Що таке хімічні елементи? Система і характеристика хімічних елементів

Дуже багато різних речей і предметів, живих і неживих тіл природи нас оточує. І всі вони мають свій склад, будова, властивості. У живих істотах протікають складні біохімічні реакції, що супроводжують процеси життєдіяльності. Неживі тіла виконують різні функції в природі та житті біомаси та мають складний молекулярний і атомарний склад.

Але всі разом об`єкти планети мають спільну особливість: вони складаються з безлічі дрібних структурних частинок, званих атомами хімічних елементів. Настільки дрібних, що неозброєним поглядом їх не розглянути. Що таке хімічні елементи? Якими характеристиками вони володіють і звідки стало відомо про їх існування? Спробуємо розібратися.

Поняття про хімічні елементи

У загальноприйнятому розумінні хімічні елементи - це лише графічне відображення атомів. Частинок, з яких складається все існуюче у Всесвіті. Тобто на питання "що таке хімічні елементи" можна дати таку відповідь. Це складні маленькі структури, сукупності всіх ізотопів атомів, об`єднані загальною назвою, які мають своє графічне позначення (символ).

На сьогоднішній день відомо про 118 елементах, які відкриті як у природних умовах, так і синтетично, шляхом здійснення ядерних реакцій і радіоактивних розпадів ядер інших атомів. Кожен з них має набір характеристик, своє місце розташування в загальній системі, історію відкриття і назва, а також виконує певну роль у природі та житті живих істот. Вивченням цих особливостей займається наука хімія. Хімічні елементи - це основа для побудови молекул, простих і складних сполук, а отже, хімічних взаємодій.

Історія відкриття

Саме розуміння того, що таке хімічні елементи, прийшло тільки в XVII столітті завдяки роботам Бойля. Саме він вперше заговорив про це поняття і дав йому таке визначення. Це неподільні маленькі прості речовини, з яких складається все навколо, в тому числі і всі складні.

До цієї роботи панували погляди алхіміків, признававшим теорію чотирьох стихій - Емпідокла і Аристотеля, а також відкрили "горючі початку" (сірка) і "металеві початку" (ртуть).

Практично весь XVIII століття була поширена абсолютно помилкова теорія флогістону. Проте вже в кінці цього періоду Антуан Лоран Лавуазьє доводить, що вона неспроможна. Він повторює формулювання Бойля, але при цьому доповнює її першою спробою систематизації всіх відомих на той момент елементів, розподіливши їх на чотири групи: метали, радикали, землі, неметали.

Наступний великий крок у розумінні того, що таке хімічні елементи, робить Дальтон. Йому належить заслуга відкриття атомної маси. На основі цього він розподіляє частина відомих хімічних елементів у порядку зростання їх атомної маси.

Стабільно інтенсивний розвиток науки і техніки дозволяє робити ряд відкриттів нових елементів у складі природних тел. Тому до 1869 - часу великого творіння Д. І. Менделєєва - науці стало відомо про існування 63 елементів. Робота російського вченого стала першою повної і назавжди закріпилася класифікацією цих частинок.

Будова хімічних елементів на той момент встановлено не було. Вважалося, що атом неподільний, що це найдрібніша одиниця. З відкриттям явища радіоактивності було доведено, що він ділиться на структурні частини. Практично кожен при цьому існує у формі декількох природних ізотопів (аналогічних частинок, але з іншою кількістю структур нейтронів, від чого змінюється атомна маса). Таким чином, до середини минулого століття вдалося домогтися порядку у визначенні поняття хімічного елемента.

Система хімічних елементів Менделєєва

В основу вчений поклав відмінність в атомній масі і зумів геніальним чином розташувати всі відомі хімічні елементи в порядку її зростання. Проте вся глибина і геніальність його наукового мислення і передбачення полягала в тому, що Менделєєв залишив порожні місця в своїй системі, відкриті осередки для ще невідомих елементів, які, на думку вченого, в майбутньому будуть відкриті.

І все вийшло саме так, як він сказав. Хімічні елементи Менделєєва з плином часу заповнили всі порожні клітинки. Була відкрита кожна передвіщена вченим структура. І тепер ми можемо сміливо говорити про те, що система хімічних елементів представлена 118 одиницями. Правда, три останні відкриття поки ще офіційно не підтверджені.

Сама по собі система хімічних елементів відображається графічно таблицею, в якій елементи розташовуються згідно ієрархічності їх властивостей, зарядам ядер і особливостям будови електронних оболонок їхніх атомів. Так, є періоди (7 штук) - горизонтальні ряди, групи (8 штук) - вертикальні, підгрупи (головна і побічна в межах кожної групи). Найчастіше окремо в нижні шари таблиці виносяться два ряди сімейств - лантаноїди і актиноїди.

Періодична система Менделєєва містить всю необхідну інформацію про хімічні елементи (порядковий номер, масове число, назва, іноді останні шари електронної будови).

Назви елементів

Право дати назву надається тій людині, яка зробив відкриття даного хімічного елемента. Багато названі на честь планет (уран, плутоній, нептуний). Іншим дали найменування на честь великих вчених (менделевій, резерфордій, коперніцій та інші).

Часто елементи називають на честь міст і країн (рутеній, германій, Дубно, францій, европий та інші). Посилом навіть служать міфічні герої (прометий). Також поширене явище, коли те чи інше найменування дається за властивостями, що проявляється простими і складними речовинами даного елемента (водень, кисень, вуглець).

