Совокупность атомов, имеющих ядра с одинаковым электрическим зарядом, называется элементом.
Так, все атомы, имеющие ядра с зарядом +е, причем каждое ядро имеет связанный с ним электрон, нейтрализующий заряд ядра, составляют элемент водород, а все атомы с зарядом ядра +92е составляют элемент уран.
Элементарным веществом называют такое вещество, которое состоит из атомов только одного элемента.
Соединение — это вещество, состоящее из атомов двух или нескольких элементов. При этом атомы двух или нескольких различающихся элементов должны присутствовать в определенных числовых соотношениях, поскольку каждое соединение имеет вполне определенный состав.
Атомный номер
Электрический заряд ядра атома, выраженный в единицах заряда протона, называется атомным номером данного атома. Обычно атомный номер обозначают символом Z, электрический заряд ядра с атомным номером Z равен Ze при заряде протона, равном е, и заряде электрона, равном —е. Следовательно, простейший атом — атом водорода имеет атомный номер 1; он состоит из ядра с электрическим зарядом е и электрона с электрическим зарядом —е.
Определение атомных номеров элементов
Вскоре после открытия электрона как составной части вещества было признано, что элементам можно приписать атомные номера, показывающие число электронов в атоме каждого элемента, однако до 1913 г. не было известно, как правильно это сделать. В 1913 г. молодой английский физик Генри Дж. Мозли (1887—1915), работавший в Манчестерском университете, установил, что атомный номер любого элемента можно определить по результатам изучения рентгеновских лучей, испускаемых трубкой, содержащей этот элемент. За несколько месяцев экспериментальной работы ему удалось точно определить атомные номера многих элементов.
Рис. 4.1. Схема, демонстрирующая закономерность изменения длины волны рентгеновского излучения для ряда элементов.
Было установлено, что рентгеновские лучи, испускаемые рентгеновской трубкой, дают линии определенной длины волны, характерные для материала мишени, используемой в этой трубке. Мозли измерил длины волн рентгеновского излучения многих элементов и установил, что их изменение происходит вполне закономерно. Длины волн двух главных рентгеновских линий элементов от алюминия до цинка (за исключением газа аргона) приведены на рис. 4.1.
Закономерность изменения длин волн более наглядно можно показать, если построить диаграмму, на которой значения корней квадратных из обратных величин длин волн двух линий характеристических рентгеновских лучей для разных элементов отложить в определенной последовательности, а именно в порядке возрастания атомных номеров этих элементов. На диаграммах такого рода, называемых диаграммами Мозли, точки для любой данной рентгеновской линии ложатся на прямую. Диаграмма Мозли для элементов от алюминия до цинка приведена на рис. 4.2. При помощи такого рода диаграммы Мозли не представляло большого труда установить точные атомные номера элементов (см. соответствующий разд. гл. 5, посвященный теории Бора).
Рис. 4.2. График зависимости между значениями корней квадратных из обратных величин длин волн рентгеновского излучения элементов (для Кα- и Кβ - линий) и положением элементов в периодической системе. Этот график, называемый диаграммой Мозли, был использован им для определения атомных номеров элементов.
Изотопы
При электрическом разряде в частично вакуумированной трубке происходят столкновения быстро движущихся электронов с атомами и молекулами; каждое столкновение может привести к отрыву одного или нескольких электронов от атома или молекулы, которые в результате становятся положительно заряженными. Такая положительно заряженная частица называется катионом. (Обратите внимание на то, что катион притягивается катодом — отрицательно заряженным электродом; анион, представляющий собой отрицательно заряженный атом или молекулу, притягивается к аноду — положительно заряженному электроду. Термины «катион» и «анион» были введены Майклом Фарадеем в 1834 г. при описании им проводимости электричества водными растворами солей.) Катионы, притягиваемые перфорированным катодом, проходят через отверстия и продолжают движение в виде пучков положительно заряженных частиц. В 1912 г. Дж. Дж. Томсон при помощи установки, создающей электрическое и магнитное поля (несколько напоминающей установку, показанную на рис. 3.7), обнаружил, что катионы неона (Z= 10) существуют в двух видах: один с массой примерно в 20 раз и другой с массой примерно в 22 раза больше массы протона. Они были названы изотопами (от греческих слов isos — «такой же» и topos — «место», причем имеется в виду место в периодической таблице элементов); принято считать, что изотопы различаются по массовому числу, которое обозначается символом А. Элемент неон, обнаруженный в атмосфере, содержит 89,97% первого изотопа с А=20, 9,73% второго с А =22 и 0,30% третьего изотопа с А=21, не замеченного Томсоном.
Все известные элементы имеют два или больше изотопов. В некоторых случаях, например у алюминия, в природе встречается только один изотоп, а остальные изотопы неустойчивы. Из всех элементов наибольшее число устойчивых изотопов имеет олово (10 изотопов).
Химические свойства всех изотопов любого элемента в основном одинаковы. Эти свойства определяются главным образом атомным номером ядра, а не его массой.
Слово нуклид используют для обозначения вещества, состоящего из атомов, ядра которых имеют одинаковый атомный номер Z и одинаковое массовое число Л. Нуклиды одного и того же элемента являются изотопами.
Названия и символы элементов
Названия элементов приведены в табл. 4.1. В ней указаны также химические символы, используемые в качестве сокращений для названий элементов. Для символа, как правило, используют начальную букву названия элемента и в случае необходимости добавляют еще одну. Обычно это начальные буквы латинских названий элементов: Na — натрий (natrium), К — калий (kalium), Fe — железо (ferrum), Си — медь (cuprum), Ag — серебро (argentum), Au — золото (aurum), Hg — ртуть (hydrargyrum), Sn — олово (stannum), Sb — сурьма (stibium), Pb — свинец (plumbum). Система химических символов была предложена в 1811 г. шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом (1779—1848).
Элементы, расположенные в определенном порядке в виде периодической таблицы, приведены также на форзаце — внутренней стороне переплета книги — и в табл. 5.1.
Символ элемента используют как для обозначения атома данного элемента, так и для обозначения самого элемента. Символом I обозначают элемент иод, но этим символом можно также обозначать элементарное вещество, однако элементарное вещество принято обозначать формулой I2, поскольку известно, что молекулы элементарного иода состоят из двух атомов как в твердом и жидком, так и в газообразном состояниях (если не учитывать состояния в условиях очень высоких температур). В формулах, выражающих состав или молекулярное строение вещества, цифровой индекс справа внизу при символе элемента показывает число атомов данного элемента в молекуле.