Физические и химические явления 3 страница

                                 

Рисунок 54. Изображение атомов, полученное при помощи атомно-силового микроскопа

Рисунок 55. Изображение молекулы, полученное при помощи туннельного микроскопа

Однако существуют и такие явления, при которых атомы делятся, атомы одного вида превращаются в атомы других видов. При этом получены искусственно и такие атомы, которые в природе не найдены.

Но эти явления изучаются не химией, а другой наукой – ядерной физикой.

Как уже говорилось, существуют и другие вещества, в состав которых входят атомы водорода и кислорода. Но, независимо от того, входят эти атомы в состав молекул воды, или в состав других веществ – это атомы одного и того же химического элемента.

Сколько всего существует видов атомов? На сегодняшний день человеку достоверно известно о существовании 118 видов атомов, то есть 118 химических элементов. Из них в природе встречаются 90 видов атомов, остальные получены искусственно в лабораториях.

 

Символы химических элементов

В химии для обозначения химических элементов используют химическую символику. Это – язык химии. Для понимания речи на любом языке необходимо знать буквы, в химии точно так же. Чтобы понимать и

Рисунок 56. Обозначения химических элементов алхимиками

 

элементов.

описывать свойства веществ, и изменения, происходящие с ними, прежде всего, необходимо знать символы химических

В эпоху алхимии химических элементов было известно намного меньше, чем сейчас. Алхимики отождествляли их с планетами, различными животными, античными божествами (рисунок 56).

В настоящее время во всем мире пользуются системой обозначений, введенной шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом. В его системе химические элементы обозначают начальной или одной из последующих букв латинского названия данного элемента. Например, элемент серебро обозначается символом – Ag (лат. Argentum).

 

 

Рисунок 57. Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848)

Ниже приведены символы, произношения символов, и названия наиболее распространенных химических элементов. Их нужно заучить на память!

Название химического элемента	Химический символ	Произношение символа
Водород	Н	Аш
Гелий	Не	Гелий
Литий	Li	Литий
Бериллий	Be	Бериллий
Бор	В	Бор
Углерод	С	Цэ
Азот	N	Эн
Кислород	О	О
Фтор	F	Фтор
Натрий	Na	Натрий
Магний	Mg	Магний
Алюминий	Al	Алюминий
Кремний	Si	Силициум
Фосфор	Р	Пэ
Сера	S	Эс
Хлор	Cl	Хлор
Калий	К	Калий
Кальций	Са	Кальций
Хром	Cr	Хром
Марганец	Mn	Марганец
Железо	Fe	Феррум
Медь	Cu	Купрум
Цинк	Zn	Цинк
Бром	Br	Бром
Серебро	Ag	Аргентум
Олово	Sn	Станум
Йод	I	Йод
Барий	Ba	Барий
Золото	Au	Аурум
Ртуть	Hg	Гидраргирум
Свинец	Pb	Плюмбум

 

Периодическая Система химических элементов Д.И. Менделеева

Русский химик Дмитрий Иванович Менделеев первым упорядочил разнообразие химических элементов, и на основании открытого им Периодического Закона составил Периодическую Систему химических элементов.

Как устроена Периодическая Система химических элементов?

На рисунке 58 изображен короткопериодный вариант Периодической Системы.

Периодическая Система состоит из вертикальных столбцов и горизонтальных строк. Горизонтальные строки называются периодами. На сегодняшний день все известные элементы размещаются в семи периодах. Периоды обозначают арабскими цифрами от 1 до 7.

Периоды 1–3 состоят из одного ряда элементов – их называют малыми.

Периоды 4–7 состоят из двух рядов элементов, их называют большими.

Вертикальные столбцы Периодической Системы называют группами элементов. Всего групп восемь, и для их обозначения используют римские цифры от I до VIII. Выделяют главные и побочные подгруппы.

Периодическая Система – универсальный справочник химика, с ее помощью можно получить информацию о химических элементах.

Существует еще один вид Периодической Системы – длиннопериодный

(рисунок 60).

В       длиннопериодной форме Периодической Системы элементы сгруппированы иначе, и распределены на 18 групп. В данном варианте Периодической Системы                            элементы

сгруппированы по «семействам», то есть в каждой группе элементов расположены элементы со сходными, похожими свойствами. В данном варианте Периодической Системы, номера групп, как и периодов, обозначают арабскими цифрами.

