Как открывались химические элементы и создавалась Периодическая система 

 Элемент и простое вещество

Элемент в обычном понимании — составная часть чего-нибудь. Уже в древности считали, что как слова состоят из букв, так и тела — из элементов. Французский химик А. Лавуазье применял термины «элемент» и «простое тело» как равнозначные. Д. И. Менделеев начал разделять эти термины. Он писал: «Понятия и слова простое тело и элемент нередко смешивают между собою... Простое тело есть вещество... с рядом физических признаков и химических реакций... Под именем элементов должно подразуме­вать те материальные составные части простых и сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и хими­ческих свойств... Углерод есть элемент, а уголь, графит и алмаз суть тела простые».

Простое вещество — это форма существования конкретного химического элемента в том или ином агрегатном состояний. Химический же элемент — это один атом или их разрозненная совокупность с одним и тем же зарядом ядра, с одним и тем же числом протонов в ядре. Когда между атомами одного и того же химического элемента появляются химические связи, то совокупность химически связанных атомов — уже простое вещество.

Элементы по Аристотелю

Аристотель (384—322 гг. до н. э.) был почти 20 лет учеником знаменитого философа и математика Платона и только в возрасте 37 лет покинул стены платоновской школы, чтобы стать учителем Александра Македонского. В 335 г. до н. э. он основал в Афинах свою фило­софскую школу — Ликей. В то время философы не имели ни­какого понятия о химических элементах, хотя им были изве­стны семь металлов и два неметалла — уголь и сера. Аристотель создал первую картину мира. Он был уверен, что первоосновой всего суще­ствующего является какая-то единая первоматерия, находящаяся в разных состояниях, появляющихся при комбинациях четырех стихий или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Стихия земли может находиться в сухом и холодном состояниях, стихия воды — в холодном и влажном состояниях, и т. д. К четырем элементам Аристотель позднее присоединил пятый — эфир, из ко­торого, как он полагал, состоят небеса, звезды и планеты. По его мнению, все шесть металлов образовались из ртути путем присоединения к ней того или иного элемента — земли, воды, воздуха или огня.

Первый металл человека

 Знаете ли вы:

С каким первым металлом познакомился человек еще в эпоху ка­менного века? Что из ртути можно получить золото?

Считают, что золото и железо были первыми металлами, знакомыми человеку еще в каменном веке. Золото встречается в природе в самородном состоянии, а железо было металлом, «упавшим с неба», метеоритным железом. В Древнем Египте железо называли «бе-нипет», что означало в буквальном переводе «небесный металл». За три тысячелетия до нашей эры человечеству уже были известны семь металлов, получивших название «семь металлов древности»: золото Аu, железо Fe, серебро Ag, медь Сu, свинец Рb, олово Sn и ртуть Hg.

В IV в. до н. э. в Индии и Египте ртуть Hg и сера S были, по древним представлениям, как бы «родительской парой», порождавшей все металлы и минералы. Ртуть рассматривалась как символ металличности, как «душа металла» и «корень всех веществ». Поэтому ртуть называли в то время меркурием по имени ближайшей к Солнцу — золоту — планеты Меркурий. Отсюда и про­изошло название сложных соединений ртути — меркураты (например, тетраиодомеркурат калия K₂[HgI₄]).

Уже в нашем столетии выяснилось, что природная ртуть и ртуть, получаемая из минерала киновари, сульфида ртути HgS, всегда содержит примесь золота в большем или меньшем количестве. Ртуть образует с золотом ряд соединений: Au₃Hg, Au₂Hg, AuHg₂ и др. Некоторые из этих соединений способны переходить вместе с ртутью в пар и затем в ее конденсат. Поэтому от примеси золота ртуть не освобождается даже после многократной повторной перегонки. Только при длительном электрическом разряде в парах ртути можно выделить на стенках реакционной трубки черный налет мелкораздробленного золота. Это явление послужило причиной возрождения 60—70 лет тому назад старой алхимической версии о возможности превращения ртути в золото. Увы, золото было только примесью в ртути. Золото Аu в исчезающе малых количествах можно получить из ртути Hg только в ядерных реак­циях. Например, из радиоактивного изотопа ртути-197 в ядерной реакции

¹⁹⁷₈₀Hg(K, e, γ) → ¹⁹⁷₇₉Au,

в которой в результате захвата ядром электрона (К-захват) один из протонов ядра превращается в нейтрон n° с излучением фотона γ:

р⁺ + е = n° + γ.

