каждый химический элемент характеризуется зарядом атомного ядра, то есть числом входящих в ядро атома протонов. Заряд атомного ядра определяет уникальный атомный номер химического элемента. Например, у углерода атомный номер 6, а значит заряд ядра — +6, то есть ядро атома углерода содержит шесть протонов. У каждого химического элемента есть своё латинское название и химический символ, регламентируемые ИЮПАК. Каждый химический элемент занимает своё место в Периодической системе химических элементов (таблице Д. И. Менделеева) в соответствии с атомным номером элемента.

Формой существования химических элементов в природе являются простые вещества. Один химический элемент может существовать в виде нескольких простых веществ, отличающихся друг от друга числом составляющих молекулу атомов (например, кислород O₂ и озон O₃ — см. Аллотропия), типом кристаллической решётки (см. Полиморфизм) и другими свойствами. Известно свыше 500 простых веществ^[1].

Среди известных на сегодня 118^[2] химических элементов только 94 встречаются в природе, остальные 24 получены искусственным путем в результате ядерных реакций. За исключением нестабильных радиоактивных элементов (радионуклидов), которые быстро распадаются, почти все элементы в том или ином количестве доступны для промышленного применения. Исследования в области открытия и синтеза новых химических элементов не прекращаются^[3].

История развития понятия «Химический элемент»

Другого ничего в природе нет
ни здесь, ни там, в космических глубинах:
всё — от песчинок малых до планет —
из элементов состоит единых...
Кипит железо, серебро, сурьма
и тёмно-бурые растворы брома,
и кажется вселенная сама
одной лабораторией огромной...
Будь то вода, что поле оросила,
будь то железо, медь или гранит —
всё страшную космическую силу,
закованную в атомы, хранит.Степан Щипачёв, Выдержки из стихотворения «Читая Менделеева», 1948 год

Античные представления о стихии и первоначальных веществах

В древности, уходящей корнями в философские школы Древней Греции и индийскую философию, представления о природе вещества базировались на концепции стихий и первоначальных элементов. Древние философы, такие как Эмпедокл, Анаксагор, и Демокрит, предполагали существование базовых строительных блоков, неразделимых и постоянных. Эти идеи заложили основы для последующего формирования понятия химических элементов.

Эмпедокл и идея четырех элементов

Эмпедокл внес свой вклад, предложив теорию четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Он считал, что все вещества состоят из различных комбинаций этих элементов, и изменения состояний вещества объясняются их взаимодействием.

Алхимия и поиски философского камня

Средневековая алхимия внесла свой вклад в развитие представлений о веществах и их преобразованиях. Алхимики стремились не только к трансформации металлов в золото, но и к поиску «философского камня» — вещества, способного изменять свойства других веществ. Эти поиски стали первым шагом в сторону систематического изучения химических превращений.

Развитие химической теории в XVII—XIX веках

С развитием научного метода в XVII веке началась эра систематического изучения химии. Классическая химия Антуана Лавуазье и Йозефа Проста в XVIII веке привела к формулировке законов сохранения массы и постоянства состава в химических реакциях.

Вклад Д. И. Менделеева и создание периодической системы элементов

Д. И. Менделеев

Переворот в понимании химических элементов произошел с работой Дмитрия Ивановича Менделеева. В 1869 году он представил периодическую систему элементов, упорядочив их по возрастанию атомных масс и предвидев свойства еще не открытых элементов. Это открытие выявило систему, лежащую в основе всех химических элементов и открыло двери для понимания их свойств и взаимосвязей. Менделеев стал ключевой фигурой, установившей основы для современного понимания химических элементов и их роли в химии и физике.

Основные характеристики химического элемента

Атомная структура

Протоны, нейтроны и электроны

Атом, как основная структурная единица химического элемента, состоит из трех основных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны составляют ядро атома. Протоны имеют положительный электрический заряд, в то время как нейтроны зарядом не обладают. Электроны обладают отрицательным зарядом и находятся на электронных оболочках вокруг ядра атома.

