Эдриан Дингл «Как изготовить Вселенную из 92 химических элементов»

ЭТА КНИГА…

…рассказывает о том, как химические элементы, соединяясь друг с другом, образуют самые разные вещества, из которых состоит все вокруг (и вообще все во Вселенной). В книге четыре главы, но читать ее можно с любого места. Хотя все-таки лучше начать с самых первых страниц, чтобы лучше понять, о чем говорится дальше. В конце ты найдешь краткий словарь химических терминов и понятий.

 

ЭТО ЭЛЕМЕНТАРНО!

В этой книге рассказывается о химических элементах. Их не так уж и много, но из них состоит все, что нас окружает. Из них состоит весь наш мир. Вся Вселенная. Кстати, из них состоишь и ТЫ тоже! C точки зрения химии элемент нельзя разложить на более простые вещества. Иными словами, элемент, участвующий в химической реакции, не может стать МЕНЕЕ сложным. Он может стать только БОЛЕЕ сложным (например, войти в состав химического соединения — вещества состоящего из нескольких элементов).

Каждый химический элемент состоит из микроскопических частиц, называемых атомами. В свою очередь, атомы состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Каждый элемент состоит только из одного вида атомов, имеющих одинаковое количество протонов и электронов.

Элемент определяется количеством протонов. Например, если атомы элемента имеют восемь протонов, то это кислород, если девять протонов — это фтор и так далее. Число протонов совпадает с атомным номером элемента. Все элементы систематизированы в периодической таблице.

Порядковый номер элемента в таблице совпадает с его атомным номером. Первым в таблице стоит водород (кислород стоит на восьмом месте).

 

Действительно ли в природе встречается всего 92 элемента?

Да… и нет. Все химические элементы с номерами от 1 до 92 действительно встречаются на Земле. Но тут есть одна сложность! Некоторые из 92 природных элементов встречаются КРАЙНЕ редко. В земной коре содержится лишь несколько граммов франция (87) и астата (85). Некоторые радиоактивные элементы, например технеций (43) и прометий (61), существовали в то время, когда образовалась Земля (более 4,5 МИЛЛИАРДА лет назад), но с тех пор практически полностью исчезли из-за естественного радиоактивного распада. Элементы 93 и 94 (нептуний и плутоний) также встречаются в природе в очень малых количествах. Поэтому можно сказать, что на Земле существует всего 88 природных элементов… а можно сказать, что таких элементов 94. Все зависит от того, какой элемент мы считаем природным.

 

Почему 92?

В периодической таблице больше 92 элементов. В настоящее время Международным союзом теоретической и прикладной химии признаны 114 элементов. Но элементы с атомными номерами от 93 и выше не встречаются в природе, их получают в лабораториях. Все эти сверхтяжелые элементы радиоактивны, и некоторые из них существовали только в лабораторных условиях — в виде нескольких атомов в течение доли секунды. Это значит, что синтетические элементы обычно не могут быть использованы для практических целей, однако один из них — америций (95) — широко применяется в детекторах дыма.

 

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА

Положение каждого элемента в таблице указывает на его химические и физические свойства. Периодическая таблица — это краткий путеводитель по всей Вселенной, уместившийся на одном листе бумаги.

 

Распределение по группам

Элементы в периодической таблице располагаются в семь горизонтальных рядов, называемых периодами, и в 18 вертикальных столбцов, называемых группами. У всех элементов одной группы внешняя электронная оболочка атомов содержит одинаковое количество электронов, поэтому они имеют похожие химические свойства. У нескольких групп есть свои собственные названия. Например:

Группа 1 — щелочные металлы

Группа 2 — щелочно-земельные металлы

Группа 11 — монетные металлы

Группа 15 — пниктогены

Группа 16 — халькогены

Группа 17 — галогены

Группа 18 — инертные (благородные) газы

 

КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ ТАБЛИЦЕЙ

Элементы располагаются в периодической таблице не как попало, а в строго определенном порядке, который позволяет судить о свойствах элементов. Периодическая таблица получила свое название по горизонтальным рядам, или периодам. Элементы периода не связаны между собой так, как они связаны в вертикальных столбцах, или группах. Химические свойства элементов в периоде постепенно меняются в зависимости от возрастания атомных номеров слева направо. Период можно уподобить музыкальной гамме: когда мы проигрываем ее от начала до конца (от ноты до к ноте си), каждая следующая нота чуть отличается от предыдущей. Когда переходим на следующий период, «гамма» вновь начинается с ноты до, но уже на другой октаве. Существуют две последовательности элементов с очень похожими свойствами. Одна последовательность содержит элементы 57 – 71, называемые лантаноидами, другая — элементы 89 – 103,  актиноиды. Элементы с атомными номерами больше 103 называются трансактиноидами. Большая группа металлов в середине периодической таблицы называется переходными элементами, поскольку они обеспечивают переход между группой 2 слева и группой 13 справа.

