ХИМИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ Печат

ХИМИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ

Това понятие е едно от най-важните в естествознанието, защото цялото многообразие на заобикалящата ни природа се състои от съче­тания на сравнително неголям брой химични елементи. В организма на човека се съдържат около 70 елемента.

Няма точни сведения откъде е произляз­ла думата елемент. Според една от версиите тя е образувана при последователното произ­насяне на буквите от латинската азбука —l, m, n, t. Като се прочетат, получава се „ел", „ем", ,,ен", „те". Древните мислители като че ли са искали да подчертаят, че както ду­мите се състоят от букви, така и телата са съставени от елементи.

През различните исторически епохи в по­нятието елемент е влаган различен смисъл. Древногръцките философи под елемент са разбирали четирите стихии — топлина, студ, суша и влага. При съчетаването им по двой­ки се образували четирите начала на всички неща — огън, въздух, вода и земя. В средни­те векове към тези начала са прибавени сол, сяра и живак. Дълго време е царяла неясно­та, докато през XVII в. Р. Бойл изказва ми­сълта, че всички елементи носят материален характер, а техният брой може да бъде твър­де голям и предстои да бъдат открити още много елементи.

Елементите започват да се наричат прости тела, когато не е било възможно с химични методи да се разложат на още по-прости. През 1787 г. френският химик А. Лавоазие съставя „Таблица на простите тела", в която включва всички известни по онова време елементи, а също, както се оказва впослед­ствие, и някои сложни вещества.

В началото на XIX в. английският учен Дж. Далтон приписва на всеки елемент ко­личествена характеристика — атомно тегло (атомна маса). Елементът започва да се разглежда като химична индивидуалност. През 1871 г. Д. И. Менделеев ясно разгра­ничава понятията просто тяло и елемент. Той пише: „Простото тяло е вещество, ме­тал или неметал с редица физични белези и химични реакции. Под елемент трябва да се подразбират тези материални части на прости­те или на сложните тела, които им придават известна съвкупност от физични и химични свойства." Менделеев е считал, че въглеродът е елемент, а въгленът, графитът и диаман­тът са прости вещества. За него понятието елемент е било отвлечено. То получава конкретно определение с разработването на модела на атома.

Сега понятието химичен елемент е опре­делено точно. Това е съвкупност от атоми с еднакви заряди на ядрата (Z) и с еднакво разпределение на електроните по електрон­ни слоеве и поднива. За всеки елемент са известни разновидности на ато­мите, които се различават по масата (или по-точно по броя на неутроните в ядрата). Тези разновидности се наричат изотопи.

Известни са всичко 107 елемента. От тях около 90 съществуват в природата; остана­лите са получени изкуствено чрез ядрени ре­акции. Най-тежкият елемент, намерен в при­родата, е плутоний (Z = 94). По такъв начин той е естествената горна граница на периодич­ната система на химичните елементи.

Съдържанието на различните елементи в природните обекти варира в широки граници. На Земята и в Космоса елементите са разпро­странени по различен начин. На нашата планета преобладават елементите кислород и сили­ций, докато в Космоса господари са водо­родът и хелият. С какво е свързано такова рязко различие? В продължение на милиарди години Земята е претърпявала сложна химич­на еволюция. Значителна част от елементите, които съществуват в газообразно състояние (водород, инертни газове), почти напълно са излетели от земната атмосфера. Забележи­ма е обаче и една обща закономерност: с уве­личаването на ядрения заряд на атома съдър­жанието на елементите намалява и на Земята, и в Космоса.

Само 8 химични елемента — кислород, силиций, алуминий, желязо, калций, натрий, калий и магнезий — съставят 99 % от масата на земната кора, на останалите се пада по-малко от 1 % и именно между тях се наблю­дава рязко различие в разпространението им. Геохимиците използуват понятията редки елементи (съдържанието им средно е по-малко от 10-4 % от масата на този 1 %) и разсеяни елементи (които фактически не образуват собствени минерали, а се съдържат като примеси към други минерали).

Исторически са оформени следните назва­ния на някои съвкупности от елементи: органогенни елементи (въглерод, азот, кис­лород и водород — основните елементи, кои­то влизат в състава на органичните вещества), халогени, алкални и алкалоземни метали, платинови метали, редки земни елементи, радиоактивни елементи.

