§ 5. Атомно-молекулярное учение. Химические элементы

Определённый вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

• В настоящее время науке известно 118 химических элементов (около 90 из них встречаются в природе)
• Имеют три формы реального существования: свободные (изолированные) атомы, простые вещества и сложные вещества

Фундаментальное деление всех химических веществ по качественному элементному составу.

• Простые вещества — образованы атомами только одного химического элемента (металлы железо Fe, медь Cu, газы кислород O₂, азот N₂, сера S₈)
• Сложные вещества (химические соединения) — образованы атомами разных химических элементов, химически связанными между собой (вода H₂O, углекислый газ CO₂, серная кислота H₂SO₄, поваренная соль NaCl)

Способность одного и того же химического элемента образовывать несколько различных простых веществ, различающихся строением или составом молекул.

• Сами образующиеся простые вещества называют аллотропными видоизменениями (модификациями)
• Примеры: кислород O₂ (газ для дыхания) и озон O₃ (голубоватый газ с резким запахом свежести); алмаз, графит и фуллерен C₆₀ (аллотропные формы углерода)

Научная основа современной химии, заложенная М. В. Ломоносовым и Дж. Дальтоном:

• 1. Вещества состоят из мельчайших частиц — молекул, атомов или ионов, которые находятся в непрерывном хаотическом движении; молекулы определяют химические свойства молекулярных веществ
• 2. Молекулы образованы атомами; атом — наименьшая химически неделимая частица элемента
• 3. При протекании химических реакций молекулы исходных веществ разрушаются до атомов, из которых формируются новые молекулы веществ-продуктов

Электрически заряженные (положительно или отрицательно) частицы, возникающие при отдаче или присоединении электронов изолированными атомами или группами связанных атомов.

• Положительные ионы называют катионами (Na⁺, Ca²⁺), отрицательные — анионами (Cl⁻, SO₄²⁻)
• Образуют вещества немолекулярного (ионного) строения: поваренную соль NaCl, кальцинированную соду Na₂CO₃, марганцовку KMnO₄

Великий русский учёный-энциклопедист, химик и физик, заложивший в 1741 году научные основы атомно-молекулярного учения и учения о строении вещества из мельчайших неделимых частиц.

• В 1741 году впервые сформулировал фундаментальные положения атомно-молекулярного учения, разграничив понятия химически неделимых элементов (атомов) и состоящих из них корпускул (молекул).
• Обосновал молекулярно-кинетическую природу вещества, утверждая, что корпускулы находятся в непрерывном движении, а их строение определяет многообразие свойств простых и сложных веществ.
• Теоретически доказал, что сущность любой химической реакции заключается в распаде исходных молекул и перегруппировке атомов в молекулы новых веществ без исчезновения или сотворения материи.

Английский физик, химик и естествоиспытатель, один из создателей научной химической атомистики, развивший атомно-молекулярное учение и связавший химические свойства элементов с массой их атомов.

• В начале XIX века возродил и развил атомистическую теорию, доказав, что атомы являются реальными неделимыми частицами, а каждый химический элемент состоит из абсолютно одинаковых по массе атомов.
• Сформулировал положение о том, что химические превращения представляют собой соединение, разъединение или перегруппировку неделимых атомов, которые сами по себе при этом не создаются и не разрушаются.
• Его работы заложили количественный фундамент в химию, превратив умозрительную философскую идею об атомах в строгую естественную научную дисциплину с точными расчётами.

Химический элемент — это определённый вид атомов.

Анализ состава указанных молекул:

• Молекула кислорода (O₂): содержит 1 химический элемент (кислород) и 2 атома кислорода;
• Молекула озона (O₃): содержит 1 химический элемент (кислород) и 3 атома кислорода;
• Молекула воды (H₂O): содержит 2 разных химических элемента (водород и кислород) и всего 3 атома (2 атома водорода и 1 атом кислорода).

По количеству входящих в них химических элементов вещества делятся на две группы:

• Простые вещества (образованы атомами строго одного элемента): газообразный азот N₂, красный фосфор P, металлический магний Mg, кристаллический кремний Si, благородный газ аргон Ar.
• Сложные вещества (образованы атомами двух или более различных химических элементов): оксид углерода(IV) CO₂, хлорид натрия NaCl, гидроксид калия KOH, азотная кислота HNO₃, глюкоза C₆H₁₂O₆.

Аллотропия — это способность одного и того же химического элемента образовывать несколько простых веществ (аллотропных модификаций).

Это явление напрямую объясняет, почему простых веществ в природе известно свыше 400, тогда как химических элементов всего 118:

• За счёт разного числа атомов в молекуле одного элемента (например, элемент кислород образует двухатомный кислород O₂ и трёхатомный озон O₃);
• За счёт различного кристаллического и пространственного строения кристаллов из одних и тех же атомов (например, углерод образует сверхпрочный тетраэдрический алмаз, слоистый мягкий графит, полые сферические наноструктуры фуллерена C₆₀ и углеродные нанотрубки).

Ион — это положительно или отрицательно заряженная частица, образующаяся из нейтрального атома или группы атомов в результате потери или присоединения электронов.

С учётом существования веществ немолекулярного (ионного и атомного) строения первое фундаментальное положение атомно-молекулярного учения формулируется следующим образом:

«Все вещества состоят из мельчайших структурных частиц — молекул, атомов или ионов, которые находятся в постоянном непрерывном тепловом движении. Для веществ молекулярного строения молекула является наименьшей частицей, сохраняющей его химические свойства».

Данный факт объясняется законами ядерной физики и космохимии:

• Из 118 открытых химических элементов в земной коре и атмосфере стабильно присутствуют только около 90 элементов (от водорода H до урана U, за исключением технеция ₄₃Tc и прометия ₆₁Pm, не имеющих долгоживущих изотопов).
• Все заурановые элементы (с порядковыми номерами от 93 до 118), а также технеций и прометий, являются нестабильными радиоактивными элементами с относительно короткими периодами полураспада. За миллиарды лет эволюции Земли их первичные природные запасы полностью распались.
• Эти элементы (нептуний, плутоний, кюрий, оганесон и др.) были получены искусственным путём физиками и химиками на ускорителях тяжёлых ионов и в ядерных реакторах при протекании искусственных ядерных реакций. В природе в свободном виде или в составе минералов они не встречаются.