Простые вещества

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Периодическая таблица — не хронология открытий: элементы в ней расположены по атомному номеру, а положение элемента помогает понять закономерности строения атомов и химических свойств образуемых ими веществ.

Немецкий алхимик XVII века Хенниг Бранд (ок. 1630 — ок. 1710) был золотоискателем. Женившись, он бросил службу в армии и вложил приданое жены в поиски философского камня — мифического вещества или минерала, о котором алхимики грезили многие века. Легенда гласит, что философский камень способен трансмутировать обычные металлы вроде железа или свинца в золото. После смерти первой супруги Бранд нашел себе вторую и продолжил поиски в том же духе. Судя по всему, он решил, что философский камень можно синтезировать из телесных жидкостей, и приобрел ни много ни мало 1500 галлонов человеческой мочи, из которой вознамерился экстрагировать волшебное вещество. Наконец в 1669 году он сделал поразительное открытие, хоть и не философского камня. В ходе экспериментов, при кипячении и упаривании мочи, Бранд нечаянно стал первым человеком, получившим простое вещество с применением химических методов.

Хенниг Бранд

Бранд добыл вещество, содержащее фосфор, которое он назвал холодным огнем, потому что оно светилось в темноте. Но простым веществом фосфор признали только в 1770-х годах. К тому времени простые вещества открывали сплошь и рядом: всего за десятилетие химики выделили кислород, азот, хлор и марганец.

В 1869 году, через два века после открытия Бранда, русский химик Дмитрий Менделеев составил Периодическую таблицу, и фосфор занял в ней положенное ему место — между кремнием и серой.

Дмитрий Менделеев

Что такое элемент?

В истории до сравнительно недавнего времени элементами считали огонь, воздух, воду и землю. Загадочный пятый элемент — эфир — добавили, чтобы как-то описать состав звезд, поскольку, с точки зрения философа Аристотеля, из земных элементов они состоять не могут. Слово «элемент» происходит от латинского elementum, что означает «первый принцип», или «простейшая форма», — неплохое описание, однако оно все же не объясняет разницу между элементом и простым веществом.

А разница вот в чем. Простое вещество — форма существования атомов определенного химического элемента, а химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Кусок Брандова фосфора — ядовитого вещества и составляющей одного нервно-паралитического газа, так уж вышло, — состоит из атомов одного химического элемента. Что занимательно, не все куски фосфора выглядят одинаково, потому что атомы фосфора могут быть организованы по-разному, из-за чего меняется не только внутреннее устройство вещества, но и его внешний вид. В зависимости от того, как именно организованы его атомы, фосфор бывает белый, черный, красный или фиолетовый. Эти разновидности и ведут себя по-разному — например, температуры плавления у них сильно разнятся. Белый фосфор плавится на солнце в жаркий день, а черный придется для этого греть до 600 °С в ревущей домне. Хотя и тот и другой состоят из одних и тех же атомов с составом из 15 протонов и 15 электронов.

Закономерности Периодической таблицы

На несведущий взгляд, Периодическая таблица представляется эдакой оригинальной игрой «Тетрис», где, в зависимости от того, на какую версию вы смотрите, те или иные детальки не долетели до дна. На первый взгляд в таблице не мешало бы навести порядок. На самом же деле этот сумбур строго упорядочен, и в кажущемся кавардаке любому химику по силам быстро отыскать нужные сведения. А все оттого, что в этой хитрой схеме содержатся скрытые закономерности, объединяющие элементы в соответствии с их атомным устройством и химическим поведением.

«Мир химических реакций подобен театральной сцене... Актеры – вещества» Клеменс Александр Винклер (1838-1904), немецкий химик-технолог, первооткрыватель элемента германия

Вдоль рядов таблицы слева направо элементы выстроены по порядку атомного числа — количества протонов в ядре атома элемента. Однако гений Менделеева распознал, что свойства элементов с определенного места в таблице начинают повторяться и следует начать новый ряд. Соответственно, из столбцов можно извлечь более подробные сведения о том или ином элементе и его простых веществах. Возьмем столбец (группу) справа, от гелия до радона. Это благородные (инертные) газы, бесцветные и при нормальных условиях чрезвычайно ленивые в отношении каких бы то ни было химических взаимодействий. Неон, например, чрезвычайно химически инертен; устойчивые нейтральные соединения неона при обычных условиях не известны. Причина такого безразличия — в электронном устройстве атомов неона. Если представить модель атома упрощенно, внутри любого атома электроны располагаются на определенных концентрических оболочках — и лишь в определенном количестве. Если оболочка уже заполнена, электроны занимают следующий слой, отстоящий от ядра дальше. Поскольку число электронов в атоме возрастает от элемента к элементу по мере увеличения атомного числа, у атома каждого элемента — своя электронная конфигурация. Ключевая особенность благородных газов в том, что их внешние оболочки заполнены. Такая структура очень устойчива, то есть электроны трудно вовлечь в какие бы то ни было взаимодействия.

В Периодической таблице много и других закономерностей. При движении вдоль ряда слева направо, к инертным газам, вырвать электрон из атома делается все труднее (требуется больше энергии); то же верно и при движении снизу вверх. Середина таблицы занята в основном металлами, и по мере приближения к нижнему левому углу они делаются все более металлическими. Применяя понимание этих закономерностей, химики предсказывают, как поведут себя в химических реакциях те или иные простые вещества.

Сверхтяжелые

У химии с боксом мало общего, но одно их роднит: и там и там есть свои «сверхтяжеловесы». Уран с атомным номером 92 — самый тяжёлый элемент, встречающийся в природе в значительных первичных количествах; следовые количества некоторых более тяжёлых элементов, включая плутоний, могут возникать естественным путём. Все элементы тяжелее урана были также получены искусственно в ядерных реакциях. На 2026 год Периодическая таблица официально включает элементы до оганесона с атомным номером 118.

Расшифруем Периодическую таблицу

В Периодической таблице элементы обозначают химическими символами. Порядковый, или атомный, номер равен числу протонов в ядре. В обычных таблицах рядом также приводят относительную атомную массу (для элементов без стандартной атомной массы часто указывают массовое число выбранного изотопа). Массовое число конкретного изотопа равно сумме протонов и нейтронов и не является одной неизменной характеристикой всех атомов элемента.

Охота на тяжелейшего среди сверхтяжелых

История сверхтяжёлых элементов знает и ошибочные заявления. В 1999 году группа Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли сообщила о синтезе элементов 116 и 118, но результаты не удалось воспроизвести, а опубликованные данные впоследствии были отозваны. Признанные открытия сверхтяжёлых элементов связаны с другими экспериментами международных коллективов. Элемент 116 получил официальное название ливерморий (Lv), а элемент 118 в 2016 году — оганесон (Og); IUPAC признал приоритет открытия элемента 118 за сотрудничеством ОИЯИ в Дубне и Ливерморской национальной лаборатории.