Решение проблемы химического элемента

 

Концепция химического элемента появилась в химии благодаря стремлению человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения этой проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время в химии Р. Бойлем. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и окалину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда металлы – железо, медь, свинец – принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Но именно флогистонная теория, ложная по сути, дала толчок многочисленным исследованиям, приведшим в итоге к истинным выводам.

Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от его места в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. Сегодня мы знаем, что

атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов на котором зависит реакционная способность элемента – химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6–7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1–2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их и таким образом приобрести устойчивую электронную конфигурацию.

Также нужно отметить, что

химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра,

Однако атомы с одинаковым зарядом ядра могут отличаться величиной атомной массы – это изотопы.

Аналитическая химия и ее методы Долгое время своей основной задачей химики считали определение состава тел. Это до сих пор является главной задачей аналитической химии. Но в наши дни она поднялась на качественно новую ступень, широко используя самые современные методы и достижения разных отраслей естествознания и в первую очередь физики.

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом.

Многие методы количественного анализа связаны с необходимостью разделения исследуемого вещества на составляющие его компоненты. Для этого используется хроматография – универсальный метод разделения вещества, основанный на том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью жидкостной хроматографии можно разделить и зафиксировать очень малое количество вещества – 10^-12 г.

Также используется метод ядерного магнитного резонанса, который основан на анализе резонансного поглощения электромагнитных волн. Метод позволяет определить число и вид связей в молекуле вещества массой 10^-7 г. На основе этого метода в 1973 г. был создан томограф, позволяющий наблюдать картину распределения химических отклонений и концентраций ядер таких крупных объектов, как тело человека. Поэтому данный метод широко используется в медицине для диагностики ряда заболеваний, в том числе злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров химических элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра. Сегодня спектрометры способны обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.

Используются также масс-спектрографы, в которых исследуемое вещество сначала превращается в газовую фазу, затем газ ионизируется, и ионы ускоряются электрическим полем до заданной кинетической энергии. Масса частиц при этом определяется либо измерением радиуса кривизны траектории иона, либо измерением времени пролета им заданного расстояния. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и могут обнаружить до трех атомов вещества. Для идентификации неизвестного вещества с помощью масс-спектрографа достаточно всего 10^-10 г соединения.

Сколько всего химических элементов? Во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е годы XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 – это уран). Сегодня науке известны 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента.

Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем: в 1940 г. нептуний, позже еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го.

Трансурановые элементы с атомными номерами до сотого можно получить в ядерном реакторе методом бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами. Более тяжелые элементы получают только в ускорителях и в очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате образуются очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились новые мощные ускорители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 10⁸ лет. Предполагается, что свойства элементов с номерами 112–118 должны быть аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть – радон. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны новые экспериментальные методы и технические средства.

Радиоактивные изотопы и их использование. Выше мы уже упоминали

изотопы – разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занижают одно и то же место в периодической системе элементов.

Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д. Сегодня выпускается огромное количество различных приборов, содержащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик материалов.

В наши дни широко используется метод меченых атомов, который позволяет проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах. Для этого в исследуемое вещество вводят радиоактивные изотопы определенных элементов и наблюдают за их передвижением. Благодаря им можно проследить за превращением веществ как в доменной печи, так и в живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода-18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов.

С помощью радиоактивных методов анализа вещества можно определить содержание различных металлов в очень малых концентрациях – до 10^-10 в 10^-12 г вещества.

В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности, работающие на изотопах плутония-238 и кюрия-224, применяются в приборах для стабилизации ритма сердца.

Правильное использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в последнее время об этом стали забывать и все меньше доверять радиации, которая ассоциируется с атомной бомбой или с Чернобылем. Забыты те времена, когда радиоактивность и рентгеновское излучение были только что открыты и их посчитали панацеей в медицине. Мало кто помнит о том, что в начале XX. в. в свободной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в 20–30-е гг. XX в. появились первые свидетельства того, что радиоактивное излучение неблагоприятно влияет на живые организмы, вызывая генетические изменения – мутации, а также различные виды онкологических заболеваний. Поэтому сегодня медицина двойственно относится к использованию радиоактивных изотопов.