Элементы 1, 2, 13–18 групп являются элементами главных подгрупп. Элементы групп 3–12 – элементы побочных подгрупп.

Рисунок 58. Периодическая Система химических элементов Д.И. Менделеева (короткопериодная форма)

 

Рисунок 59. Характеристики элемента в Периодической Системе

Рисунок 60. Периодическая Система химических элементов Д.И. Менделеева (длиннопериодная форма)

 

Распространенность                 химических элементов в природе

Атомы элементов, встречающихся в природе, распределенные в ней очень неравномерно. В космосе самым распространенным элементом является водород – первый элемент Периодической Системы. На его долю приходится около 93% всех атомов Вселенной (рисунок 61). Около 6,9% составляют атомы гелия – второго элемента Периодической Системы. Остальные 0,1% приходится на все остальные элементы.

Распространенность химических элементов в земной коре значительно отличается от их распространенности во Вселенной (рисунок 61). В земной коре больше всего атомов кислорода и кремния. Вместе с алюминием и железом они формируют основные соединения земной коры. А железо и никель – основные элементы, из которых состоит ядро нашей планеты.

Живые организмы также состоят из атомов различных химических элементов. В организме человека больше всего содержится атомов углерода, водорода, кислорода и азота.

Рисунок 61. Распространенность химических элементов во Вселенной (в % от общего числа атомов) и в земной коре (в % от общей массы)

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Что такое химический элемент?

Найдите в Периодической Системе и прочтите вслух символы следующих элементов: Li, N, Al, H, O, Na, Cu, Hg, S, P, Cl, Br, Mg.

Прочтите символы химических элементов, из которых состоят следующие вещества: мел – CaCO3, вода – Н2O, поваренная соль – NaCl, метан – CH4, сахар – С12Н22О11.

Выпишите из Периодической Системы символы всех элементов, которые начинаются с буквы А. Сколько всего существует таких элементов?

Выпишите из Периодической Системы символы элементов, названия которых начинаются на букву М. Сколько всего существует таких элементов?

При помощи дополнительных источников информации составьте короткое сообщение о происхождении названия какого-либо элемента.

Какой элемент лишний в каждой тройке: а) Li, Na, Be; б) F, Cl, S; в) Mg, P, H; г) K, Cr, Ag.

Укажите группу, подгруппу, период для водорода, серы, аргона, кальция, марганца, цинка, йода, серебра, бария, брома, мышьяка, вольфрама.

Выпишите как можно больше символов элементов, названия которым даны в честь

1) знаменитых ученых,     2) различных стран и городов,    3) античных божеств и т.п.

Какой элемент является наиболее распространенным: а) в земной коре; б) в гидросфере; в) в атмосфере; г) в космосе?

 

Блокнот эрудита

27. Названия элементов. Недавно открытые элементы, пока им не дали названия, временно обозначают с использованием порядкового номера в Периодической Системе.

Например, элемент с номером 117 – унунсептий (ун – латинском «один», а

септа – «семь») и обозначают Uus, а элемент №118 – унуноктий (окта – латинском

«восемь») и обозначают Uuo.

28. ЙЁНС ЯКОБ БЕРЦЕЛИУС (1779–1848)

Йёнсу Якобу Берцелиусу не исполнилось и тридцати, когда его избрали президентом Шведской академии наук. В одной из своих работ он назвал кислород центром, «вокруг которого вращается вся химия». Можно сказать, что химия первой половины XIX в. «вращалась» вокруг Берцелиуса, и это не преувеличение.

Вот как характеризовал его деятельность видный химик и историк науки Пауль Вальден: «Берцелиус включил в свой строительный план неорганическую и органическую химию, аналитическую и минералогическую, физиологическую и электрохимию. Он дал строительный материал, исследуя химические элементы, число которых увеличил новыми открытиями. Он положил фундамент, расположив атомы по размеру, числу и весу, и связал их электрическими силами. Он больше, чем кто-либо до него, способствовал основанию века количественной химии. Он оставил этому веку новый язык символов, ценные новые понятия и новых мастеров химии».

Антуан Лавуазье и Джон Дальтон почитаются «отцами» классической химии, окончательно сформировавшейся на исходе XVIII в. В начале XIX столетия их «дитя» делало лишь первые робкие шаги. Берцелиус стал одним из тех

«наставников», которые помогли ему обрести уверенную поступь.

