Атомы. Таблица Менделеева
Содержание
Введение
В недавней статье мы изучили, что почти вся известная человечеству (на 2024 год) материя состоит из мельчайших частиц, которые мы называем атомами. На этот раз мы подробнее познакомимся с тем, какие бывают виды атомы, на какие группы их делят и многое другое.
Общие характеристики атомов
Для начала вспомним, что атомы — это очень маленькие частицы.
Размер атомов колеблется от 10⁻¹⁰ до 5⋅10⁻¹⁰ метра. Опять же, как в случае атомной единицей массы (а.е.м.) вместо килограммов, химики выпендрились и придумали свою величину для измерения размера атома: Ангстремы, где 1 Å = 10⁻¹⁰ м = 0,1 нм. Удобно, что радиус самого маленького элемента водорода примерно равен 1 Å.
Изначально это шведская фамилия Ångström, в которой первая буква произносится как нечто среднее между 'а', 'о' и 'ё', поэтому для душнил чтение близко к "óнгстрём".
В реальности у атома нет четких границ, и невозможно определить его размеры, поэтому в разных ситуациях ученые используют отличающиеся величины, определяемые разными способами, но в рамках школьной программы это избыточно.
Масса атомов также маленькая, от 1,67⋅10⁻²⁷ кг до 488⋅10⁻²⁷ кг и поэтому чаще измеряется в а.е.м (1 а.е.м. = 1,660⋅10⁻²⁷ кг). Мы упоминали изотопы — атомы одного и того же вида (химические элементы) с разной массой. Поэтому используемые нами в школьной химии данные являются усредненной массой нескольких стабильных изотопов.
А вот заряд любого атома в его идеальном (основном) состоянии равен 0, поэтому в определении атома я использую термин электронейтральный.
Группы химических элементов
На протяжении тысячелетий люди смешивали, нагревали и всячески обрабатывали вещества и иногда получали чистые компоненты, из которых состоят смеси. Многие из этих чистых компонентов по внешним признакам и физическим свойствам были очень похожи друг на друга: серебристые, блестящие, твердые, легко проводят тепло, а при плавлении возможно придавать им форму. Что-то знакомое? Такие чистые вещества назвали металлами. В то же время находили другие вещества, которые часто имели уникальные особенности, поэтому их всех по остаточному принципу объединили в группу неметаллы.
В современной науке новые химические элементы получают искусственным путем, их не существует в природе из-за крайне низкой стабильности (они радиоактивны). Также усложнилось понимание химических и физических свойств химических элементов, но усложненная классификация элементов всё еще базируется за старых принципах.
Большинство известных элементов относят к металлам.
Есть небольшая группа неметаллов. Еще меньше элементов металлоидов (полуметаллов) и благородных газов.
Неметаллы
Ниже в таблице перечислены элементы, которые обычно относят к неметаллами (хотя несколько металлоидов среди них затесалось), химические символы для их обозначения и как читаются эти символы.
Заметьте, что в качестве символов используются одна заглавная латинская буква (N, H) или комбинация из заглавной и прописной буквы (As, Br). Можете быть спокойны: никогда не будет использовано три латинские буквы для постоянного обозначения химического элемента.
Металлы
Человечеству известно около 100 металлов, но для нужд школьной химии достаточно крепко знать несколько, в том числе пару металлоидов, которые представлены в аналогичной таблице.
Представленные выше элементы, их символы и чтения являются обязательным. Не рассчитывайте, что получится за один вечер выучить всё это. Если хотите заниматься химией, эта информация должна залезть в подкорку мозга, и использоваться без обдумывания, как написание букв или цифр (вы же не задумываетесь, как писать цифру '7' или букву 'в'? Так ведь?). Такой уровень запоминания займёт не одну неделю упорной работы.
Таблицы элементов
Для удобства все известные химические элементы в количестве 118 (на 2024 год) расположены в периодической таблице элементов, которая заслуженно носит имя Дмитрия Ивановича Менделеева, внесшего огромный вклад в понимание самых разных областей науки и техники.
В Интернете и учебниках вы встретите эту таблицу в разных видах и цветовых схемах, наиболее распространенные их которых мы сейчас рассмотрим.
Формы таблицы
В России чаще всего используется таблица в ее короткой записи. Она выделяется тем, что в ней всего 8 основных столбцов (групп), а некоторые горизонтальные ряды (периоды) состоят из двух строк.
За границей чаще пользуются длинной формой, в которой каждый период состоит только из одной строки, поэтому имеется 18 групп.
Расположение элементов в длинной и короткой формах таблицах почти одинаковое, только короткую "сложили" для компактности в учебнике и в дань уважения Д. И. Менделеева, который предложил таблицу именно с 8 группами.
И последний вариант сверхдлинной таблицы используется очень редко из-за его громоздкости. В нем 2 строки элементов (по 14 в каждом), вынесенные в короткой и длинной формах вниз, помещены в основную таблицу образуя 32 столбца в каждом периоде.
Цветовые схемы таблицы
В основном (и не любимом мной) в России учебнике по химии под редакцией Габриеляна используют таблицы из 2-х основных цветов, где синим выделены металлы и металлоиды, а зелёным — неметаллы и благородные газы.
Второй вариант использует уже 4 цвета, для разных элементов в зависимости от типа орбиталей валентного уровня: розовый для s-элементов, желтый для p-элементов, синий для d-элементов и зелёный для f-элементов.
На своих уроках я использую смешанную цветовую схему, в которой мы разделяем элементы на группы металлы/неметаллы, а также в зависимости от особенностей их строения и химических свойств.
Но настоящему химику эти цвета не нужны, и вся эта информация уже отложилась в голове за сотни часов работы с таблицами.
Информация об элементах в таблице
Помимо номеров групп и периодов в любой таблице Менделеева есть следующая информация в каждой ячейке:
- Символ химического элемента
- Порядковый номер элемента (равен количеству протонов и электронов)
- Усредненная масса атомов этого элемента (с учетом распределения изотопов на Земле)
Заметьте, что на продвинутых химических олимпиадах не указывают названия элементов, потому что каждый уважающий себя химик знает почти все символы, а также со временем запоминает массы и расположение самых часто используемых элементов.
Помимо этого дизайнеры таблиц могут на свое усмотрение добавлять следующую информацию:
- русское название элемента
- латинское название элемента
- смещать символы элементов в левую или правую сторону для разделения элементов на подгруппы
- Распределение электронов по энергетическим уровням
- Электронная конфигурация (полная или только валентного уровня)
- Электроотрицательность элемента по Полингу
- Температуры плавления и кипения чистого вещества элемента
- Дата и место получения чистого вещества
Всю эту информацию и даже больше вы можете найти на удобной интерактивной таблице, которая по умолчанию находится в длинной форме, но может быть переключена на сверхдлинную.
Заключение
В дальнейших статьях мы еще не раз будем обращаться к периодической таблице химических элементов, поскольку в ней заключено реально очень много химической информации.
Что изучают на уроках химии: полный план