Атомы. 
Химические элементы

Символы химических элементов, используемые в настоящее время, были введены в науку в 1813 г. Й. Берцелиусом. Элементы обозначаются начальными буквами их латинских названий. Химических элементов больше, чем букв алфавита, и поэтому большинство элементов обозначаются символом из двух букв. При чтении химических формул символы водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора и серы произносятся как название буквы (вода 11₂0 — «аш два о»), а остальные — как полное латинское название элемента (Si0₂ — «силициум о два»).

Уточним понятия атома и химического элемента, предполагая, что некоторые сведения о структуре атома уже известны из курса химии средней школы. Атом имеет устойчивое положительно заряженное ядро и электронные оболочки. За счет изменения энергии электронов на внешних оболочках образуются химические связи между атомами. При этом ядро никак не изменяется. Данный атом может входить в состав молекул, переноситься при реакциях из одних молекул в другие, терять и принимать электроны, переходить в газообразное состояние с разрывом всех химических связей, но ядро атома при всех этих превращениях полностью сохраняется — как, но массе, так и по заряду. Любые цепочки химических превращений вещества не приводят к превращению самих атомов. С учетом этого специфического поведения атомов можно дать следующее определение.

Атом — это микрочастица вещества, сохраняющаяся при химических превращениях.

В природе существует 90 видов атомов, различающихся по заряду ядра. Еще около 30 видов получено с применением физических методов превращения ядер. Химическое поведение атомов в конечном счете полностью определяется зарядами ядер. Отсюда следует научное определение химического элемента.

Вид атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом.

Атомы данного химического элемента, собранные отдельно от других атомов, образуют простое вещество. Вообще же понятием химического элемента не определено, где именно находятся его атомы, входят ли в состав сложных веществ и смесей. Все атомы данного вида, где бы они ни находились, мыслятся как химический элемент.

Атомы с одинаковым зарядом могут различаться между собой по массе, так как в их ядрах находятся не только заряженные частицы протоны, но и незаряженные частицы с почти такой же массой нейтроны. При изменении числа нейтронов изменяется масса атома при одном и том же заряде. Таким образом, химический элемент может охватывать две или несколько разновидностей атомов с разными массами.

Вид одинаковых атомов, как по заряду ядра, так и по массе, называется нуклидом.

Нуклиды с одинаковым зарядом ядра, но разной массой называются изотопами.

Нуклиды обозначаются символом элемента с двумя индексами слева: нижний индекс — атомный номер (заряд ядра) и верхний индекс — массовое число (суммарное число протонов и нейтронов). Например, имеющиеся в природе изотопы кремния обозначаются так: ?JSi, JjSi и? JSi.

Большинство элементов представляют собой смесь изотопов, меньшее число их (20) — мононуклидные.

Широко известно, что существует так называемая тяжелая вода. Подразумевается, что в ее составе находится редкий изотоп водорода с массовым числом не один, а два. В природе изотопы всегда присутствуют совместно.

Поэтому в составе вещества одновременно присутствуют все природные изотопы элемента. Выделяя какой-либо элемент в виде простого вещества, мы получаем сразу все его изотопы. Обычными химическими методами изотопы не разделяются.

В табл. 2.2 даны сведения о наиболее известных химических элементах. Остальные химические элементы можно найти в периодической системе элементов (таблице Менделеева). Одна из наиболее легко определяемых характеристик атома и химического элемента — масса. В настоящее время за атомную единицу массы — сокращенно а.е.м. (или дальтон, Да) — принята 1/12 часть массы наиболее распространенного изотопа углерода^С. В природном углероде есть примесь более тяжелых изотопов, поэтому атомная масса самого углерода выражается не точно числом 12, а немного превышает его — 12,011.

Атомная масса А — это масса атома и соответственно химического элемента, выраженная в а.е.м.

Наиболее известные химические элементы

Таблица 22

Окончание табл. 2.2

Чаще используют относительную атомную массу А,., которая отличается только тем, что не имеет единицы измерения, т. е. получается делением атомной массы на 1 а.е.м. Для краткости А_г тоже можно называть атомной массой. Сама по себе атомная масса не дает представления о величине атома. Для этого надо знать соотношение между а.е.м. и граммом. Это соотношение таково:

• 6,02 • 10²³ а.е.м. = 1 г, или 6,02 • 10²³ а.е.м./г = 1;
• 1,66 • 10~²⁴ г = 1 а.е.м., или 1,66 • 10^-24 г/а.е.м. = 1.

Из этих соотношений можно составить представление о реальных размерах атомов, а также о числе атомов в конкретных образцах вещества. Выражения, содержащие отношение единиц измерения а.е.м./г и г/а.е.м., удобны для подстановки в уравнения при необходимости перехода от одной единицы измерения к другой.

Пример 2.2. То, насколько мала частица, называемая атомом, можно яснее осмыслить на следующем примере. Всем понятно, сколь далеки от нас даже ближайшие звезды. Так вот, если бы молекулы, составляющие 32 мг кислорода (приблизительно 22,5 см³ газа, что равно небольшому мыльному пузырю диаметром 3,5 см), равномерно разместить на прямой линии между Солнцем и ближайшей к нам яркой звездой, а Центавра, до которой 4,125−10¹³ км, то расстояния между молекулами составили бы лишь 0,07 долей миллиметра. Значит, в этой небольшой массе находится колоссальное число молекул, которое можно вычислить, деля массу данной порции кислорода на массу одной молекулы: