Как уже указывалось выше, молекулы состоят из атомов. Сколько же имеется атомов различных видов, или, как их называют, химических элементов.
В настоящее время известны 102 элемента, которые заполняют клетки периодической системы элементов Д. И. Менделеева.
Все разнообразные вещества, которые мы видим в окружающем мире, образованы в результате соединения друг с другом в различных комбинациях этих химических элементов (атомов).
Для удобства написания химического состава различных веществ и их химического взаимодействия между собой в химии приняты условные обозначения каждого элемента, которые образованы из начальных букв латинских названий этих элементов.
Латинский язык, который был первоначально разговорным языком древнего Рима, а затем и всей Римской империи, впоследствии, после распада Римской империи, в средние века продолжал употребляться учеными, а в некоторых науках он сохранился и до настоящего времени.
Так, в медицине пользуются латинским языком для названий болезней и лекарств, в ботанике - для названий растений.
При знакомстве с вопросами обработки воды наиболее часто встречаются следующие одиннадцать химических элементов:
Название элемента | Химическое обозначение | Читается |
Алюминий | А1 | алюминий |
Водород | Н | аш |
Железо | Fе | феррум |
Кальций | Са | кальций |
Кислород | О | о |
Кремний | Si | СИ |
Магний | Mg | магний |
Натрий | Nа | натрии |
Сера | s | ЭС |
Углерод | с | це |
Хлор | C1 | хлор |
С помощью этих условных обозначений (символов) химических элементов можно изображать молекулы любых веществ, а также различные химические процессы.
Цифра, стоящая справа внизу символа, указывает количество атомов в молекуле. Так, например, химическая реакция горения топлива в паровом котле может быть обозначена следующим образом:
С + О2 = СО2
углерод кислород углекислый газ, и читается так: це плюс о два равно це о два.
Первоначальные предположения ученых об атоме как о неделимой мельчайшей частице материи оказались неверными. В настоящее время физиками открыты еще более мелкие элементарные частички, из которых построены все атомы. Таких основных частиц имеется три: протоны, нейтроны и электроны.
По исследованиям последних десятилетий, помимо этих основных частиц открыто еще много различных мельчайших частиц (позитрон, фотон, нейтрино, мезоны и др.), возникающие при радиоактивных распадах и превращениях материи.
Как же построен атом из этих частиц? В центре каждого атома находится его ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются на различных расстояниях от него (орбитах) электроны, являющиеся самыми легкими из этих трех видов частиц.
Вес электрона равен 10-27 г. Протон и нейтрон имеют почти одинаковый вес, примерно в 1850 раз тяжелей электрона. Размеры протонов, нейтронов и электронов выражаются стотысячными долями ангстрема.
Размер же внешней орбиты вращающихся электронов, что и является по существу размером атома в целом, колеблется от 1 до 4 А. Следовательно, большая часть объема атома является пустой, не заполненной материей.
Но мы не видим не только атомов, но и молекул, и поэтому окружающие нас тела кажутся нам построенными из сплошной материи.
Основная масса атома сосредоточена в ядре. Если бы мы могли наполнить 1 см3 протонами и нейтронами так же плотно, как они находятся в ядрах атомов, то вес такого кубика был бы равен приблизительно весу высочайшей горы Кавказа Эльбрус. Такую плотность имеет материя в недрах некоторых звезд.
Протон и электрон имеют противоположные, но равные по величине электрические заряды: у протона - положительный заряд, у электрона - отрицательный. Нейтроны не имеют электрического заряда.
Так как атом в целом нейтрален, то количество вращающихся вокруг его ядра электронов равно количеству протонов в этом ядре. Таким образом, все известные нам различные химические элементы отличаются друг от друга количеством находящихся в их ядрах положительно заряженных протонов и соответственно равным количеством вращающихся вокруг них на разных орбитах электронов.
На рис. 3 изображены упрощенные схемы строения атомов некоторых элементов.
Рис. 3. Упрощенные схемы строения некоторых атомов: 1 - водород; 2 - кислород; 3 - натрий; 4 - хлор.
Атом водорода имеет один электрон, и соответственно этому в его ядре находится один протон. В ядре атома кислорода находятся восемь протонов, и окружают его восемь электронов, из которых два электрона вращаются по внутренней первой орбите, а шесть электронов - по наружной второй орбите.
У натрия, имеющего в ядре 11 протонов и столько же электронов, последние распределены по трем орбитам: первая - два электрона (так же, как у атома кислорода), вторая - восемь электронов и третья, наружная, - один электрон.
У атома хлора с 17 протонами в ядре имеется: два электрона в первой орбите, восемь электронов на второй орбите (столько же, сколько у кислорода и натрия) и семь электронов на третьей орбите.
Установлено, что на каждой орбите может разместиться только определенное предельное количество электронов. Первая орбита, непосредственно окружающая ядро, может вместить только два электрона, вторая - восемь, третья - восемнадцать, четвертая - тридцать два, пятая - восемнадцать и т. д.
При этом каждая следующая орбита может иметь электрон только при условии, что все предыдущие орбиты максимально заполнены. Обнаружено, что все химические свойства элементов определяются расположением его электронов и в первую очередь электронами, находящимися на наружной орбите.
Эта зависимость была гениально предугадана великим русским ученым Менделеевым в его периодической системе элементов, в которой порядковый номер положения элемента указывает число электронов в атоме, а в одном и том же столбце таблицы находятся атомы с одинаковым числом электронов во внешней орбите.
Поскольку основная масса атома сосредоточена в ядре, то и вес его приблизительно определяется весом ядра, состоящим из протонов и нейтронов. Вес нейтронов незначительно отличается от веса протонов.
Количество нейтронов в ядре атома равно числу протонов или несколько превышает его. Таким образом, вес атома определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре и называется поэтому массовым числом атома.
В настоящее время определены абсолютные веса различных атомов, они выражаются чрезвычайно малыми величинами. Так, например, если взять даже самый тяжелый атом - урана, то его вес равен всего 0,4Х10-21 г.
Конечно, иметь дело с такими величинами при расчетах весьма неудобно. Поэтому в химии принята специальная условная мера веса атомов, равная весу самого легкого из них - атома водорода, вес которого принят равным 1,0 и тогда веса всех остальных атомов показывают, во сколько раз они тяжелее атома водорода.
В настоящее время за единицу атомных весов принимается 1/16 атомного веса кислорода, что удобнее, так как при этом атомные веса многих элементов становятся близкими целым числам. Но тогда атомный вес самого водорода оказывается равным 1,008; для грубых подсчетов он может быть приравнен 1,0.