Что такое элемент

Лукреций, написавший свою поэму на латинском языке, часто использовал слово principium, которое означает «основа, первоначало». Есть в латинском языке и другое близкое понятие: elementum. Оно означает «вещество, стихия», а во множественном числе (elementa) – «основания, основные начала». В древности было распространено изречение: «Как слова состоят из букв, так и тела – из элементов». Любопытно, что по одной из версий слово elementum происходит от названия следующих по алфавиту латинских согласных: l, m, n («el» – «em» – «en») и окончания t («tum»).

Современное понятие «элемент» появилось в XVII веке. Английский ученый Роберт Бойль (1627–1691) определял элементы не умозрительно, как древние, а чисто практически. Рассуждал он примерно так: «Если вещества невозможно разложить на более простые, значит они являются элементами и состоят из атомов только одного сорта. (Сейчас такие вещества называют простыми.) Если же вещества разлагаются под действием кислот или при сильном нагреве, значит эти вещества состоят из разных элементов и являются сложными веществами».

В те времена считать какое‑либо вещество элементом можно было только условно; ведь никто не сомневался в том, что со временем химики сумеют разложить на составные части некоторые из тех веществ, которые признавались простыми. Вот что писал по этому поводу французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) в своем учебнике «Элементарный курс химии», изданном в 1789 году: «Все вещества, которые мы еще не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами; но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но… потому, что мы не имеем никаких средств их разделить, эти тела ведут себя, с нашей точки зрения, как простые, и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого».

Сам Бойль, например, полагал, что металлы не являются простыми веществами и потому возможны превращения одних металлов в другие. Такого же мнения придерживался и выдающийся английский физик Исаак Ньютон (1643–1727), потративший массу времени и здоровья на алхимические опыты.

Со временем химики достигли больших успехов в изучении различных превращений. Но у них еще не было достаточно надежных методов, которые бы позволяли различать простые и сложные вещества. Отсюда возникали ошибки даже у известных ученых. Сам Лавуазье в своем учебнике привел таблицу примерно из 30 простых тел. Среди них были действительно простые вещества (газы – кислород, азот, водород; металлы – серебро, золото, медь, олово, железо, ртуть, никель, марганец и др.; неметаллы – сера, фосфор, углерод, хлор). А были и сложные вещества, о чем тогда еще не было известно (например: известь, глинозем, кремнезем). Воду, например, долго считали элементом, пока Лавуазье не опроверг это мнение и не написал в 1783 году сочинение, которое он назвал «Статья, имеющая целью доказать, что вода не простое вещество, не элемент в собственном смысле слова, но что она может быть разложена и получена вновь». Оказалось, что вода образуется при горении многих веществ, например водорода. А с помощью раскаленного железа воду можно снова разложить на водород и кислород (Лавуазье пропускал для этого пары воды через раскаленный ружейный ствол).

Основу современной атомистики заложил английский ученый Джон Дальтон (1766–1844). Свою теорию он вывел исходя из сделанного им открытия. Оказалось, что многие элементы могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, при этом образуются разные вещества. А самое главное – в этих веществах массы элементов кратны друг другу и соотносятся как небольшие числа. Например, углерод может соединяться с кислородом в массовых соотношениях 3:4 или 3:8 (при этом образуется либо угарный газ, либо углекислый); сера соединяется с кислородом в соотношении 1:1 или 2:3, азот с кислородом – в соотношении 7:4, 7:8, 7:12, 7:16 и 7:20 (правда, Дальтону были известны не все эти соединения). Платон, наверное, долго ломал бы голову, соображая, как эти странные соотношения можно подогнать к его теории строения мира. Дальтон же рассудил просто. Существуют атомы углерода, кислорода, серы, азота, причем атомы каждого элемента имеют свою массу. В разных веществах атомы соединяются друг с другом в строго определенных соотношениях. Например, если один атом азота «весит» 7 условных единиц, а один атом кислорода – 8 таких же единиц, то соотношение атомов в разных оксидах азота (так называются соединения азота с кислородом) будет: 2:1, 1:1, 2:3, 1:2 и 2:5.

Рассуждая таким образом и основываясь на экспериментах, Дальтон составил первую таблицу атомных масс. Атомы разных элементов он обозначил разными фигурками, запомнить которые было довольно трудно. Позднее шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил очень простой способ для обозначений атомов – по первой букве названий элементов на латинском языке. Если же буквы у разных названий оказывались одинаковыми, тогда он добавлял вторую букву. Например, водород на латыни – Hydrogenium (в переводе – «рождающий воду»), знак элемента Н; углерод – Carboneum, знак С; кислород – Oxygenium («рождающий кислоты»), знак О; азот – Nitrogenium («рождающий селитру»), знак N и т. д. Теперь различные оксиды азота можно было записать совсем просто: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₅. На таком «языке» говорят сегодня все химики мира; написав формулы, китайский химик легко поймет норвежского, хотя норвежец может не знать ни одного слова по‑китайски, и наоборот.

Помимо аргументов, основанных на представлениях о кратных соотношениях, в пользу атомистического учения приводились и другие доводы. Например, существование красивых кристаллов разной формы – простой (как у поваренной соли, кристаллы которой образуют кубики) или сложной (рис. 1.5) – можно было объяснить тем, что они построены из атомов, которые соединены друг с другом в пространстве по определенным правилам.