Всички химични елементи са възникнали в резултат на сложни космични процеси на ядрен синтез дълго още преди да се образува Слънчевата система и планетата Земя. Еле­ментите, които имали стабилни или дълго-живеещи радиоактивни изотопи (торий и уран), влезли в състава на Земята като първични елементи. Естествените радиоактивни елементи, включени в редовете на радиоак­тивните превръщания на урана и на тория, са вторични.

Техните периоди на полуразпадане не са големи, доста по-малки от възраст­та на Земята са, поради което първоначал­ните им „ресурси" отдавна са изчезнали. Сега те, така да се каже, наново се образуват на Земята — като продукти на последователни­те превръщания на урана и на тория. Следо­вателно съдържащите се на нашата планета химични елементи се различават по своя произход.

Формата на съществуване на химичните елементи в свободно състояние се нарича просто вещество. Някои химични елементи са известни във вид на две или повече прости вещества, т.нар. алотропни модификации. Днес всички намерени на Земята елементи, а също и някои трансуранови елементи са получени в свободно със­тояние. Инертните газове се срещат в приро­дата изключително във вид на прости ве­щества, няколко елемента — във вид на прос­ти вещества и на съединения, но повечето — само под формата на съединения. Агрегат­ното състояние на повечето прости вещества при нормални условия е твърдо. Течности са само бромът и живакът. Водородът, азо­тът, кислородът, флуорът, хлорът, хелият, неонът, аргонът, криптонът, ксенонът и радонът са газообразни.

По химичните си свойства елементите се подразделят на два големи класа: метали и неметали. От 107 елемента 85 са метали. Тях­на характерна особеност е способността да образуват елементарни положително зареде­ни йони при химичните взаимодействия и свободни, несвързани с определени ато­ми електрони. Но границата между мета­лите и неметалите е доста неясна.

Откриването на съществуващите в при­родата елементи е ставало в продължение на дълго време. Хронологичната последовател­ност на откриването на химичните елементи е зависела, първо, от техните специфични свойства и, второ, от разработването на нови методи на химичен анализ.

Най-напред човекът се е запознал с т.нар. елементи на древността (злато, сребро, жи­вак, желязо, мед, калай, олово, сяра, въгле­род) , защото те се срещат на Земята в сво­бодно (самородно) състояние или лесно могат да се получат от съдържащите ги ми­нерали. Това обаче не са били открития в пълния смисъл на думата, тъй като не е въз­можно да се датират. През средните векове, в периода на господството на алхимията, случайно са били изучени арсенът, антимонът, бисмутът, цинкът и фосфорът.

Масовото откриване на нови елементи започва през втората половина на XVIII в. Изследванията в областта на пневматичната химия (изучаването на свойствата на газо­вете) довеждат до откриването на такива важни елементи, като водород, азот и кис­лород.

Много елементи са открити благодарение на химикоаналитичния метод. С негова по­мощ са намерени около 30 нови елемента. Разработването на електрохимичния метод попълва списъка на елементите с натрия, калия, магнезия и калция. По метода на спектралния анализ е доказано съществува­нето на рубидия, цезия, индия и талия.

До момента на откриването на периодич­ния закон (1869) са били известни 63 еле­мента. Периодичната система позволила да се предвидят свойствата на нови елементи и в значителна степен отстранила момента на случайност за тяхното откриване. Сега всеки нов елемент трябва да заеме определено мяс­то в периодичната система на Менделеев. До физичното обосноваване на периодичния закон в границите на системата между водо­рода и урана са открити почти всички ста­билни елементи (освен хафния със Z = 72 и рения със Z = 75) и почти всички радиоактив­ни елементи (освен астата, Z = 85, франция, Z = 87. технеция, Z = 43, и прометия, Z = 61).

Технецият, астатът и прометият, а също 15 трансуранови елемента са получени из­куствено чрез ядрени реакции.

Много химични елементи (главно метали) първоначално са изолирани под формата на съединения, а получаването им в свободно състояние понякога е станало след много години. Това е свързано с трудностите за химичното отделяне на тези елементи от съединенията им.

Днес почти всички химични елементи на­мират едно или друго практическо прило­жение. Някои елементи, които по-рано са били считани за безперспективни, сега играят изключително важна роля (например бери­лий, титан, цирконий, галий, германий, тантал, рений) като материали на новата техника.