На фундаменте атомно-молекулярного учения возводилось здание классической химии. Шведский исследователь разработал стройную систему атомных весов, с большой точностью определил значения многих из них. До него фактически отсутствовали общепризнанные обозначения элементов. Состав соединений и течение реакций химики описывали словесно, притом на разных языках. Берцелиус создал международный химический язык: он ввёл буквенные обозначения латинских названий элементов. Предложенные им символы почти без изменений сохранились до нашего времени.

Четыре химических элемента открыл сам Берцелиус: церий, селен, кремний и торий. Учёному помогало искусное владение методами химического анализа, а также то, что он был непревзойдённым знатоком минералов и разработал их оригинальную классификацию.

Особую славу принесла Берцелиусу электрохимическая (дуалистическая) теория: каждое химическое соединение состоит из двух частей – положительно и отрицательно заряженной. Хотя при жизни учёного эта идея подвергалась критике, в начале XX в. ей предстояло возродиться в новой ипостаси – в виде электронных теорий химической связи.

Он  обогатил химическую науку многими терминами и  понятиями:

«катализ», «катализатор», «изомерия», «аллотропия»; впервые употребил название

«органическая химия». Написанный Берцелиусом пятитомный «Учебник химии» стал настольной книгой для исследователей – его современников. Начиная с 1821 г. учёный издавал «Ежегодные сообщения об успехах химии и физики» – прообраз будущих реферативных журналов.

Берцелиус был избран иностранным членом многих академий и научных обществ; с 1820 г. он являлся почётным членом Петербургской академии наук.

29. ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ МЕНДЕЛЕЕВ (1834–1907)

Русский химик Дмитрий Иванович Менделеев родился в Тобольске в семье директора гимназии. Во время

обучения в гимназии Менделеев имел        весьма посредственные оценки, особенно по латинскому языку. В 1850 г. он поступил на отделение естественных                    наук физико-математического факультета                                          Главного педагогического института в Петербурге. Среди профессоров института        были   тогда такие выдающиеся учёные, как физик Э.Х. Ленц,                                          химик А.А. Воскресенский, математик Н.В. Остроградский.  В 1855 г. Менделеев окончил институт с золотой медалью и был назначен старшим учителем гимназии в Симферополь,   но     из-за начавшейся Крымской войны перевёлся в Одессу, где работал учителем в Ришельевском лицее.

В  1856 г.  Менделеев

защитил в Петербургском университете магистерскую диссертацию, в 1857 г. был утверждён приват-доцентом этого университета и читал там курс органической химии. В 1859–1861 гг. Менделеев находился в научной командировке в Германии,

где работал в лаборатории Р. Бунзена и Г. Кирхгофа в Гейдельбергском университете. К этому периоду относится одно из важных открытий Менделеева – определение «температуры абсолютного кипения жидкостей», известной ныне под названием критической температуры. В 1860 г. Менделеев вместе с другими русскими химиками принимал участие в работе Международного конгресса химиков в Карлсруэ, на котором С. Канниццаро выступил со своей интерпретацией молекулярной теории А. Авогадро. Это выступление и дискуссия по поводу разграничения понятий атома, молекулы и эквивалента послужили важной предпосылкой к открытию периодического закона.

Вернувшись в Россию в 1861 г., Менделеев продолжил чтение лекций в Петербургском университете. В 1861 г. он опубликовал учебник «Органическая химия», удостоенный Петербургской АН Демидовской премии. В 1864 г. Менделеев был избран профессором химии Петербургского технологического института. В 1865 г. он защитил докторскую диссертацию «О соединении спирта с водой» (тема диссертации часто используется для обоснования легенды об изобретении им 40- градусной водки). В том же году Менделеев был утверждён профессором технической химии Петербургского университета, а через два года возглавил кафедру неорганической химии.

Приступив к чтению курса неорганической химии в Петербургском университете, Менделеев, не найдя ни одного пособия, которое мог бы рекомендовать студентам, начал писать свой классический труд «Основы химии». В предисловии ко второму выпуску первой части учебника, вышедшему в 1869 г., Менделеев привёл таблицу элементов под названием «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве», а в марте 1869 г. на заседании Русского химического общества Н.А. Меншуткин доложил от имени Менделеева его Периодическую Систему элементов. Периодический Закон явился фундаментом, на котором Менделеев создал свой учебник. При жизни Менделеева

«Основы химии» издавались в России 8 раз, ещё пять изданий вышли в переводах на английский, немецкий и французский языки.