Электронные оболочки

Электронные оболочки атомов представляют собой энергетические уровни, на которых расположены электроны. Оболочки могут содержать различное количество электронов. Они описывают различные энергетические состояния атома.

Химические свойства

Валентность и химические связи

Химическая активность элемента определяется его валентностью — числом электронов на внешней электронной оболочке. Элементы стремятся стабилизироваться, заполняя свою внешнюю электронную оболочку за счет образования химических связей. Валентность определяет количество химических связей, которыми элемент способен соединиться с другими атомами, образуя молекулы или кристаллические решетки.

Реакционная способность

Реакционная способность химического элемента характеризует его способность вступать в химические реакции. Элементы в нестабильном состоянии (ионизация) или имеющие высокую энергию внешней оболочки, более реакционноспособны. Данная характеристика существенна для понимания, как элементы взаимодействуют между собой в химических процессах.

Периодическая система элементов

Основные принципы

Порядковый номер элемента

В периодической системе элементы располагаются в порядке возрастания их атомного номера. Атомный номер соответствует количеству протонов в ядре атома и служит основой для систематизации элементов. К августу 2024 года было получено 118 химических элементов.

Группы и периоды

В периодической системе элементы разделены на горизонтальные строки, называемые периодами, и вертикальные столбцы, называемые группами или семействами. В периоде свойства химических элементов изменяются за счет изменения конфигурации внешней электронной оболочки, приводящей к изменению атомного радиуса, электроотрицательности и других свойств. В рамках группы химические элементы имеют схожие химические свойства, поскольку элементы в одной группе имеют аналогичную конфигурацию внешней электронной оболочки. Например, щелочные металлы (I группа) обладают схожими химическими свойствами, такими как активное взаимодействие с водой.

Значение периодической системы для понимания химических свойств элементов

Периодическая система является ключевым инструментом для классификации и понимания химических свойств элементов. Ее структура отражает законы изменения свойств элементов в зависимости от их атомных номеров и позволяет делать прогнозы о химическом поведении новых, ранее не открытых элементов.

Области применения химических элементов

Промышленность

Металлургия

Металлургия — одна из ключевых областей использования химических элементов. Металлы, такие как железо, алюминий, медь и титан широко используются для производства сталей, сплавов и других материалов, необходимых в строительстве, автомобильной промышленности, электронике.

Химическая промышленность

Химическая промышленность широко использует химические элементы (простые вещества) для создания различных химических соединений и продуктов, включая синтез пластиков, удобрений, лекарственных веществ, красителей и других химических веществ, которые находят применение в промышленности и повседневной жизни.

Медицина

Применение элементов в лекарственных препаратах и диагностике

Кальций, фосфор и железо необходимы для формирования костей и гемоглобина. Лекарственные препараты позволяют регулировать и поддерживать необходимое количество микроэлементов для правильного функционирования организма. Радиоактивные элементы, такие как технеций, стронций и радий, применяются в диагностике и терапии рака.

Радиоактивные элементы в медицинских технологиях

Радиоизотопы используются для формирования изображений в медицинской диагностике, например, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Изучение и открытие новых элементов

Десять ископаемых материалов, известных в различных культурах ещё с доисторических времён, сейчас мы уже можем отнести к простым веществам, представляющим отдельные химические элементы: железо, золото, медь, олово, ртуть, свинец, сера, серебро, углерод и цинк. К началу XVI века были выделены и использовались ещё три простых вещества: висмут, мышьяк и сурьма. А к 1750 году список пополнился кобальтом, платиной и фосфором.

К 1900 году были выделена и охарактеризована большая часть оставшихся химических элементов природного происхождения, включая:

такие распространённые в наши дни промышленные материалы, как алюминий, вольфрам, кремний, магний, никель и хром;
реакционноспособные металлы литий, натрий, калий, кальций;
галогены — фтор, хлор, бром и иод;
газы — водород, кислород, азот, гелий, аргон, неон;
большинство редкоземельных элементов, включая церий, лантан, гадолиний и неодим;
наиболее распространённые радиоактивные элементы, включая уран, торий, радий и радон.

