Элемент, вещество, соединение

Физические методы позволили выявить физическую природу химизма, установить те внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, а именно — химические связи.

Химическая связь — обменное взаимодействие электронов, в первую очередь, электронов, расположенных на внешней оболочке и наименее прочно связанных с ядром, — валентных электронов. Благодаря этому взаимодействию отдельные атомы образуют более сложные системы: молекулы, ионы, кристаллы и др. Именно этот структурный уровень организации материи изучает химия.

Ковалентная (от лат. со — совместный) связь образуется в результате формирования электронных пар, одновременно принадлежащих обоим атомам. Классическую электронную теорию химической связи предложил в 1916 г. американский химик Г. Н. Льюис (1875—1946). Поскольку завершенные электронные оболочки атомов благородных газов особо устойчивы, постольку Льюис предположил, что при образовании химической связи возникают пары электронов, принадлежащие сразу двум атомам, которые заполняют до конца свой внешний электронный уровень и приобретают электронную конфигурацию благородного газа. Льюис назвал это правилом октета, поскольку атомы благородных газов (кроме гелия) имеют по восемь электронов внешнего уровня.

В двухатомных молекулах простых веществ (Н₂, F₂, N₂ и др.) общие пары электронов в равной степени принадлежат обоим атомам.

Ионная связь образуется за счет электростатического притяжения между ионами с противоположными электрическими зарядами (анионами и катионами), например, NaCl. В узлах кристаллической решетки поваренной соли расположены заряженные ионы натрия и хлора, соединенные ионной связью. У хлора на внешней оболочке — семь электронов, у натрия — один, поэтому заполняется электронная оболочка хлора, приобретающего положительный заряд, а для натрия, отдавшего единственный внешний электрон, нижний слой электронов фактически становится внешним и целиком заполненным, и ион натрия приобретает положительный заряд. Эта связь реализуется во многих кристаллических веществах — щелочах, солях, карбидах, оксидах и др.

Металлическая связь обусловлена взаимодействием электронного газа (валентных электронов) с каркасом положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла. Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, которые слабо связаны с ядрами и могут легко отрываться от них. В кристаллической решетке металла образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Координационное число определяет число ближайших равноудаленных атомов в кристаллической решетке, которую часто изображают в форме плотных шаровых упаковок.

В настоящее время химическим элементом называют совокупность атомов с конкретным зарядом ядра Z, равным числу протонов в ядре.

Масса ядер одного и того же элемента может быть разной в силу того, что в ядре может содержаться разное число нейтронов, которые не влияют на заряд ядра, но изменяют его массу. «Атом — наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами»¹.

В 1815 г. английский химик У. Праут (1785—1850) предположил, что атомные массы всех элементов кратны массе водорода. Однако в таблице элементов Менделеева практически отсутствуют целочисленные массы^[1][2], и во второй половине XIX в. эту гипотезу признали неверной. Ныне гипотеза Прауга подтвердилась: все элементы действительно образовались в процессе ядерного нуклеосинтеза в звездах из протонов (ядер водорода) и нейтронов.

Простое вещество — форма существования химического элемента в свободном состоянии; причем форм может быть несколько. Так, газообразный водород существует в двух формах, различающихся магнитной ориентацией ядер — в форме ортоводорода и параводорода. При низких и очень низких температурах водород может находиться в жидком (при -252,2°С) и даже в твердом (при -259,2°С) состоянии. Поэтому простых веществ насчитывается свыше 500, в то время как химических элементов — чуть более 100. Существование химического элемента в виде нескольких простых веществ называется аллотропией.

Атомистические представления легли в основу различения смеси и химического соединения сложного вещества, а также позволили решить вопрос: химическое соединение имеет постоянный или переменный состав?

Французский химик Ж. Пруст (1754—1826) считал, что «…природа дала химическому соединению постоянный состав и тем самым поставила его в совершенно особое положение по сравнению с раствором, сплавом и смесью»^[3]. С позиций атомно-молекулярного учения закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон, который ввел в науку понятие «атомный вес» и утверждал, что всякое вещество, простое или сложное, состоит из мельчайших частиц — молекул. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами¹. Молекулы наиболее сложных веществ — высших белков и нуклеиновых кислот — могут состоять из сотен тысяч атомов.

Состав химического соединения не зависит от способа его получения. Так, углекислый газ может быть получен двумя способами:

Однако в полученном в обоих случаях углекислом газе всегда содержится 27,29% С и 72,71% 0₂ (по массе).

Свойства соединений существенно отличаются от свойств смеси химических веществ. Свойства смеси тесным образом связаны со свойствами компонентов, а свойства соединения зачастую существенно отличаются от свойств его компонентов. Так, вода (Н₂0) — жидкость, а образована она из кислорода и водорода, которые в свободном состоянии являются газами. Как правило, смесь можно разделить на составляющие нехимическими процессами: просеиванием, фильтрацией, пропусканием через магниты и др. Химическое соединение может быть разделено на компоненты только при помощи химической реакции.

Вместе с тем французский химик К. Бертолле (1748—1822) отмечал существование соединений переменного состава, имеющих форму растворов и сплавов. Русский физико-химик Н. С. Курнаков (1860—1940) в честь К. Бертолле назвал бертоллидами такие соединения, состав которых зависит от способа их получения. Например, для соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и ряда других характерен переменный состав. В частности, в диоксиде титана ТЮ₂ на единицу массы титана приходится от 0,65 до 0,67 масс кислорода. Однако такие соединения являются единой химической системой.

Даже поваренная соль NaCl — соединение переменного состава. Его кристаллическая структура сохраняется, даже если на один атом натрия придется больше (или меньше), чем один атом хлора. Так, бесцветный NaCl, обработанный парами натрия при высоких температурах, становится голубым и начинает проводить электрический ток. При обработке парами хлора он позеленеет и тоже станет проводником. Выходит, что можно получать вещества с различными свойствами, не изменяя кристаллической структуры^[4][5].

Ныне имеются сведения о восьми миллионах индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах — переменного состава.

• [1] Глинка Н. Л. Общая химия. 26-е изд. С. 17.
• [2] Такие величины определяются тем, что практически каждый химический элементпредставляет собой смесь изотопов разной массы.
• [3] Цит. по: Колтун М. Мир химии. М.: Детская литература, 1988. С. 48.
• [4] Глинка Н. Л. Общая химия. 26-с изд. С. 17.
• [5] Подробнее см.: Третьяков Ю. Д. Неорганическая химия — основа новых материалов //Химия и жизнь. 2007. № 5.