В течение последующих двух лет Менделеев внёс в первоначальный вариант Периодической Системы ряд исправлений и уточнений, и в 1871 г. опубликовал две классические статьи – «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств некоторых элементов» (на русском языке) и «Периодическая законность химических элементов» (на немецком языке в «Анналах» Ю. Либиха). На основе своей системы Менделеев исправил атомные веса некоторых известных элементов, а также сделал предположение о существовании неизвестных элементов и отважился предсказать свойства некоторых из них. На первых порах сама Система, внесённые исправления и прогнозы Менделеева были встречены научным сообществом весьма сдержанно. Однако после того, как предсказанные Менделеевым «экаалюминий» (галлий), «экабор» (скандий) и «экасилиций» (германий) были открыты соответственно в 1875, 1879 и 1886 гг., Периодический Закон стал получать признание.

Сделанные в конце XIX – начале XX вв. открытия инертных газов и радиоактивных элементов не поколебали Периодического Закона, но лишь укрепили его. Открытие изотопов объяснило некоторые  нарушения                        последовательности расположения элементов в порядке возрастания их атомных весов (т.н. «аномалии»). Создание теории строения атома окончательно подтвердило правильность расположения Менделеевым элементов и позволило разрешить все сомнения о месте лантаноидов в Периодической Системе.

Учение о периодичности Менделеев развивал до конца жизни. Среди других научных работ Менделеева можно отметить цикл работ по изучению растворов и разработку гидратной теории растворов (1865–1887 гг.). В 1872 г. он начал изучение

упругости газов, результатом которого стало предложенное в 1874 г. обобщённое уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева). В 1880– 1885 гг. Менделеев занимался проблемами переработки нефти, предложил принцип её дробной перегонки. В 1888 г. он высказал идею подземной газификации углей, а в 1891–1892 гг. разработал технологию изготовления нового типа бездымного пороха.

В 1890 г. Менделеев был вынужден покинуть Петербургский университет вследствие противоречий с министром Народного просвещения. В 1892 г. был назначен хранителем Депо образцовых мер и весов (которое в 1893 г. по его инициативе было преобразовано в Главную палату мер и весов). При участии и под руководством Менделеева в палате были возобновлены прототипы фунта и аршина, произведено сравнение русских эталонов мер с английскими и метрическими (1893–1898 гг.). Менделеев считал необходимым введение в России метрической системы мер, которая по его настоянию в 1899 г. была допущена факультативно.

Менделеев был одним из основателей Русского химического общества (1868 г.) и неоднократно избирался его президентом. В 1876 г. Менделеев стал членом-корреспондентом Петербургской АН, но кандидатура Менделеева в академики была в 1880 г. отвергнута. Забаллотирование Менделеева Петербургской АН вызвало резкий протест общественности.

Д.И. Менделеев был членом более 90 академий наук, научных обществ, университетов разных стран. Имя Менделеева носит химический элемент №101 (менделевий), подводный горный хребет и кратер на обратной стороне Луны, ряд учебных заведений и научных институтов. В 1962 г. АН СССР учредила премию и Золотую медаль им. Менделеева за лучшие работы по химии и химической технологии, в 1964 г. имя Менделеева было занесено на доску почёта Бриджпортского университета в  США наряду с именами Евклида, Архимеда, Н. Коперника, Г. Галилея, И. Ньютона, А. Лавуазье.

30. Д.И. Менделеев и Донбасс

Дмитрий Иванович Менделеев представляет собой блестящий пример ученого-энциклопедиста, ученого абсолютно мирового уровня. Занимаясь

фундаментальными исследованиями в широчайшем диапазоне научных знаний, гениальный исследователь-энциклопедист обязательно находил сферы непосредственного приложения полученных результатов в промышленности. Работы Менделеева и сегодня не утратили актуальности, к ним неизменно обращаются многие поколения представителей научного цеха.

Многогранная и удивительно плодотворная деятельность Дмитрия Менделеева в самых различных областях научных знаний не имеет аналогов в истории. Сфера научных интересов простиралась от химии, физики, минералогии до техники земледелия, судоходства и проблем освоения Арктики.

В рейтинге научного цитирования Менделеев, по данным Института научной информации в Филадельфии, входит в пятерку великих ученых всех времен и народов наряду с Архимедом, Аристотелем, Эйнштейном и Эйлером.

