Химические элементы

Формы существования химических элементов

Химические элементы редко встречаются в изоляции. В природе они могут существовать в трех основных формах:

• В составе сложных веществ. Большинство элементов склонно образовывать многообразные соединения. Например, кислород является структурной частью воды, углекислого газа, песка, серной кислоты, сахаров и даже сложных лекарственных препаратов (таких как аспирин).
• В виде простых веществ. Некоторые элементы могут находиться в свободной форме, образуя молекулы из одинаковых атомов. Яркий пример — газообразный кислород ($O_2$) и озон ($O_3$).
• Благородные (инертные) газы. Уникальная группа элементов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. В природе они существуют исключительно в виде отдельных, изолированных атомов. Их можно обнаружить в качестве примесей в атмосферном воздухе, в растворенном виде в воде, а также в пустотах кристаллических решеток различных минералов.

Изотопы и символы

У каждого химического элемента есть символ, который представляет собой одну или две начальные буквы его латинского названия. Интересно, что в ряде случаев этот символ совершенно не перекликается фонетически с привычным русским наименованием. Например, железо обозначается как Fe (Ferrum), а ртуть — как Hg (Hydrargyrum).

Часто химические элементы имеют разновидности атомов — изотопы. Изотопы — это такие разновидности атомов одного элемента, которые различаются между собой только атомной массой, но при этом практически полностью совпадают по остальным химическим свойствам. Классический пример — обычный (легкий) и тяжелый водород. Вода, в состав которой входит тяжелый водород («тяжелая вода»), отличается от природной по физическим характеристикам, но с точки зрения химии это остается тем же самым веществом.

Распространенность в земной коре

Элементы распределены в природе крайне неравномерно. Ниже представлены данные по содержанию некоторых ключевых элементов в земной коре (% по массе):

Периодический закон и варианты таблиц

На сегодняшний день в химии существует несколько вариантов представления Периодической таблицы:

1. Длиннопериодный. Все элементы периода выстроены в один ряд, а главные (А) и побочные (В) группы образуют отдельные колонки.
2. Короткопериодный. Четвертый, пятый и шестой периоды разбиты на два ряда, а группы А и В с одинаковыми номерами объединены в общие колонки.
3. Вариант ИЮПАК (IUPAC). Рекомендован Международным союзом по теоретической и прикладной химии. В нем группы просто пронумерованы от 1 до 18, а имя Д. И. Менделеева в заголовке обычно опускается.

В каждом периоде таблицы располагается ровно по 10 переходных металлов. Согласно классической идее Менделеева, таблица содержит 8 групп, причем к группе VIIIB относятся сразу по три переходных металла из каждого периода.

Прогностическая функция и метод аналогий

Уже более 100 лет Периодический закон служит главным руководством в химических исследованиях. Он резко уменьшает объем запоминаемого материала и обладает прогностической функцией — позволяет предсказывать свойства еще не изученных веществ на основе их известных аналогов.

Разберем метод аналогий на практике. Допустим, нам нужно написать реакцию между гидроксидом рубидия ($RbOH$) и селеноводородом ($H_2Se$). Соединения этих элементов могут быть нам незнакомы, поэтому мы ищем аналоги по группе:

• Рубидий ($Rb$) — аналог натрия ($Na$) и калия ($K$), значит, $RbOH$ является типичным основанием (щелочью).
• Селеноводород ($H_2Se$) — аналог сероводорода ($H_2S$), следовательно, он проявляет ярко выраженные свойства кислоты.
• Итог — уравнение реакции: $2RbOH + H_2Se = Rb_2Se + 2H_2O$.

Важно помнить, что элементы одной группы — аналоги, но не абсолютные копии. При движении по группе сверху вниз свойства изменяются количественно, усиливаются металлические свойства. Так, в IV группе неметалл углерод ($C$) сменяется металлом свинцом ($Pb$), а в V группе азот ($N$) сменяется висмутом. Также наблюдается интересная аналогия: соединения переходных металлов и неметаллов в высших степенях окисления проявляют заметное сходство (например, перманганат калия $KMnO_4$ похож на перхлорат калия $KClO_4$).

Иногда случаются неожиданные аномалии. До 1962 года благородные газы считались абсолютно инертными с валентностью, равной нулю. Но затем было получено первое химическое соединение ксенона — гексафтороплатинат ксенона ($XePtF_6$). Сегодня известны десятки соединений ксенона и криптона. Аномальные, нехарактерно высокие степени окисления (+5 и +7) были открыты и для тяжелых металлов — получены соответствующие фториды золота.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Определение элемента и изотопа на основе строения атомного ядра
• Сравнительная характеристика и химическое сродство элементов внутри одной группы
• Расчет химических эквивалентов простых веществ
• Причины усиления металлических свойств в подгруппах сверху вниз

Другие темы раздела «Глава 1. Вещества. Свойства и структура»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.