52. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Все многообразие окружающей природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.

Современное представление об элементах сформировалось после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона.

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева).

Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов, называются изотопами. Ядра атомов изотопов различаются числом нейтронов. Так, изотопами углерода являются 126C,136C,146C, водорода – 11H (протий), 21H= D (дейтерий) и 31H = T(тритий).

Дейтерий и тритий называются тяжелыми изотопами водорода. Если атом дейтерия или трития входит в состав молекул воды, то масса такой молекулы увеличивается и такая вода называется тяжелой водой. Масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Разность между этими величинами называется дефектом массы. Например, масса ядра гелия 24He (2p, 2п) равна 4,001506 а. с. м., а сумма масс протонов и нейтронов составляет 4,031882, т. е. дефект массы равен 0,030376 а. с. м.

Дефект массы – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов. Ее можно вычислить из соотношения Эйнштейна E= mc2. Образование ядра из свободных частиц сопровождается выделением огромного количества энергии. Средняя энергия связи в ядре в миллионы раз превышает энергию связи. Поэтому при химических реакциях веществ ядро не изменяется.

При рассмотрении атомных масс элементов можно заметить, что почти у всех элементов атомные массы дробные. Это объясняется тем, что каждый элемент встречается в природе в виде разных изотопов. При подсчетах учитывается масса того или иного изотопа в земной коре. Относительная атомная масса, приведенная в таблице Д. И. Менделеева, является средней между атомными массами изотопов.

При изучении изотопии стали понятными некоторые отклонения последовательного возрастания относительных атомных масс элементов в Периодической системе. Например, уменьшение атомной массы от аргона (№ 18) к калию (№ 19) объясняется наличием у калия значительного процента легких изотопов, а у аргона – тяжелых. При подсчете средних массовых чисел получается, что у калия это число меньше, чем у аргона. Но величина зарядов ядер этих элементов убедительно подтверждает правильность их расположения в таблице Д. И. Менделеева.

В настоящее время известны более 100 химических элементов. Около 90 из них существуют в природе. Остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций.

Распределение элементов в земной коре (средний химический состав земной коры по А. П. Виноградову) таково: кислород – 47,2 % массы земной коры, кремний – 27,6; алюминий – 8,80; железо – 5,1; кальций -3,6; натрий – 2,64; калий – 2,6; магний – 2,10, водород – 0,15 %.

Элементы распространены в земной коре очень неравномерно. Перечисленные 9 элементов составляют 99,79 % массы земной коры, все остальные – 0,21 %.

Распространенность элементов зависит от многих факторов, но в конечном счете определяется вероятностью ядерных реакций их образования и относительной устойчивостью отдельных изотопов.