 

Металлы, неметаллы и полуметаллы

Все химические элементы можно разделить на металлы и неметаллы. Большинство элементов — это металлы. Металлы обладают следующими отличительными признаками: они блестят, они хорошо проводят тепло и электричество (такие вещества называются проводниками), они пластичны (им можно придать любую форму) и тягучи (из них можно вытягивать тонкую проволоку). При комнатной температуре металлы обычно твердые, хотя ты, наверное, уже знаешь, что есть один жидкий металл. Это ртуть. Неметаллы плохо проводят тепло и электричество. При комнатной температуре они могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Обычно они не блестят и не бывают пластичными или тягучими. Полуметаллы (или металлоиды) занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. В периодической таблице металлы и неметаллы разделены линией в виде лесенки, которая начинается под бором (5) и заканчивается между полонием (84) и астатом (85). Металлы располагаются слева от лесенки, а неметаллы — справа. Многие элементы, соприкасающиеся с этой линией, считаются полуметаллами.

 

КТО ПРИДУМАЛ ПЕРИОДИЧЕСКУЮ ТАБЛИЦУ?

Дмитрий Менделеев (1834 – 1907)

Периодическую систему химических элементов составил русский химик Дмитрий Менделеев. Он открыл периодический закон, согласно которому свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от их атомной массы. Менделеев сгруппировал элементы с похожими свойствами и создал свою знаменитую периодическую таблицу, причем оставил в ней свободные места для элементов, еще не открытых в то время. В 1869 году ученый представил свою таблицу Российскому химическому обществу. Сегодня элементы, предсказанные Менделеевым, уже открыты и заняли свои места в периодической таблице.

 

Химические СОЕДИНЕНИЯ

Все вещества во Вселенной состоят из химических элементов периодической системы, но элементы могут соединяться друг с другом в самых разных сочетаниях.

 

Атомы, молекулы и соединения

Иногда атомы элемента существуют сами по себе и не образуют никаких связей друг с другом. К таким элементам относятся, например, инертные газы. Иногда атомы соединяются в небольшие группы — молекулы. Молекулы многих газов состоят из двух атомов (О2, N2 и Н2), молекулы других элементов состоят из трех и более атомов (Р4 и S8 — фосфор и сера). Атомы, составляющие молекулы, связаны между собой ковалентной связью, которая возникает, когда два атома имеют общую пару электронов. Подавляющее большинство веществ состоит из молекул, образованных атомами разных химических элементов. При этом в каждом конкретном соединении присутствует строго определенное количество атомов элементов. Например, вода — это соединение, которое ВСЕГДА состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода (Н2О). Атомы в молекуле воды связаны общими электронами, значит, вода — ковалентное соединение.

 

Ионы

Существует еще один тип связи, когда атомы не «объединяют» свои электроны, а один атом передает свой электрон (или несколько электронов) другому. Все атомы электрически нейтральны, поскольку у них одинаковое количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Но, если атом теряет или приобретает электрон, он перестает быть нейтральным. Атом, утративший электрон, становится положительно заряженным. Атом, присоединивший электрон, становится отрицательно заряженным. Такие заряженные атомы называются ионами. Противоположные по знаку заряды притягиваются друг к другу, и таким образом возникает ионная связь. Примером ионного соединения может служить поваренная соль, или хлорид натрия (NaCl), в которой положительный ион натрия соединяется с отрицательным ионом хлора. Соединения металлов и неметаллов часто бывают ионными. Тип химической связи наряду с расположением атомов в молекуле или веществе определяет химические и физические свойства веществ, а значит, и их применение. Например, ионные связи — очень прочные, поэтому ионные соединения имеют высокую температуру плавления и кипения. Их можно использовать там, где важно добиться высокой жароустойчивости, например при изготовлении плавильных печей.

 

Эгоцентричный углерод

«Вот я какой! Занят только собой, и никто мне не нужен!» Это, конечно, преувеличение. Углерод входит в состав самых разных веществ, однако в отличие от многих других элементов атомы углерода могут устанавливать ковалентные связи друг с другом. Это значит, что атомы углерода способны образовывать цепи, кольца и сферы. Эти молекулярные соединения углерода могут состоять и из нескольких атомов, и из ОГРОМНОГО количества атомов, вплоть до нескольких тысяч. Очень длинные цепи атомов называются полимерами (от греческих слов, означающих «много» и «часть»). К этим цепям присоединяются другие элементы — в основном водород, кислород и азот, но также сера, фосфор и галогены. Таким образом получаются тысячи различных углеродсодержащих соединений. Эти соединения называются органическими, потому что из них состоят живые организмы. Их изучением занимается органическая химия. Ты наверняка знаешь многие органические соединения, например углеводы (или сахара), жиры и белки. Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), как и все остальные необходимые для жизни молекулы, тоже относятся к органическим соединениям. К ним относятся и многие пластмассы, поскольку в их состав входят органические полимеры.