Порядковый или атомный номер?

Порядковый номер и атомный номер химического элемента — синонимы, совпадающие понятия. В Периодической системе Менделеева элементы располагаются в порядке возрастания их номеров, начиная с водорода Н, порядковый или атомный номер которого равен единице. Порядковый номер элемента равен заряду ядер его атомов в единицах элементарного электрического заряда или числу протонов в ядре, а для нейтрального атома - числу электронов в нем.

Термин «порядковый номер элемента» впервые ввел в употребление английский химик Ньюлендс в 1875 г. без какого-либо физического смысла. Этот термин вначале не имел никакого отношения к Периодической системе Менделеева. Термин «атомный номер элемента» ввел в употребление английский физик Эрнст Резерфорд в 1913 г. вместо термина «порядковый номер элемента» и настойчиво его внедрял. Так как Периодическая система Менделеева — это система химических элементов, а не атомов, их составляющих, то в настоящее время предпочтение отдается термину «порядковый номер элемента».

Если символ элемента Э, то порядковый номер элемента Z обозначается подстрочным индексом слева от символа, а массовое число А, или число нуклонов в ядрах элемента — надстрочным индексом слева, например ^A_ZЭ. Для изотопа золота-197 обозначение будет таким: ¹⁹⁷₇₉Аu, где 197 —массовое число А, 79 — порядковый номер Z.

«Вымирают» ли химические элементы?

Все вещества Земли образовались преимущественно из устойчивых атомов химических элементов. Но кроме них в земной коре, гидросфере и атмосфере присутствуют исчезающе малые количе­ства радиоактивных элементов, таких как франций Fr, актиний Ас, технеций Тс, радон Rn, астат At, полоний Ро и некоторых других, которые относят к «вы­мершим» элементам. На ранних этапах формирования Земли их было много, но вследствие радиоактивного распада они постепенно превратились в устойчивые атомы ныне существующих элементов. В частности, технеций, элемент VIIБ группы Периодической систе­мы, существовавший около 4 млрд. лет тому назад, исчез в резуль­тате радиоактивного распада: Тс-99 (е) Ru-99. Обнаруживаемые в некоторых минералах следы технеция порядка 10^-9 г/кг — резуль­тат радиоактивного распада урана U и воздействия космических нейтронов n° на минералы, содержащие молибден Мо, ниобий Nb и рений Re.

Свои последние дни доживают в современную эпоху атомы калия-40, урана-235, актиния-235, астата-211 и некоторых других радиоактивных элементов.

В частности, было подсчитано, что в каждом килограмме урана через 100 млн. лет образуется 13 г свинца РЬ и 2 г гелия Не. А через 4 млрд. лет урана на Земле не останется. В бывших месторождениях его минералов найдут только соединения свинца, а атмосфера станет богаче гелием.

Что в атмосфере венеры, земли и марса?

Атмосфера Венеры и Марса содержит преимущественно углерод в виде его диоксида СО₂, а атмосфера Земли — азот N₂. В атмосфере Венеры кроме диоксида углерода находятся в небольших количествах еще азот и аргон Аr. В атмосфере Марса после диоксида углерода наиболее распространенными являются диоксид серы SO₂ и азот. В атмосфере Земли кроме азота содержатся кислород О₂ и в очень небольших количествах аргон и диоксид углерода. Считают, что атмосфера Земли в начале ее эволюции состояла из диоксида углерода, а затем стала азотно-кислородной. Практически весь аргон атмосферы Земли образовался в результате радиоактивного распада ядер химического элемента калия-40.

«Сырьё» для образования элементов

Звезды — водородно-гелиевая смесь. Не эта ли смесь — основное «сырье» для образования остальных химических элементов?

Все химические элементы образовались из ядер водорода Н, ко­торый вместе с гелием Не является главной частью космического вещества. Остальные химические элементы могут рассматриваться как малая примесь. Большинство всех звезд, в том числе и наше Солнце, представляют собой водородно-гелиевую смесь. Только в звездах, называемых «белыми карликами», водород в результате ядерных реакций весь «выгорел» и вместо него появились более тяжелые элементы.

«Выгорание» водорода с превращением его в гелий происходит в основном у центра звезды, где температура выше. При этом ядро звезды сжимается, а оболочка расширяется. Температура поверхности звезды падает, и она становится «красным гигантом». В «выгоревшем» и сильно сжавшемся ядре и начинаются ядерные реакции, приводящие к образованию новых химических элементов. Прежде всего с участием ядер бериллия Be образуются атомы углерода С:

⁸₄Ве + ⁴₂Не → ¹²₆C.

