Химический элемент

Учебное руководство по химии: Химические элементы, формулы и явления

Раздел 1: Теоретический материал и ключевые концепции

1.1. Понятийный аппарат и язык науки

Каждая наука использует специфический язык для описания изучаемых объектов и процессов.

• Термины — это слова или словосочетания, точно и однозначно обозначающие понятия в конкретной науке.
• Химический элемент — разновидности атомов, отличающихся друг от друга по своим свойствам.

Материальный мир состоит из веществ, образованных огромным числом атомов. Хотя пересчитать все существующие атомы невозможно, число их разновидностей (химических элементов) ограничено. Вся природа — от микроскопических песчинок до планет — состоит из одних и тех же химических элементов.

1.2. Символика и знаки химических элементов

Становление химии как науки происходило в период, когда международным языком научного общения был латынь. Поэтому современные международные названия элементов имеют латинское происхождение (например, железо — Ferrum).

С середины XIX века для обозначения элементов используются химические знаки (символы), состоящие из одной или двух букв латинского названия:

1. Первая буква всегда заглавная и совпадает с первой буквой латинского названия.
2. Вторая буква (строчная) добавляется в тех случаях, когда названия нескольких элементов начинаются с одной и той же буквы (например, Hydrogenium — H, Helium — He, Hydrargirum — Hg, Hafnium — Hf).

Двойственное значение химического знака:

Один и тот же знак химического элемента может обозначать:

1. Весь химический элемент как таковой (т. е. абсолютно все атомы данного вида, существующие в природе).
2. Один отдельный атом данного химического элемента.

Конкретный смысл знака определяется контекстом.

1.3. Правила чтения знаков химических элементов

В русскоязычной традиции и странах СНГ приняты три основных способа чтения химических символов:

1. По названию буквы латинского алфавита:

• H — «аш» (исключение: произносится как французское название буквы H, с южно-русским/украинским звуком «г» в начале и литературным «ш» на конце).
• C — «це»
• N — «эн»
• O — «о»
• P — «пэ»
• S — «эс»

2. По полному международному (латинскому) названию:

• Si — «силициум» (в последнее время также используется чтение по буквам — «си»)
• Fe — «феррум»
• Cu — «купрум»
• As — «арсеникум»
• Ag — «аргентум»
• Sn — «станнум»
• Sb — «стибиум»
• Au — «аурум»
• Hg — «гидраргирум»

3. По русскому названию химического элемента:

• Все остальные знаки читаются так же, как звучит название элемента на русском языке (например, Na — «натрий», F — «фтор», Cl — «хлор», Ca — «кальций»).

Унифицированная система знаков позволяет ученым разных стран (с различными языками и письменностями, включая английский, японский и др.) эффективно обмениваться информацией.

Сводная таблица химических элементов, их знаков и чтения

Русский термин · Латинское название · Химический знак · Способ / Вариант чтения

• Водород — Hydrogenium; H; «аш»
• Гелий — Helium; He; По русскому названию («гелий»)
• Углерод — Carboneum; C; «це»
• Азот — Nitrogeneum; N; «эн»
• Кислород — Oxygenium; O; «о»
• Фосфор — Phosphorus; P; «пэ»
• Сера — Sulfur; S; «эс»
• Кремний — Silicium; Si; «силициум» (или «си»)
• Железо — Ferrum; Fe; «феррум»
• Медь — Cuprum; Cu; «купрум»
• Мышьяк — Arsenicum; As; «арсеникум»
• Серебро — Argentum; Ag; «аргентум»
• Олово — Stannum; Sn; «станнум»
• Сурьма — Stibium; Sb; «стибиум»
• Золото — Aurum; Au; «аурум»
• Ртуть — Hydrargirum; Hg; «гидраргирум»
• Гафний — Hafnium; Hf; По русскому названию («гафний»)
• Хлор — Chlorum; Cl; По русскому названию («хлор»)
• Кальций — Calcium; Ca; По русскому названию («кальций»)
• Натрий — Natrium; Na; По русскому названию («натрий»)
• Фтор — Fluorum; F; По русскому названию («фтор»)