К элементам, выделенным или полученным после 1900 года, относятся:

три ранее не открытых, но стабильных природных элемента — гафний, лютеций и рений;
плутоний, который был синтезирован Гленном Сиборгом в 1940 году, а уже после этого обнаруженный в природе;
три полученных синтетическим путем элемента — нептуний, прометий и технеций, которые к настоящему времени также обнаружены в следовых количествах в некоторых геологических образцах;
четыре продукта распада урана и тория (астат, франций, актиний и протактиний, а также различные другие синтетические трансурановые элементы, начиная с америция и кюрия.

Способы обнаружения и идентификации новых элементов

Новые химические элементы обычно синтезируются в лабораторных условиях путем облучения атомов одного элемента частицами другого. Одним из способов является использование ускорителей частиц, которые позволяют создавать условия, приближенные к тем, которые существуют в звездах. Идентификация новых элементов включает использование различных методов анализа, таких как масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализ и измерение радиоактивности. Эти методы помогают уточнить физические и химические свойства вновь открытых элементов.

Значение открытия новых элементов для науки и технологии

Расширение знаний о структуре материи

Открытие новых элементов расширяет наше понимание структуры материи и фундаментальных законов физики и химии. Каждый новый элемент представляет собой уникальный кусочек паззла в широкой картине строения вещества.

Возможности для создания новых материалов

Новые элементы могут быть использованы для создания новых материалов с уникальными свойствами. Это может привести к разработке более эффективных материалов для использования в различных отраслях, таких как электроника, медицина и энергетика.

Научно-технологический прогресс

Исследование и открытие новых элементов стимулирует развитие научных технологий и методов анализа. Эти технологии, впоследствии, могут найти применение в других областях науки и промышленности.

Последние пять открытых элементов и даты их открытия
Ливерморий, 2000^[4]
Оганессон, 2002^[5]
Московий, 2003^[6]
Нихоний, 2003-2004^[7]
Теннессин, 2009^[8]

Важность изучения химических элементов в современном мире

Роль в технологическом прогрессе

Химические элементы играют ключевую роль в технологическом прогрессе. От их свойств зависит создание новых материалов, электронных устройств, лекарств, и многих других технологических инноваций, формируя основу для развития современной промышленности и инфраструктуры.

Понимание природных процессов

Изучение химических элементов содействует пониманию окружающей среды и ее взаимодействия с человечеством. Элементы участвуют в геохимических процессах, воздействуя на состав почвы, воды и атмосферы. Понимание этого взаимодействия является ключом к устойчивому управлению природными ресурсами.

