Классификация и номенклатура химических элементов

Основными понятиями атомно-молекулярного учения о природе материи есть атом, химический элемент, молекула, простое и сложное вещество.


Атомы

Атомы — это материальные объекты с определенной массой, размерами, составом, зарядом ядра, строением электронной оболочки. Они сохраняются во время химических реакций, то есть являются химически неделимыми и разрушаются только в процессе ядерных преобразований.

Атомы с одинаковым зарядом ядра принадлежат определенному химическому элементу и являются носителем его химических свойств.

Химические элементы

Химическим элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химические элементы входят в состав более 10 миллионов органических и сотен тысяч неорганических веществ. Новые соединения, образующиеся в результате химических реакций, состоят из тех же атомов, что и исходные.

В настоящее время известно 110 химических элементов, которые по определенным правилам расположены в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Из них в природе выявлено 88, а 22 - добыты искусственно в результате ядерных преобразований.

В зависимости от свойств, происхождения и распространенности в природе химические элементы подразделяют на следующие группы:

  • По происхождению. По происхождению химические элементы подразделяют на природные и искусственные. Первые существуют в составе различных природных соединений, а искусственные получают в результате ядерных реакций. К искусственным относятся элементы с порядковым номером преимущественно свыше 94 (Am, Сm, Вk и др.).
  • По химическим свойствам. По химическим свойствам различают металлы и неметаллы, которые в свою очередь делятся на семейства: щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), щелочноземельные металлы (Cu, Sr, Ba, Ra), семейство Железа (Fe, Co, Ni), семейство платиновых металлов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pr), галогены (F, CI, Br, I), халькогены (S, Se, Te)
  • По строению. По строению верхнего энергетического уровня и подобными химическими свойствами элементы разделяют на четыре блока: s-элементы (элементы главной подгруппы I, II группы), р-элементы (элементы главных подгрупп III-VIII группы), d-элементы (элементы побочных подгрупп I-VIII группы) и f-элементы (лантаноиды и актиноиды).
  • По распространенности. По распространенности в земной коре элементы разделяют на распространенные и редкие. К распространенным относятся 8 элементов: Оксиген (49% мас.), Кремний (29,5 %), Алюминий (8,05 %), Железо, Кальций, Натрий, Калий и Магний. Эти элементы вместе составляют 98,53% массы земной коры, на все остальные приходится только 1,47% ее массы.
    Редкие, или рассеянные элементы — это мало распространенные в природе элементы, такие как галлий, рубидий, таллий, лантан и др.
  • Радиоактивные элементы. Отдельную группу составляют радиоактивные элементы (Тс, Pm, Po, Аt и др.), атомные ядра которых неустойчивы, способны к самопроизвольному распаду.
  • По важности для организма. По важности для организма человека и животных химические элементы делятся на органогенные и биогенные. Эти элементы являются наиболее важными химическими компонентами различных систем живого организма.
  • По физиологическому действию. По физиологическому действию на живые организмы элементы разделяют на необходимые, нейтральные и токсичные. Элементы, которые постоянно содержатся в организме, называют жизненно необходимыми. К токсичным относят элементы, которые разрушающим образом действуют на организм, вызывая нарушение его функций. Это такие элементы, как Арсен As, Плюмбум Ро, Меркурий Hg, Кадмий Cd, Таллий Tl, Барий Ва и др.
    Однако отметим, что повышенные дозы даже некоторых жизненно необходимых элементов могут вызвать отравления организма людей и животных.

В ряде случаев химический элемент и простое вещество обозначают одним символом, но эти понятия не следует отождествлять.

Вещества

Вещество является формой существования химических элементов в свободном или в связанном состоянии. Различают простые вещества (водород, кислород , озон, медь, серебро, железо Fe) и сложные вещества, например: вода, гидроген пероксид, фосфатная кислота, метанол, глюкоза и др.