Новые ядра легких элементов служат исходным материалом для последующего образования всех тяжелых ядер в процессах нейтронного захвата. Например, образование ядер азота N про­исходит ври захвате нейтронов n° ядрами углерода с выбросом электронов е^-:

¹²₆C + ¹₀n = ¹³₆C = ¹³₇N + e^-.

Непрерывно действующими источниками нейтронов служат ядер­ные реакции типа:

¹³₆C + ⁴₂Не = ¹³₈O +  ¹₀n.

Некоторые химические элементы, видимо, образовались при помо­щи ядерных частиц, ускоренных переменными электромагнитными полями в атмосферах звезд.

Элементы во вселенной

На Земле по убывающей распространенности химические элементы составляют ряд: О, Si, А1, Fe, Ca, ..., Н (9-е место), ..., С (13-е место), ..., Не (78-е место). Распространенность же элементов во Вселенной убывает в ряду: H>He>O>C>Ne>N>Si>S>...

В космосе было обнаружено присутствие аммиака NH₃, воды Н₂О, циановодорода HCN, метанола СН₃ОН, муравьиной кислоты НСООН и даже аминокислот. Среди метеоритов, падающих на Землю, встречаются так называемые углеродистые хондриты, в состав которых входит от 0,5 до 7,0% органических соединений. В частности, в метеорите «Мэрчисон» (Австралия, 1969 г.) было обнаружено 18 различных аминокислот. Поэтому считают, что Образование органических и неорганических соединений — расп­ространенный космический процесс.

Триады Дёберейнера

Иоганн-Вольфганг Дёберейнер (1780—1849), немецкий химик-тех­нолог, свое химическое образование получил, работая помощником аптекаря в ряде городов Германии. Затем он стал владельцем небольшой фабрики медикаментов, но быстро разорился. Скопив капитал, Дёберейнер снова приобрел фабрику по отбеливанию тканей хлором, но в 1808 г. предприятие обанкротилось. Его спас от нищеты друг и покровитель, поэт и философ И.-В. Гёте, воз­главлявший в то время правительство одного из герцогств мании. Гёте предложил Дёберейнеру занять должность профессора химии и фармации в Йенском университете. В 1817 г. Дёберейнер обнаружил, что некоторые элементы, обладавшие общностью химических свойств, можно расположить по возрастанию их атомных масс так, что атомная масса среднего из трех элементов окажется равной примерно среднему арифметическому из суммы атомных масс соседних элементов (правило триад). Он назвал такие семейства элементов триадами. Дёберейнер составил из известных в то время элементов четыре триады: литий Li — натрий Na — калий K; кальций Са — стронций Sr — барий Ва; сера S — селен Se — теллур Те; хлор Сl — бром Вr — иод I.

Работы Дёберейнера послужили началом в создании будущей Периодической системы, хотя взаимная связь триад так и осталась до Менделеева нераскрытой. Правило триад было использовано Менделеевым для классификации химических элементов.

 Менделеев и Мейер

До сих пор в ряде зарубежных стран оспаривается приоритет открытия Периодического закона Менделеевым и преувеличивается роль Мейера в этом открытии. Первооткрывателями Периодиче­ского закона называют Мейера и Менделеева.

Лотар-Юлиус Мейер (1830—1895) — немецкий профессор химии, член-корреспондент Берлинской академии наук, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук с 1890 г., занимался проблемами физиологии, историей химических теорий и отчасти физической химией.

Одно время он пытался расположить химические элементы по возрастанию их степеней окисления. В 1864 г. в книге «Современные теории химии» Мейер предложил располагать элементы по группам, но дальше этого предложения не пошел и понятие «группа элементов» не раскрыл. Только в 1870 г., после опубликования Менделеевым Периодического закона, появилась статья Мейера, в которой он рассмотрел общую систему химических элементов, расположив их по возрастанию атомных масс, что сделал до него еще Ньюлендс.

Сам Мейер признавал приоритет Менделеева в открытии Периодического закона. В одной из своих статей, опубликованных после 1870 г., он писал: «В 1869 г., раньше, чем я высказал свои мысли о периодичности свойств элементов, появился реферат статьи Мен­делеева...» о Периодической системе и Периодическом законе, поз­волявшем предсказывать свойства еще не открытых химических элементов.