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — 2-е изд.. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 707. — 792 с. — ISBN 5-85270-253-6.
↑ IUPAC announces the names of the elements 113, 115, 117, and 118 (англ.). IUPAC. IUPAC (30 ноября 2016). Дата обращения: 4 ноября 2023.
↑ Кузнецова, Арина. В лаборатории ОИЯИ рассказали, когда заполнят три пустые клетки на самой большой таблице Менделеева в Дубне (рус.). Вести Дубны (29 июня 2023). Дата обращения: 4 ноября 2023.
↑ Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., Abdullin F. Sh., Polyakov A. N., Shirokovsky I. V., Tsyganov Yu. S., Gulbekian G. G., Bogomolov S. L., Gikal B., Mezentsev A., Iliev S., Subbotin V., Sukhov A., Ivanov O., Buklanov G., Subotic K., Itkis M., Moody K., Wild J., Stoyer N., Stoyer M., Lougheed R., Laue C., Karelin Ye., Tatarinov A. Observation of the decay of ²⁹²116 (англ.) // Physical Review C. — 2000. — 6 December (vol. 63, no. 1). — P. 011301. — doi:10.1103/PhysRevC.63.011301.
↑ Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., Abdullin F. Sh., Polyakov A. N., Sagaidak R. N., Shirokovsky I. V., Tsyganov Yu. S., Voinov A. A., Gulbekian G., Bogomolov S., Gikal B., Mezentsev A., Iliev S., Subbotin V., Sukhov A., Subotic K., Zagrebaev V., Vostokin G., Itkis M., Moody K., Patin J., Shaughnessy D., Stoyer M., Stoyer N., Wilk P., Kenneally J., Landrum J., Wild J., Lougheed R. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the ²⁴⁹Cf and ²⁴⁵Cm+⁴⁸Ca fusion reactions (англ.) // Physical Review C. — 2006. — 9 October (vol. 74). — P. 044602. — doi:10.1103/PhysRevC.74.044602.
↑ Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Dmitriev S. N., Lobanov Yu. V.,Itkis M. G., Polyakov A. N., Tsyganov Yu. S., Mezentsev A. N., Yeremin A. V., Voinov A. A., Sokol E. A., Gulbekian G. G., Bogomolov S. L., Iliev S., Subbotin V. G., Sukhov A. M., Buklanov G. V., Shishkin S. V., Chepygin V. I., Vostokin G. K., Aksenov N. V., Hussonnois M., Subotic K., Zagrebaev V. I., Moody K. J., Patin J. B., Wild J. F., Stoyer M. A., Stoyer N. J., Shaughnessy D. A., Kenneally J. M., Wilk P. A., Lougheed R. W., Gäggeler H. W., Schumann D., Bruchertseifer H., Eichler R. Synthesis of elements 115 and 113 in the reaction ²⁴³Am + ⁴⁸Ca (англ.) // Physical Review C. — 2005. — 29 September (vol. 72, no. 3). — P. 034611. — doi:10.1103/PhysRevC.72.034611.
↑ Morita K., Morimoto K., Kaji D., Akiyama T., Goto S., Haba H., Ideguchi E., Kanungo R., Katori K., Koura H., Kudo H., Ohnishi T., Ozawa A., Suda T., Sueki K., Xu H., Yamaguchi T., Yoneda A., Yoshida A., Zhao Yu. Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction ²⁰⁹Bi(⁷⁰Zn,n)²⁷⁸113 (англ.) // Journal of the Physical Society of Japan. — 2004. — Vol. 73. — P. 2593—2596. — doi:10.1143/JPSJ.73.2593.
↑ Oganessian Yu. Ts., Abdullin F. Sh., Bailey P. D., Benker D. E., Bennett M. E., Dmitriev S. N., Ezold J. G., Hamilton J. H., Henderson R. A., Itkis M. G., Lobanov Yu. V., Mezentsev A. N., Moody K. J., Nelson S. L., Polyakov A. N., Porter C. E., Ramayya A. V., Riley F. D., Roberto J. B., Ryabinin M. A., Rykaczewski K. P., Sagaidak R. N., Shaughnessy D. A., Shirokovsky I. V., Stoyer M. A., Subbotin V. G., Sudowe R., Sukhov A. M., Tsyganov Yu. S., Utyonkov V. K., Voinov A. A., Vostokin G. K., Wilk P. A. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 (англ.) // Physical Review Letters. — 2010. — 9 April (vol. 104, no. 14). — P. 142502. — doi:10.1103/PhysRevLett.104.142502.

Литература

Кедров Б. М. Эволюция понятия элемента в химии. — М.: Издательство Академии педагогических наук РСФСР, 1956. — 360 с.
Леенсон И. А. Химические элементы. Популярный иллюстрированный гид. — М.: АСТ, 2021. — 192 с. — (Популярный иллюстрированный гид). — ISBN 978-5-17-136594-3.
Диогенов Г. Г. История открытия химических элементов (Краткие очерки). — М.: Учпедгиз, 1960. — 232 с.

[:0-1] 1,0 ^1,1 Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — 2-е изд.. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 707. — 792 с. — ISBN 5-85270-253-6.

[2] IUPAC announces the names of the elements 113, 115, 117, and 118 (англ.). IUPAC. IUPAC (30 ноября 2016). Дата обращения: 4 ноября 2023.

[3] Кузнецова, Арина. В лаборатории ОИЯИ рассказали, когда заполнят три пустые клетки на самой большой таблице Менделеева в Дубне (рус.). Вести Дубны (29 июня 2023). Дата обращения: 4 ноября 2023.