1.4. Состав веществ, химические формулы и валентность

• Атомно-молекулярное учение объясняет строение и свойства веществ. Вещества подразделяются на простые (образованы атомами одного элемента) и сложные (образованы атомами разных элементов).
• Химическая формула отражает качественный и количественный состав вещества с помощью знаков химических элементов и индексов.
• Валентность — способность атомов химических элементов связываться с определенным числом других атомов. Используется для составления формул бинарных соединений.
• Закон постоянства состава веществ: всякое чистое вещество независимо от способа его получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

1.5. Количественные характеристики и вычисления в химии

1. Относительная атомная масса ($A_r$) и Относительная молекулярная масса ($M_r$) — безразмерные величины, показывающие массу атома или молекулы относительно $1/12$ массы атома углерода.
2. Массовая доля химического элемента ($w$) — отношение массы данного элемента в соединении к общей молекулярной массе соединения.
3. Количество вещества ($n$) — физическая величина, определяемая числом структурных единиц (атомов, молекул). Измеряется в молях.
4. Моль — единица количества вещества, содержащая определенное число структурных единиц.
5. Молярная масса ($M$) — масса одного моля вещества, связывающая количество вещества, его массу и число частиц.

1.6. Физические и химические явления. Химические реакции

Вещества способны претерпевать изменения различного характера:

• Физические явления: явления, при которых изменяется агрегатное состояние или форма вещества, но его химический состав остается неизменным.
• Примеры: плавление воска, таяние льда, растирание сахара в ступке, кипение и конденсация воды.
• Химические явления (химические реакции): процессы, при которых из одних веществ образуются другие, отличающиеся от них по составу и свойствам.
• Примеры: горение свечи, прокаливание медной проволоки, взаимодействие соды или мела с соляной кислотой.

Признаки химических реакций:

• Выделение газа;
• Изменение цвета;
• Выпадение или растворение осадка;
• Выделение или поглощение тепла и света (например, при разложении сахара, взаимодействии серной кислоты с хлоридом бария, получении и разложении гидроксида меди(II) при нагревании, взаимодействии железа с раствором соли меди(II)).

Законы и классификация реакций:

• Закон сохранения массы веществ: масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. На основе закона составляются химические уравнения и расставляются коэффициенты.
• Классификация химических реакций (по числу и составу реагирующих и образующихся веществ):

1. Реакции соединения — из нескольких веществ образуется одно сложное.
2. Реакции разложения — из одного сложного вещества образуется несколько новых веществ.
3. Реакции замещения — атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.
4. Реакции обмена — два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

Раздел 2: Вопросы для проверки с краткими ответами

1. Дайте определение понятию «термин».

• Ответ: Термины — это слова или словосочетания, точно и однозначно обозначающие понятия в данной науке.

2. Что такое химический элемент?

• Ответ: Химический элемент — это разновидность атомов, отличающихся друг от друга по своим свойствам.

3. Почему в основе международных знаков химических элементов лежат их латинские названия?

• Ответ: Понимание и развитие химии как науки происходило в период, когда латинский язык служил единым языком научного общения ученых из разных стран.

4. Как формируется химический знак, если названия нескольких элементов начинаются с одной и той же буквы?

• Ответ: В знак элемента добавляется вторая (строчная) буква из его латинского названия (например, H — Hydrogenium, He — Helium, Hg — Hydrargirum).

5. Какие два основных значения имеет знак химического элемента?

• Ответ: 1) Обозначает конкретный химический элемент (все атомы данного вида в природе); 2) Обозначает один атом этого элемента.

6. Приведите три примера знаков элементов, которые читаются как их латинские названия.

• Ответ: Fe («феррум»), Cu («купрум»), Ag («аргентум») [также: Si, As, Sn, Sb, Au, Hg].

7. В чем заключается исключение при чтении знака водорода (H)?

• Ответ: Знак H читается как «аш» (соответствует французскому названию буквы H; при этом первая буква произносится как в южно-русских говорах или украинском языке, а вторая — согласно нормам русского литературного языка).

8. Чем отличаются физические явления от химических?

• Ответ: При физических явлениях состав веществ не меняется (изменяется форма или агрегатное состояние), а при химических явлениях образуются новые вещества с другими свойствами.

9. К какому типу явлений относится плавление воска и таяние льда?

• Ответ: К физическим явлениям.

10. Назовите не менее трех признаков протекания химических реакций.

• • Ответ: Изменение цвета, выпадение/растворение осадка, выделение газа, выделение или поглощение тепла/света.