Однако позднее, в 1880 г., Мейер опубликовал статью с претензией на приоритет открытия Периодического закона. Менделеев, по этому поводу написал, что «... Лотар Мейер раньше меня не имел в виду периодического закона, а после меня нового ничего к нему не прибавил». Следует добавить, что Мейер считал долгое время основным свойством простых веществ степень окисления, а не атомную массу.

Легче водорода?

Менделеев считал, что легче водорода Н могут быть два химических элемента, пока не обнаруженных в природе: элемент x, названный им ньютонием, и элемент у, которому он дал имя короний. Для ньютония Менделеев ввел в свою систему нулевой период, а элемент короний он поместил в I-й период до водорода. Оба элемента, по его мнению, должны находиться в нулевой группе Периодической системы.

Менделеев полагал, что ньютоний не только наилегчайший, но и химически наиболее инертный химический элемент, обла­дающий высочайшей проникающей способностью. После Менде­леева отдельные исследователи пытались представить в качестве такого химического элемента нейтральную ядерную частицу ней­трон п°. Теперь мы знаем, что в Периодической системе элементов не может быть химических элементов легче водорода.

Феномен позитрония

Получены атомы позитрония, химический символ Ps, и атомы мюония, химический символ Мu. В атомах позитрония вообще нет ядра. Они состоят из электрона е ^- и позитрона е⁺, перемещающихся вокруг некоторого геометрического центра.

Время жизни позитрония невелико, всего 10^-б с. Электрон и позитрон рано или поздно сталкиваются и исчезают, превращаясь в фотоны, кванты энергии. Позитроний может участвовать в раз­личных химических реакциях. Он восстанавливает катионы железа Fe³⁺ до Fe²⁺:

Ps + Fe³⁺ = Fe²⁺ + е⁺,

замещает иод в его молекуле:

Ps + I ₂ = PsI + I,

может присоединяться к атому водорода:

Ps + H = PsH.

Последнее соединение является не двухатомной молекулой, а атомом, в котором в поле действия протона р⁺ находятся два электрона е ^- и позитрон е⁺.

Синтезированы атомы, состоящие из положительно заряжен­ного мюона Мu⁺ и электрона, получившие название атомов мюония. Эти атомы напоминают атомы водорода, только вместо протона в ядре находится мюон с массой покоя в 200 раз большей массы электрона. Мюоний, как и позитроний, нестабилен и существует около  10^-б с. Позитроний и мюоний не относятся к атомам хими­ческих элементов Периодической системы Менделеева.

Какое название химического элемента самое курьезное?

Наверное, все согласятся, что это название элемента № 33 — мышьяка, символ As. Русское название произошло от слова «мышь». Ядовитые препараты мышьяка использовали в старину для истребления мышей и крыс. Не следует думать, что русское название этого элемента является каким-то исключительным. Сербы и хор­ваты называют элемент № 33 «мишомором», азербайджанцы и узбеки — «маргумушем»: «мушь» — мышь, а «мар» — убить. А арабское название «арса наки» означает «глубоко проникающий яд». Это слово созвучно латинскому названию элемента № 33 —«ар-сеникум» и греческому — «арсеникон». Любопытно, что слово «арсен» по-гречески означает «мужественный, сильный». Поэтому в XIX в. выдвигалось предположение, что русское имя элемента происходит не от слова «мышь», а от слова «муж», будто бы существовал на Руси в древние времена термин «мужьяк», и лишь впоследствии он «переродился» в название мышьяк.

Впечатлительные химики

Что больше отражено в названиях химических элементов: цвет простых веществ, их запах или вкус?

Если судить по названиям химических элементов, открытых химиками, то последних больше всего впечатлял цвет простых веществ и цвет спектральных линий в спектрах излучения со­единений новых элементов. Так, хлор Сl в переводе с греческого слова «хлорос» означает желто-зеленый. Иод I получил свое название по цвету своего пара. В переводе с греческого «иодес» означает — фиолетовый. Твердой сере S₈ дали имя, про­изводное от древнеиндийского слова «сира» — светло-желтый цвет. Название элемента родия Rh произошло от греческого слова «родон» — роза, по розовому цвету ряда соединений родия, а иридия Ir — от греческого слова «ирис» — радуга, из-за разнообразия окрас­ки солей иридия. Элемент хром Сr получил свое имя от греческого слова «хрома» — окраска, цвет. Соли хрома почти всегда окрашены.