[4] Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., Abdullin F. Sh., Polyakov A. N., Shirokovsky I. V., Tsyganov Yu. S., Gulbekian G. G., Bogomolov S. L., Gikal B., Mezentsev A., Iliev S., Subbotin V., Sukhov A., Ivanov O., Buklanov G., Subotic K., Itkis M., Moody K., Wild J., Stoyer N., Stoyer M., Lougheed R., Laue C., Karelin Ye., Tatarinov A. Observation of the decay of ²⁹²116 (англ.) // Physical Review C. — 2000. — 6 December (vol. 63, no. 1). — P. 011301. — doi:10.1103/PhysRevC.63.011301.

[5] Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Lobanov Yu. V., Abdullin F. Sh., Polyakov A. N., Sagaidak R. N., Shirokovsky I. V., Tsyganov Yu. S., Voinov A. A., Gulbekian G., Bogomolov S., Gikal B., Mezentsev A., Iliev S., Subbotin V., Sukhov A., Subotic K., Zagrebaev V., Vostokin G., Itkis M., Moody K., Patin J., Shaughnessy D., Stoyer M., Stoyer N., Wilk P., Kenneally J., Landrum J., Wild J., Lougheed R. Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the ²⁴⁹Cf and ²⁴⁵Cm+⁴⁸Ca fusion reactions (англ.) // Physical Review C. — 2006. — 9 October (vol. 74). — P. 044602. — doi:10.1103/PhysRevC.74.044602.

[6] Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Dmitriev S. N., Lobanov Yu. V.,Itkis M. G., Polyakov A. N., Tsyganov Yu. S., Mezentsev A. N., Yeremin A. V., Voinov A. A., Sokol E. A., Gulbekian G. G., Bogomolov S. L., Iliev S., Subbotin V. G., Sukhov A. M., Buklanov G. V., Shishkin S. V., Chepygin V. I., Vostokin G. K., Aksenov N. V., Hussonnois M., Subotic K., Zagrebaev V. I., Moody K. J., Patin J. B., Wild J. F., Stoyer M. A., Stoyer N. J., Shaughnessy D. A., Kenneally J. M., Wilk P. A., Lougheed R. W., Gäggeler H. W., Schumann D., Bruchertseifer H., Eichler R. Synthesis of elements 115 and 113 in the reaction ²⁴³Am + ⁴⁸Ca (англ.) // Physical Review C. — 2005. — 29 September (vol. 72, no. 3). — P. 034611. — doi:10.1103/PhysRevC.72.034611.

[7] Morita K., Morimoto K., Kaji D., Akiyama T., Goto S., Haba H., Ideguchi E., Kanungo R., Katori K., Koura H., Kudo H., Ohnishi T., Ozawa A., Suda T., Sueki K., Xu H., Yamaguchi T., Yoneda A., Yoshida A., Zhao Yu. Experiment on the Synthesis of Element 113 in the Reaction ²⁰⁹Bi(⁷⁰Zn,n)²⁷⁸113 (англ.) // Journal of the Physical Society of Japan. — 2004. — Vol. 73. — P. 2593—2596. — doi:10.1143/JPSJ.73.2593.

[8] Oganessian Yu. Ts., Abdullin F. Sh., Bailey P. D., Benker D. E., Bennett M. E., Dmitriev S. N., Ezold J. G., Hamilton J. H., Henderson R. A., Itkis M. G., Lobanov Yu. V., Mezentsev A. N., Moody K. J., Nelson S. L., Polyakov A. N., Porter C. E., Ramayya A. V., Riley F. D., Roberto J. B., Ryabinin M. A., Rykaczewski K. P., Sagaidak R. N., Shaughnessy D. A., Shirokovsky I. V., Stoyer M. A., Subbotin V. G., Sudowe R., Sukhov A. M., Tsyganov Yu. S., Utyonkov V. K., Voinov A. A., Vostokin G. K., Wilk P. A. Synthesis of a New Element with Atomic Number Z=117 (англ.) // Physical Review Letters. — 2010. — 9 April (vol. 104, no. 14). — P. 142502. — doi:10.1103/PhysRevLett.104.142502.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]