Химический элемент

Откуда взялись химические элементы? // ПостНаука [2:54]

Химические элементы // Мрия Урок

Химия — просто. Урок 1 «ПСЭ»

Химический элемент — совокупность атомов, имеющих одинаковый атомный номер Z, равный числу протонов в атоме.

Основное понятие химии. Слово «элемент» (лат. elementum) отсылает к стихиям, первоосновам материи, указывая на фундаментальную важность величины Z для проявляемых атомами химических свойств. Каждый элемент (то есть, каждое значение Z) снабжён названием, а также cимвoлoм, состоящим из одной или двух лaтинcких букв.

В некоторых контекстах указание химического элемента может означать простое (элементное) вещество, состоящее из атомов называемого элемента.

До получения знаний об устройстве атома, определение химического элемента было дано Д. И. Менделеевым: «Под именем элементов должно подразумевать те материальные составные части простых и сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств. Если простому телу соответствует понятие о частице, то элементу отвечает понятие об атоме».

Химическая природа элемента обусловливается способностью его атома терять и приобретать электроны. Эта способность может быть количественно оценена энергией ионизации атома и его сродством к электрону.

Зарядовое число (aтoмный нoмep)

Зарядовое число Z — положительное целое число, выражающее заряд ядра в элементарных единицах. Носителем положительного заряда ядра являются протоны. Их число определяет величину заряда ядра, и следовательно, атомный (порядковый) номер химического элемента.

При химических превращениях веществ атомные ядра не изменяются, и элементы остаются неизменными.

Электрически нейтральный атом имеет ровно Z электронов. Катионы имеют меньше электронов, чем Z; анионы — больше.

Периодическая система элементов

Элементы малых периодов

Об устройстве электронного облака см. также атомная орбиталь.

Первый период периодической системы состоит из двух элементов — водород и гелий. Электронная формула невозбужденного атома водорода — 1s¹. В соответствии с принципом Паули в одной орбитали могут находиться два электрона с противоположными спинами. Следовательно, электронная формула гелия, следующего после водорода элемента — 1s².

Второй и третий периоды содержат по 8 элементов. Во втором периоде заполняется второй квантовый слой, в третьем периоде — третий. У двух первых элементов (натрий и магний), заполняются s-орбитали, у шести последних (алюминий — аргон) заполняются p-орбитали. У последних элементов этих периодов — аргона и неона, завершается заполнение орбиталей.

Элементы больших периодов

Четвертый и пятый периоды содержат по 18 элементов. У атомов элементов 4-го периода начинает заполняться 4s-орбиталь слоя N (n = 4). Появление электрона в 4s-состоянии при наличии свободных 3d-орбиталей обусловливается экранированием ядра плотным и симметричным электронным слоем 3s²3p⁶. В связи с отталкиванием от этого слоя для 19-го электрона атома калия и 20-го электрона атома кальция оказывается энергетически выгодным 4s-состояние.

При дальнейшем возрастании заряда ядра у следующего после кальция элемента — скандия состояние 3d становится энергетически более выгодным, чем 4р.

Элементы, в атомах которых заполняются d-орбитали, называются d-элементами. У d-элементов 4-го периода, следовательно, достраивается слой М до 18 электронов. Простые вещества После заполнения 3d-орбиталей у последующих шести элементов (Ga — Kr) заполняются р-орбитали внешнего слоя.

В пятом периоде заполнение электронных слоев^{[уточнить]} и подслоев происходит, как и в четвертом периоде.

Шестой период содержит 32 элемента и тоже начинается двумя s-элементами (Cs и Ва). Далее, у лантана начинает заполняться d-орбиталь предвнешнего слоя (5d-подслой).

У следующих за лантаном 14 элементов (Се — Lu) энергетически более выгодно 4f-состояние по сравнению с 5d-состоянием. Поэтому у этих элементов происходит заполнение 4f-орбиталей, чем и объясняется существование лантаноидов.

Аналогичная ситуация в седьмом периоде: имеются два s-элемента (Fr, Ra), за ними следуют d-элемент Ас и четырнадцать f-элементов (Th — Lr)(актиноиды), далее снова d-элементы.

Распространенность химических элементов

Гордон — Диалоги [136] Трансформация элементов

Распространенность элементов в космосе в целом уменьшается по убыванию атомного номера. Исторически все элементы возникли из водорода в результате ядерных реакций, и до сих пор Вселенная^{[нет источника]} практически полностью состоит из водорода. Космическое вещество Солнечной системы состоит примерно на три четверти из водорода и гелия. Элементы с завершенными ядерными слоями («магические числа» 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126; по атомным номерам: гелий, кислород, кальций, никель, олово, свинец, …) как правило чаще встречаются, чем окружающие их элементы. Распространенность элементов зависит от многих факторов, но в конечном счете определяется вероятностью ядерных реакций их образования и относительной устойчивостью отдельных изотопов.

Простые вещества

Когда говорят о свойствах (физических, и т. п.) элемента, чаще всего имеют в виду свойства вещества, состоящего только из атомов указанного элемента. Некоторые элементы имеют несколько стабильных аллотропных форм: например, элементный углерод бывает графитом, алмазом, и т. д.