Химические элементы и структура вещества

Именно электронная оболочка атома определяет химические свойства соответствующего химического элемента. По современным представлениям химический элемент– это совокупность атомов, имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева). На рисунке 3.1 приведены несколько простых примеров. В электронной оболочке атома водорода (вверху) – один электрон. Атом гелия ²He (в середине) содержит в электронной оболочке два электрона. В атоме лития ³Li (внизу) третий электрон находится на второй электронной оболочке.

В настоящее время известно 118 химических элементов, но элементы с номерами больше 94-го (плутоний ⁹⁴Pu) в природе не наблюдаются, они искусственно синтезированы посредством ядерных реакций. Начиная с 1994 года в лабораториях разных стран (Германия, Россия, США) были синтезированы элементы с порядковыми номерами с 110 по 118 (причем 117-ый элемент был успешно синтезирован в Институте ядерных исследований (Дубна, Россия) лишь в 2009-2010 годах). Время жизни изотопов этих элементов составляет малые доли секунды (например, период полураспада 112-го элемента коперниция ¹¹²Cn составляет около 19 мс). Единственный открытый в России элемент - рутений (⁴⁴Ru), впервые получил в 1844 году в Казани профессор Казанского университета Карл Клаус. Этот элемент, близкий по свойствам к платине, применяется при изготовлении высокопрочных сплавов (например, в перьях дорогих авторучек), электрических контактов, а также в медицине.

Молекула– наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, состоящая из двух или более атомов, которые образуют определенную структуру. Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул (на рис. 3.2 приведено строение кристалла поваренной соли NaCl, линиями показаны химические связи между атомами натрия (красные) и хлора (белые)). Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные частицы являются ионами, частицы неспаренными электронами и незаполненными электронными оболочками называются радикалами. Существуют очень сложные молекулы – макромолекулы. Наиболее широкораспространенными макромолекулами являются полимеры. Полимеры – это неорганические и органические вещества, образованные из многократно повторяющихся групп атомов, соединённых химическими связями. Часто в строении полимера можно выделить мономер – повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов; встречаются полимеры, состоящие из нескольких разновидностей мономеров и имеющие сложную пространственную трёхмерную структуру. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полипропилен, поливинилацетат и т. п. Полимер образуется из мономеров в результате химических реакций полимеризации или поликонденсации. Так, молекулы этилена в процессе полимеризации образуют цепочки из тысячи мономеров – макромолекулы полиэтилена, а в результате полимеризации природных мономеров – аминокислот, образуются белки. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические и некоторые неорганические вещества. В настоящее время большое число полимеров получают синтетическим путём из более простых соединений природного происхождения. Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в промышленности (например, синтетические материалы), медицине (лекарственные средства), в быту (бытовая химия и пр.) Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения - полимеры.

3.4.3 Простые и сложные вещества

По строению и степени сложности все химические вещества делят на простые и сложные. Простые вещества – это вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента и химически не связанные с другими элементами. Они являются формой существования химических элементов в свободном виде. Известно свыше 400 разновидностей простых веществ. В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть металлами (железо Fe, литий Li, молибден Mo, свинец Pb и другие – всего 98 элементов) и неметаллами (кремний Si, селен Se, водород H₂, хлор Cl₂ и пр.) По строению и физическому состоянию в нормальных условиях в простых веществах различают: атомарные (гелий He, неон Ne) и молекулярные (кислород O₂, озон O₃) газы, жидкие (бром Br и ртуть Hg) и различные твердые формы неметаллов (иод I, сера S, фосфор P, углерод C и т. д.) и металлов (не в виде сплавов). В качестве примера на рис. 3.3 показаны схемы строения молекул нескольких модификаций углерода (a –алмаз, b– графит, c– лонсдейлит, d –фуллерен C₆₀, e– фуллерен C₅₄₀, f – фуллерен C₇₀, g– аморфный углерод, h– углеродная нанотрубка).

Сложные вещества – это химические вещества, которые состоят из атомов разного вида, т. е. их молекулы содержат атомы двух или более химических элементов. Сложными веществами являются большинство неорганических и все органические вещества. При химических реакциях они могут образоваться из нескольких простых веществ и, наоборот, могут разлагаться с образованием нескольких простых веществ. Например, оксид серебра (Ag₂O) состоит из двух атомов и одного атома кислорода, пропан (C₃H₈) из трех атомов углерода и восьми – водорода. Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул (например, азотная кислота HNO₃, гексахлорэтан C₂Cl₆, триметиловый эфир лимонной кислоты HOC(COOCH₃)(CH₂COOCH₃)₂, оксид цинка ZnO), а строение структурными формулами. В качестве примеров на рис. 3.4 показаны трехмерные модели и структурные формулы нескольких неорганических (а, б) и органических веществ (в, г.).

а. Пероксид водорода (перекись водорода)

б. Сульфат меди (медный купорос) CuSO₄·5H₂O

в. Метанол (метиловый спирт)

г. Аминокислота цистин (атомы углерода C показаны серым цветом, водорода H – белым, кислорода O – красным, азота N – синим, серы S - желтым).