4.1. Хімічні елементи

Сукупність атомів, що мають ядра з однаковим електричним зарядом, називається елементом.

Так, усі атоми, що мають ядра із зарядом +e, причому кожне ядро має зв'язаний з ним електрон, який нейтралізує заряд ядра, становлять елемент Гідроген, а всі атоми із зарядом ядра +92e становлять елемент Уран.

Елементарною речовиною називають таку речовину, що складається з атомів лише одного елемента.

Сполука — це речовина, що складається з атомів двох або кількох елементів. При цьому атоми двох або кількох різних елементів мають бути присутні у певних числових співвідношеннях, оскільки кожна сполука має цілком певний склад.

Електричний заряд ядра атома, виражений в одиницях заряду протона, називається атомним номером даного атома. Зазвичай атомний номер позначають символом Z, електричний заряд ядра з атомним номером Z дорівнює Ze при заряді протона, що дорівнює e, і заряді електрона, що дорівнює —e. Отже, найпростіший атом — атом Гідрогену — має атомний номер 1; він складається з ядра з електричним зарядом e і електрона з електричним зарядом —e.

Невдовзі після відкриття електрона як складової частини речовини було визнано, що елементам можна приписати атомні номери, які показують кількість електронів в атомі кожного елемента, проте до 1913 р. не було відомо, як це правильно зробити. У 1913 р. молодий англійський фізик Генрі Дж. Мозлі (1887—1915), який працював у Манчестерському університеті, встановив, що атомний номер будь-якого елемента можна визначити за результатами вивчення рентгенівських променів, які випромінює трубка, що містить цей елемент. За кілька місяців експериментальної роботи йому вдалося точно визначити атомні номери багатьох елементів.

Рис. 4.1. Схема, що демонструє закономірність зміни довжини хвилі рентгенівського випромінювання для ряду елементів.

Було встановлено, що рентгенівські промені, які випромінює рентгенівська трубка, дають лінії певної довжини хвилі, характерні для матеріалу мішені, використаної в цій трубці. Мозлі виміряв довжини хвиль рентгенівського випромінювання багатьох елементів і встановив, що їх зміна відбувається цілком закономірно. Довжини хвиль двох головних рентгенівських ліній елементів від Алюмінію до Цинку (за винятком газу аргону) наведено на рис. 4.1.

Закономірність зміни довжин хвиль наочніше можна показати, якщо побудувати діаграму, на якій значення квадратних коренів з обернених величин довжин хвиль двох ліній характеристичних рентгенівських променів для різних елементів відкласти в певній послідовності, а саме в порядку зростання атомних номерів цих елементів. На діаграмах такого роду, які називають діаграмами Мозлі, точки для будь-якої даної рентгенівської лінії лягають на пряму. Діаграму Мозлі для елементів від Алюмінію до Цинку наведено на рис. 4.2. За допомогою такої діаграми Мозлі встановити точні атомні номери елементів було неважко (див. відповідний підрозд. розд. 5, присвячений теорії Бора).

Рис. 4.2. Графік залежності між значеннями квадратних коренів з обернених величин довжин хвиль рентгенівського випромінювання елементів (для K_α-  і K_β - ліній) і положенням елементів у періодичній системі. Цей графік, який називають діаграмою Мозлі, було використано ним для визначення атомних номерів елементів.

За електричного розряду в частково вакуумованій трубці відбуваються зіткнення швидко рухомих електронів з атомами й молекулами; кожне зіткнення може призвести до відриву одного чи кількох електронів від атома або молекули, які внаслідок цього стають позитивно зарядженими. Така позитивно заряджена частинка називається катіоном. (Зверніть увагу на те, що катіон притягується катодом — негативно зарядженим електродом; аніон, який є негативно зарядженим атомом або молекулою, притягується до анода — позитивно зарядженого електрода. Терміни «катіон» і «аніон» ввів Майкл Фарадей у 1834 р. при описі ним провідності електрики водними розчинами солей.) Катіони, що притягуються перфорованим катодом, проходять крізь отвори й продовжують рух у вигляді пучків позитивно заряджених частинок. У 1912 р. Дж. Дж. Томсон за допомогою установки, що створює електричне й магнітне поля (дещо схожої на установку, показану на рис. 3.7), виявив, що катіони Неону (Z= 10) існують у двох видах: один із масою приблизно в 20 разів і другий із масою приблизно в 22 рази більшою за масу протона. Їх назвали ізотопами (від грецьких слів isos — «такий самий» і topos — «місце», причому мається на увазі місце в періодичній таблиці елементів); прийнято вважати, що ізотопи різняться за масовим числом, яке позначається символом A. Елемент Неон, виявлений в атмосфері, містить 89,97% першого ізотопа з A=20, 9,73% другого з A =22 і 0,30% третього ізотопа з A=21, не поміченого Томсоном.

Усі відомі елементи мають два або більше ізотопів. У деяких випадках, наприклад, в Алюмінію, у природі трапляється лише один ізотоп, а решта ізотопів нестійкі. З усіх елементів найбільше число стійких ізотопів має Станум (10 ізотопів).

Хімічні властивості всіх ізотопів будь-якого елемента в основному однакові. Ці властивості визначаються головним чином атомним номером ядра, а не його масою.

Слово нуклід використовують для позначення речовини, що складається з атомів, ядра яких мають однаковий атомний номер Z і однакове масове число A. Нукліди одного й того самого елемента є ізотопами.

Назви елементів наведено в табл. 4.1. У ній указано також хімічні символи, які використовують як скорочення для назв елементів. Для символа, як правило, використовують початкову літеру назви елемента і в разі потреби додають ще одну. Зазвичай це початкові літери латинських назв елементів: Na — Натрій (natrium), K — Калій (kalium), Fe — Ферум (ferrum), Cu — Купрум (cuprum), Ag — Аргентум (argentum), Au — Аурум (aurum), Hg — Меркурій (hydrargyrum), Sn — Станум (stannum), Sb — Стибій (stibium), Pb — Плюмбум (plumbum). Систему хімічних символів запропонував у 1811 р. шведський хімік Єнс Якоб Берцеліус (1779—1848).

Елементи, розташовані в певному порядку у вигляді періодичної таблиці, наведено також на форзаці — внутрішньому боці палітурки книги — і в табл. 5.1.

Символ елемента використовують як для позначення атома даного елемента, так і для позначення самого елемента. Символом I позначають елемент Йод, але цим символом можна також позначати елементарну речовину, проте елементарну речовину прийнято позначати формулою I₂, оскільки відомо, що молекули елементарного йоду складаються з двох атомів як у твердому й рідкому, так і в газоподібному станах (якщо не враховувати стани за умов дуже високих температур). У формулах, що виражають склад або молекулярну будову речовини, цифровий індекс праворуч унизу при символі елемента показує число атомів даного елемента в молекулі.