Еще в 1741 г. М. Ломоносов предположил существование в веществах двух видов частиц: элементов (атомов) и корпускул (молекул). Согласно гипотезе М. Ломоносова, элементы являются частицами тела, которые не состоят из каких-либо других тел, а корпускулы — это скопление элементов в одну небольшую массу.

Позже английский химик Дж. Дальтон экспериментально подтвердил атомную теорию, сформулировав в 1803 г. закон кратных отношений, а А. Авогадро впервые ввел в химию понятие о молекуле как наименьшую частичку вещества, что состоит из атомов.

В 1811 г. он сформулировал закон, известный как закон Авогадро: в равных объемах разных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Так было доказано, что молекулы могут состоять как из атомов одного элемента (простое вещество), так и атомов разных элементов (сложное вещество).

Теперь известно, что простые вещества бывают молекулярные — состоят из молекул (О2, Н2, О3, Сl2, N2 и пр.) и немолекулярные — те, что состоят только из атомов, например благородные газы (Ne, Ar, Kr), графит, алмаз, сера и другие.

Некоторые простые вещества могут существовать в виде двух или нескольких веществ, отличных по свойствам. Такое явление называют аллотропией, а простые вещества, образованные одним элементом, называют аллотропными модификациями этого элемента.

Примером аллотропных модификаций Оксигена есть кислород О2, и озон О3, а Карбога - алмаз, графит, карбин и фуллерен (бакибол). Различия в свойствах этих веществ обусловлены разным числом атомов в молекулах или разным кристаллическим строением (полиморфизм).

Для названий простых веществ по новой номенклатуре остается их традиционное написание, например: медь, железо, ртуть, водород, азот и др. Это касается также и терминов, производных от этих слов: водородный электрод, железный гвоздь, медная пластинка, ртутный термометр, углеводородный радикал и тому подобное.

Таким образом, чтобы можно было отличить по названию простое вещество от элемента, название последнего пишут с большой буквы.

Тогда легко установить, что в состав таких ферментов как ферритин, трансферин, ферредоксин, входит химический элемент Железо со степенью оксисления +2 или +3, однако любой железный предмет изготавливают из простого вещества (металла или его сплава), то есть железа.

Если пишем Карбон, то имеем в виду элемент, который входит в состав огромного количества органических и неорганических веществ карбоновых кислот, карбонатов, карбидов, карбонилов, но под термином «углерод» понимаем простое вещество (графит, алмаз, фуллерен и др.), которое имеет определенное строение кристаллической решетки.

Сложные вещества могут иметь молекулярное (в частности галогеноводородные HCI, HF, HI, сероводород H2S, метан СН4, бензен C6H6) и немолекулярное строение (ионное или кристаллическое).

Например, калий гидроксид КОН, натрий хлорид NaCL, литий оксид Li2O — это типичные ионные соединения, при обычных условиях — твердые кристаллические вещества.

В виде молекул они могут существовать только при высоких температурах в газообразном состоянии. Кристаллическое строение имеют все металлы, кроме ртути.

Объектом изучения медицины являются живые организмы, которые являются сложной системой с точки зрения биологии, химии и физики.

На базе этих фундаментальных естественных наук возникли новые дисциплины - биохимия, биофизика, биоорганическая и бионеорганическая химия, которые используют собственные методы для изучения живого организма.

Что же такое живое вещество и существует ли связь между живым и неживым? Известно, что свойствами живого вещества является его химический состав, внутренняя энергия, способность сохранять и передавать генетическую информацию.

Живой организм — это открытая термодинамическая система, состоящая из белков и других органических и неорганических веществ, способная к самообновлению, росту и обмену веществ.

Все живые организмы планеты Земля имеют клеточное строение и сходны по элементному составу. Еще академик В. Вернадский указывал на тесную связь химического состава земной коры и океана с химическим составом живых организмов. Он считал, что живые организмы и земная кора создают единую систему.

С химической точки зрения единство живого и неживого заключается в сходстве их по химическому составу. Вещества живой и неживой природы состоят из одинаковых химических элементов и между ними действуют одинаковые силы химических взаимодействий.