^{Рис. 1.5. Кристаллы разной формы: 1 – каменная соль; 2 – гранат; 3 – алмаз; 4 – квасцы; 5 – берилл; 6 – турмалин; 7 – «правая» форма кварца; 8 – «левая» форма кварца; 9 – медный купорос}

Дальтон, чтобы его теория была понятной и наглядной, демонстрировал на своих лекциях разноцветные кубики, которые символизировали атомы разных элементов. Из этих кубиков, подбирая их в нужном количестве, он составлял различные химические соединения. Не все слушатели хорошо понимали суть его теории. Когда одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: «Атомы – это разноцветные деревянные кубики, которые мистер Дальтон показывает на лекциях…»

Массы атомов Дальтон выражал в относительных единицах – ведь он не мог взвесить отдельный атом, который так мал, что не виден даже в микроскоп! Можно было бы взвесить кусочек вещества побольше, но тогда для определения массы одного атома надо было точно знать, сколько атомов в этом кусочке. Во времена Дальтона этого не знали. Позднее химики и физики определили, сколько атомов содержится, например, в одном миллиграмме золота – едва заметной маленькой крупинке. Оказалось – астрономическое число: 3·10¹⁸ (т. е. 3, умноженное на 10 с восемнадцатью нулями)! Сумели построить и приборы, которые позволили разглядеть отдельные атомы (рис. 1.6). Теперь уже никто не вправе усомниться в том, что атомы существуют на самом деле! Правда, значение греческого слова «атомос» уже не соответствует современным представлениям об атоме как о неделимой частице: атомы состоят из более мелких «деталей» – протонов, нейтронов и электронов, а есть и еще более «элементарные» – кварки. Но этот «конструктор» уже не для химиков – им пользуются физики для «конструирования» казавшихся ранее элементарными частиц – протонов и нейтронов.

^{Рис. 1.6. На этой не очень четкой фотографии, сделанной с помощью электронного микроскопа, видны выстроившиеся в ряды атомы элемента ниобия}

В силу того, что никакие химические реакции не способны изменить ядро атома, невозможно химическими методами превратить один атом в другой. Вот почему не переходят друг в друга и химические элементы. Это как в конструкторе: если в нем очень много разных деталей, то из них можно собрать множество сложных конструкций. Но невозможно одну деталь превратить в другую, например кубик – в уголок. Поэтому сейчас только чудаку или совершенно дремучему человеку может прийти в голову идея превратить одно простое вещество в другое (например, свинец в золото, как это пытались в течение сотен лет сделать алхимики). И как мастер может распилить детали и из их частей склеить, спаять или сварить детали другой формы, так и физики сейчас умеют из одних атомов получать другие, правда, не любые. Золото из свинца они вряд ли получат, а вот из ртути, пожалуй, смогут (у ртути заряд ядра атома всего лишь на единицу больше, чем у золота). Однако осуществлять такие чудесные превращения они могут, как правило, лишь с небольшим числом атомов. Так что один грамм «искусственного» золота будет стоить, вероятно, больше, чем тысячи тонн «обычного» золота. Именно по этой причине теперь ни у кого не возникает желания обогатиться, превратив неблагородный металл в золото…

Большинство окружающих нас веществ являются сложными веществами, построенными из нескольких элементов. Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, поваренная соль – из атомов натрия и хлора, сахар – из атомов углерода, водорода и кислорода (поэтому сахар относят к углеводам), витамин В₁₂ – из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и кобальта и т. д.

На практике понятие простого вещества, как и многие другие химические понятия, носит условный характер. (Все же химия – не математика!) Ведь «железный» гвоздь сделан вовсе не из чистого железа, а из низкоуглеродистой стали, содержащей небольшое количество углерода. Чистое железо очень мягкое и почти никогда не используется. То же можно сказать про свинцовую оболочку кабеля, серебряную вилку, алюминиевую ложку – все они представляют собой сплавы разных металлов, хотя свинца, серебра и алюминия в них больше всего. Например, «серебряные» полтинники, которые были отчеканены в нашей стране в 1921–1927 годах в количестве почти 150 миллионов, и потому их сохранилось довольно много, содержат только 90 % серебра, остальное – медь.

Вообще число относительно чистых простых веществ, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни, невелико. Из металлов это, прежде всего, медь и алюминий, из которых сделаны электрические провода (примеси снижают электропроводность). Раскаленный волосок электрической лампочки – практически чистый, очень тугоплавкий металл вольфрам, а тоненькие подвески с крючками на концах, которые одним концом впаяны в стекло, а другим поддерживают вольфрамовую нить, сделаны из тугоплавкого металла молибдена. Тонкий защитный слой на консервной банке – практически чистое олово, а красивые крупные кристаллы на стенках и дне нового «железного» ведра – это цинк. В некоторых магазинах можно увидеть очень дорогие юбилейные монеты из платины, палладия, золота, сделанные из металлов высокой чистоты (степень чистоты на них, как правило, указана и может достигать 99,9 %). В медицинских градусниках используют единственный жидкий при 20 °C металл – ртуть. Многие металлические изделия покрывают хромом или никелем, которые придают предметам привлекательный блеск. Вот, пожалуй, и все чистые металлы, встречающиеся в быту. Остальные – это сплавы, которых огромное множество: латунь, бронза, томпак, баббит, мельхиор, нейзильбер, дуралюминий, силумин, инвар, платинит, нихром, константан – всех не перечислить…

Из неметаллов в быту в чистом виде встречается сера (ее используют для борьбы с вредителями растений), углерод (например, в виде сажи), гелий (им наполнены «летучие» воздушные шарики, а раньше для этого использовали более дешевый, но горючий водород), криптон (в электрических «криптоновых» лампочках, отличающихся при той же мощности меньшим размером и грибовидной формой). Конечно, если покопаться в микросхеме компьютера или телевизора, возможно, найдутся маленькие кристаллы чистого кремния и германия.

Дата добавления: 2014-11-20