После изобретения спектроскопа стало возможным устанав­ливать присутствие элемента по набору цветных линий в спектре излучения его соединений. Элемент таллий Тl назван по ярко-зеленой линии с длиной волны 535 нм. Греческое слово «таллос» означает молодую зеленую ветку. Элемент рубидий Rb получил название по двум темно-красным линиям 780 и 795 нм в спектре его солей. Латинское слово «рубидус» означает темно-красный. Название элемента цезия Cs произошло от слова «цезиум», что у древних римлян означало голубой цвет верхней части «небесного свода». В спектре излучения солей цезия обнаружены две голубые линии с длиной волны 455 и 459 нм. Название индий элемент № 49, символ In, получил по цвету синей линии в спектре излучения его солей, имеющей длину волны 451 нм, цвет которой был очень похож на цвет древней синей краски индиго.

Только два элемента названы по запаху их простых веществ: это бром Вr, греческое слово «бромос» означает зловоние, и элемент осмий Os, греческое слово «осме» в переводе означает запах. Тетраоксид осмия OsO₄ имеет резкий запах.

По вкусу простого вещества не назван ни один химический элемент.

Собственные имена изотопов

Изотопы всех химических элементов, кроме изотопов водорода, названий не имеют. Для изотопов же водорода ^A_ZН приняты следующие наименования: ¹₁H — протий ²₁H = D — дейтерий, ³₁Н = Т — тритий. Только четвертый изотоп: ⁴₁H, неизвестный в природе, не получил специального названия и символа.

Ядра первых трех изотопов также носят специальные названия: протон р⁺, дейтрон d и тритон t. Тритий, в отличие от протия и дейтерия, радиоактивен, он испускает мягкие β-лучи с периодом полураспада 12,3 года, превращаясь в атомы гелия ³₂Не. В обычной воде один атом трития приходится на 10¹⁸ атомов протия. Это означает, что во всей гидросфере Земли находится не более 100 кг трития.

Земной тритий — космического происхождения: нейтроны кос­моса превращают атомы азота в атомы углерода и трития:

¹⁴₇N + ¹₀n = ¹²₆C + ³₁H(T).

Искусственный тритий получают в ядерных реакторах при взаимо­действии атомов лития Li с  нейтронами:

⁶₃Li + ¹₀n = ⁷₃Li = ⁴₂He + T.

Естественно радиоактивные

Это калий K и рубидий Rb, создающие ту фоновую радиацию, в которой человечество жило тысячелетиями.

Элемент K (порядковый номер 19), встречающийся в природе в значительном количестве (2,5%) имеет три изотопа: ³⁹K (93,26%), ⁴¹K (6,73%), ⁴⁰К (0,01%). Только последний изотоп радиоактивен. Половина атомов изотопа распадается за 1,3∙10⁹ лет. Такое время называют периодом полураспада:

 ⁴⁰₁₉K = ⁴⁰₂₀Са + е^-;       ⁴⁰₁₉K+е^- = ⁴⁰₁₈Аr.

При распаде ядра ⁴⁰K в 88% случаев испускается электрон е^- и образуется изотоп кальция ⁴⁰₂₀Сa, а в 12% — происходит захват ядром электрона с нижнего энергетического уровня (К-захват) и появляется изотоп аргона ⁴⁰₁₈Ar. При захвате ядром электрона протон ядра превращается в нейтрон, в результате чего атомный номер элемента уменьшается на единицу, т. е. ядро калия превращается в ядро аргона. Ежегодно из 1 г калия образуется около 4∙10^-12 мл аргона, поступающего в атмосферу. Миллиарды лет назад изотоп ⁴⁰K был одним из главных генераторов теплоты в земной коре. Его тогда было много, примерно 2%.

Рассеянный в природе элемент Rb (порядковый номер 37) обнаружен во всех минералах и водах, содержащих калий. Рубидий является тенью калия. У него есть два изотопа: ⁸⁵Rb (72,2%) и ⁸⁷Rb (27,8%). Последний изотоп радиоактивен:

⁸⁷₃₇Rb = ⁸⁷₃₈Sr + e^-

Период полураспада этого изотопа равен 5∙10¹⁰ лет. Найдено, что 1% всего земного стронция Sr образовался в результате распада ядер ⁸⁷Rb, который, кстати, помог установить, что Земля «живет на свете» уже приблизительно 4,5 млрд. лет.

• Главная • Поиск • Опыты • Химические истории • Великие химики • Химия вокруг нас •

• Интересные факты • Химические курьёзы • Юмор • Автор • Полезные ссылки •

Copyright © 2005 - 2007 Webmaster