Назви записуються на латині, але в нашій країні існує і російський їх переклад з закріпилися вимови. Символом кожного елемента вважається перша буква латинського слова або перша і яка-небудь з наступних. Приклад: кальцій (Са) - Calcium, бор (В) - Boron.

Характеристика атомів хімічних елементів

Кожен представник періодичної системи має свої особливості як в будові, так і в проявляються властивості. Характеристика хімічного елемента складається з розбору складу його ядра та електронних шарів, а також з визначення простої речовини, їм утвореного, і складних з`єднань.

Склад ядра атомів хімічних елементів включає кілька частинок - нуклонів:

• протони, що визначають його позитивний заряд (р⁺¹), А також частина атомної маси;
• нейтрони, що впливають на масове число елемента і не мають заряду (n⁰).

Ще один вид часток - електрони. Вони рухаються навколо ядра і мають негативний заряд (е^-1). Орієнтація їх не хаотична, а строго впорядкована. Вони розташовуються на орбіталях (s, p, d і f), які формують підрівні і рівні (електронні шари).

Атомна маса елемента складається з протонів і нейтронів, сукупність яких має назву "масове число". Кількість протонів визначається дуже просто - воно дорівнює порядковому номеру елемента в системі. А так як атом в цілому - система електронейтральна, тобто не має взагалі ніякого заряду, то кількість негативних електронів завжди дорівнює кількості позитивних частинок протонів.

Таким чином, характеристика хімічного елемента може бути дана за його положенням у періодичній системі. Адже в комірці описано практично все: порядковий номер, а значить, електрони і протони, атомна маса (усереднене значення всіх існуючих ізотопів даного елемента). Видно, в якому періоді знаходиться структура (значить, на стількох шарах будуть розташовуватися електрони). Також можна передбачити кількість негативних частинок на останньому енергетичному рівні для елементів головних підгруп - воно дорівнює номеру групи, в якій розташовується елемент.

Кількість нейтронів можна розрахувати, якщо відняти з масового числа протони, тобто порядковий номер. Таким чином, можна отримати і скласти цілу електронно-графічну формулу для кожного хімічного елемента, яка буде в точності відображати його будова і показувати можливі ступеня окислення і притаманні властивості.

Поширення елементів у природі

Вивченням цього питання займається ціла наука - космохімія. Дані показують, що розподіл елементів по нашій планеті повторює такі ж закономірності у Всесвіті. Головним джерелом ядер легких, важких і середніх атомів є ядерні реакції, що відбуваються в надрах зірок - нуклеосинтез. Завдяки цим процесам Всесвіт і космічний простір забезпечили нашу планету всіма наявними хімічними елементами.

Всього з відомих 118 представників в природних природних джерелах людьми були виявлені 89. Це основоположні, найпоширеніші атоми. Хімічні елементи також були синтезовані штучно, шляхом бомбардування ядер нейтронами (нуклеосинтез в лабораторних умовах).

Найчисельнішими вважаються прості речовини таких елементів, як азот, кисень, водень. Вуглець входить до складу всіх органічних речовин, а значить, також займає лідируючі позиції.

Класифікація за електронною будовою атомів

Одна з найпоширеніших класифікацій всіх хімічних елементів системи - це розподіл їх на основі електронної будови. По тому, скільки енергетичних рівнів входить до складу оболонки атома і який з них містить останні валентні електрони, можна виділити чотири групи елементів.

S-елементи

Це такі, у яких останньою заповнюється s-орбіталь. До цього сімейства належать елементи першої групи головної підгрупи (або лужні метали). Всього один електрон на зовнішньому рівні визначає схожі властивості цих представників як сильних відновників.

Р-елементи

Всього 30 штук. Валентні електрони розташовуються на р-підрівні. Це елементи, що формують головні підгрупи з третьої по восьму групу, що відносяться до 3,4,5,6 періодів. Серед них за властивостями зустрічаються як метали, так і типові неметалеві елементи.

d-елементи і f-елементи

Це перехідні метали з 4 по 7 великий період. Всього 32 елемента. Прості речовини можуть виявляти як кислотні, так і основні властивості (окисні і відновні). Також амфотерні, тобто двоїсті.

До f-сімейства ставляться лантаноїди і актиноїди, у яких останні електрони розташовуються на f-орбіталях.

Речовини, утворені елементами: прості

Також всі класи хімічних елементів здатні існувати у вигляді простих або складних з`єднань. Так, простими прийнято вважати такі, які утворені з однієї і тієї ж структури в різній кількості. Наприклад, О₂ - кисень або дікіслород, а О₃ - озон. Таке явище носить назву аллотропии.

Прості хімічні елементи, що формують однойменні сполуки, характерні для кожного представника періодичної системи. Але не всі вони однакові по проявляє властивості. Так, існують прості речовини метали і неметали. Перші утворюють головні підгрупи з 1-3 групу і всі побічні підгрупи в таблиці. Неметали ж формують головні підгрупи 4-7 груп. У восьму основну входять особливі елементи - благородні або інертні гази.

Серед усіх відкритих на сьогодні простих елементів відомі при звичайних умовах 11 газів, 2 рідких речовини (бром і ртуть), всі інші - тверді.

Складні сполуки

До таких прийнято відносити все, що складаються з двох і більше хімічних елементів. Прикладів маса, адже хімічних сполук відомо більше 2 мільйонів! Це солі, оксиди, підстави і кислоти, складні комплексні сполуки, всі органічні речовини.