Дмитрий Иванович был удостоен 130 почетных дипломов и престижных званий русских и зарубежных академий, университетов. Именем Менделеева названы города, учебные заведения и научные общества, а также подводный хребет в Северном Ледовитом океане, лунный кратер, вулкан на Курилах, 101-й элемент Периодической системы химических элементов.

Дмитрий Иванович Менделеев помимо химии занимался педагогикой, техникой, технологией, геологией, экономикой, метрологией, сельским хозяйством, транспортом. Много внимания уделял Менделеев развитию угольной и металлургической промышленности. Еще в 1882 г. на Промышленном съезде в Москве он выступил с убедительной речью о необходимости рациональных путей развития отечественной промышленности. Значительную роль в решении этой задачи Менделеев отводил Донецкому бассейну. «Наиболее важным местом в настоящее время надобно считать, – говорил он, – конечно, южные части России, прилегающие к Донцу, где рядом находятся богатейшие залежи каменноугольного топлива разнообразнейших свойств и множество разных руд, начиная от бахмутской каменной соли и кончая криворожскими копями. В настоящее и предстоящее время центром развития нашей металлургии, а за ней и многих других отраслей заводской деятельности, конечно, должно считать эти места.»

В конце 80-х годов ХIХ в. на Юге России, т.е. в Донбассе, разразился

«угольный голод». Острая нехватка донецкого угля наблюдалась на железных дорогах, на многих фабриках и заводах. Некоторые предприятия снова начали покупать дорогой английский уголь. Такое положение с угледобычей в стране сложилась в то время, как, по меткому выражению Менделеева, «один Донецкий бассейн в состоянии отопить углем, оковать железом, засыпать содою всю Западную Европу». Одной из причин угольного кризиса стали сомнения правительства и промышленников по поводу перспектив развития Донбасса в связи с развитием на Кавказе нефтяной промышленности. Именно в этот период кризиса в Донбассе Менделеев в 1888 г. по распоряжению министра государственных имуществ был направлен в Донецкий бассейн и на Кавказ. К этой поездке Менделеев тщательно готовился, изучая и анализируя материалы о Донецком бассейне, о чем свидетельствуют документы, сохранившиеся в архиве ученого.

В феврале 1888 года Д.И. Менделеев посетил Юзовку. Ему предстояло дать рекомендации по вопросам улучшения транспортных систем Донбасса и, в первую

очередь, железных дорог.

В Юзовке Дмитрий Иванович осмотрел металлургический завод и шахту при нем. Ученый интересовался оборудованием цехов, качеством производимого металла, условиями труда металлургов и горняков. Пытаясь облегчить труд горнорабочих Донбасса, Менделеев придет к смелому научному открытию – подземной газификации угля.

На страницах его дневника можно прочесть такую запись: «Кажется, можно и хорошо вместо выемки угля его превращать в земле в газ СО в особых подземных генераторах и этот газ выводить и разводить далеко».

На заводе Д.И. Менделеева встретили с большими почестями. Основателю города Джону Юзу хотелось, чтобы у ученого с мировым именем остались самые лучшие впечатления о его предприятии. После посещений предприятий

«Новороссийского общества» Менделеев сказал Юзу следующие слова:

«Вы совершили подвиг. Недавняя пустыня ожила.

Результат очевиден, успех полный, возможность доказана делом»

Результатом трехмесячной поездки в наш край стал вышедший труд «Сила, покоящаяся на берегах Донца». «В поездках по донецкому краю, – писал Менделеев,

– я был поражен неисчерпаемыми его богатствами, которые превосходят все виденное ранее не только в России, но и в других частях Европы и Америки, которые я посещал для изучения их промышленности».

31. Углерод, Carboneum, С (6)

Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропными видоизменениями углерода – алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь – явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII–XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества – невесомого флюида – флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь – это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, – его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось

название «углерода» (carbone) вместо французского «чистый уголь» (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в

«Элементарном учебнике химии» Лавуазье. В 1791 г.

английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода – графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО2), и большое количество флогистона.

Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

Международное название Carboneum происходит от лат. carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare – гореть; корень саг, cal, русское гар, гал, гол, санскритское ста означает кипятить, варить. Со словом

«carbo» связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от древнегреческого – несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого – пишу.