11. Сформулируйте закон сохранения массы веществ.

• • Ответ: Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

12. На какие 4 типа делятся химические реакции по числу и составу реагирующих и образующихся веществ?

• • Ответ: Реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

Раздел 3: Темы для развернутых ответов и эссе

1. Международный химический язык как средство всемирного научного общения.

• Направления для размышления: Объясните исторические причины возникновения единой химической символики. Опишите правила построения знаков элементов Берцелиуса на базе латинского языка. На конкретных примерах (например, сопоставление японского, английского и русского написания названий водорода, кислорода, натрия и фтора при едином символическом обозначении) докажите, почему единая символика необходима для развития современной мировой науки.

2. Сущность физических и химических явлений в свете атомно-молекулярного учения.

• Направления для размышления: Раскройте понятия «атом» и «молекула». Объясните, что происходит с молекулами и атомами при физических процессах (плавление воска, таяние льда, кипение воды) и при химических реакциях (горение свечи, прокаливание медной проволоки). Объясните, почему при химических реакциях атомы не исчезают и не возникают из ничего, и как это связано с законом сохранения массы веществ.

3. Наблюдение и эксперимент как методы познания признаков и механизмов химических реакций.

• Направления для размышления: На основе описания лабораторных опытов (разложение сахара, взаимодействие серной кислоты с хлоридом бария, прокаливание медной проволоки, взаимодействие железа с солью меди) проанализируйте признаки, подтверждающие факт протекания химической реакции. Опишите условия, необходимые для возникновения и успешного протекания реакций разных типов (соединения, разложения, замещения, обмена).

4. Количественные отношения в химии: от массы отдельного атома к понятию «моль».

• Направления для размышления: Объясните физический смысл относительной атомной ($A_r$) и относительной молекулярной ($M_r$) масс. Почему в химических расчетах неудобно использовать массу единичных атомов? Раскройте значение величины «количество вещества» и единицы его измерения «моль». Покажите взаимосвязь между массой, количеством вещества и числом его структурных единиц.

Раздел 4: Глоссарий терминов

• Валентность — Способность атомов химических элементов соединяться с определенным числом других атомов.
• Закон постоянства состава веществ — Закон, согласно которому всякое чистое химическое соединение независимо от способа его получения имеет один и тот же качественный и количественный состав.
• Закон сохранения массы веществ — Закон, утверждающий, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.
• Знак (символ) химического элемента — Сокращенное латинское обозначение химического элемента, состоящее из одной или двух букв. Обозначает сам элемент или один его атом.
• Количество вещества ($n$) — Физическая величина, характеризующая число структурных единиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в порции вещества. Измеряется в молях.
• Молярная масса ($M$) — Масса вещества количеством 1 моль, равная отношению массы порции вещества к его количеству.
• Моль — Единица количества вещества, содержащая определенное число структурных единиц (равное числу атомов в 12 г углерода).
• Относительная атомная масса ($A_r$) — Безразмерная величина, показывающая, во сколько раз масса атома данного элемента больше $1/12$ массы атома углерода.
• Относительная молекулярная масса ($M_r$) — Безразмерная величина, равная сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы.
• Простые вещества — Вещества, образованные атомами только одного химического элемента.
• Реакция замещения — Химическая реакция между простым и сложным веществами, при которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе.
• Реакция обмена — Химическая реакция между двумя сложными веществами, при которой они обмениваются своими составными частями.
• Реакция разложения — Химическая реакция, в результате которой из одного сложного вещества образуется несколько новых (простых или сложных) веществ.
• Реакция соединения — Химическая реакция, в результате которой из двух или нескольких веществ образуется одно новое сложное вещество.
• Сложные вещества — Вещества, образованные атомами разных химических элементов.
• Термины — Слова или словосочетания, точно и однозначно обозначающие понятия в конкретной науке.
• Физические явления — Явления, при которых меняется агрегатное состояние, форма или размеры тела, но состав веществ остается неизменным (новые вещества не образуются).
• Химическая формула — Условная запись состава вещества с помощью знаков химических элементов и индексов.
• Химический элемент — Разновидность атомов, характеризующихся одинаковыми свойствами.
• Химические явления (реакции) — Явления, в результате которых из одних веществ образуются другие вещества с новыми свойствами.