Названия элементов. Общие замечания.

Названия элементов определяется скорее историей развития химии и лингвистики, позднее физики, с широким влиянием геологии, нежели какими-либо закономерностями их химических свойств. Выделяется четыре группы названий. Первая группа относится к элементам, которые или были сами известны в глубокой древности, или же были известны их широко распространенные соединения. Вторая группа названий – это элементы, открытые в период от алхимии и до эпохи радиоактивности. Третья – это эпоха радиоактивности. Четвертая – эра физиков-ядерщиков, названия элементов – отдельная песня и пререкания в духе «Я стрелял! Нет, я стрелял!», здесь столь же нормальны, как и у охотников при дележе добычи.

1.2 Латинские названия и буквы, обозначающие элементы. Вообще говоря, среди химиков есть масса несознательных граждан – практически все, которым совершенно не хочется произносить триоксонитрат водорода пять вместо аш-эн-о-три или азотка, говоря об азотной кислоте. Искоренять сие не культурное поведение – непосильная задача, все же поняли, о чем речь? Однако есть требование формального чтения, и мы их рассмотрим. Существует серия элементов, которые обозначены единственной латинской буквой H, B, C, N, O, F, P, S и I. При прочтении формул вещества, все они, кроме B, F и I, читаются как соответствующие буквы латинского алфавита. Указанные исключения читаются как бор, фтор и иод, т.е. как русские названия элементов. Следует заметить, что в быту широко распространен термин «йод», который проскакивает в речи и часто употребляется даже в названиях соединений, например, йодиды, хотя правильно говорить иодиды. Даже программа Word не знает различий, хотя написать Йван, вместо Иван не дает. Это особенности русского языка, в латинице такого звука просто нет. Не следует думать, что это особенность только русско-латинских соответствий. В английском языке, есть «й» и йод - это айодайн, но нет звука «ц», поэтому там весьма специфическое соотношение – обычно «ц» меняется «с» (церий – сиэриум, Si силисиум), или в случае цинка и циркония на «з» (зинк, зиркониа). В японском языке отсутствует звук «л» и каждый третий элемент Периодической системы для японца как нож по горлу, если брать первые 105 элементов.

Латинскими по произношению являются элементы – металлы, которые были известны еще в глубокой древности. Это железо (Fe, феррум), медь (Cu, купрум), серебро (Ag, аргентум), золото (Au, аурум), ртуть (Hg, гидраргирум), олово (Sn, станнум), свинец (Pb, плюмбум). Кроме них, название еще нескольких элементов, читается по латыни. Это кремний (Si, силициум), мышьяк (As, арсеникум), сурьма (Sb, стибиум). Также нам будет полезна таблица, которая помещена в разделе галогенидов.

Остальные же элементы читают в соответствии с их русскоязычными названиями.

1.3 Аллотропия и полиморфизм. Вообще говоря, упорядочение атомов в веществах носит характер не унитарный. Для p-элементов в этом случае говорят об аллотропии. Простейший случай аллотропии выявлен у кислорода, который образует просто кислород O₂ (иногда применяют термин дикислород, но редко, обычно подчеркивая отличие от озона) и озон O₃. Для серы и красного селена характерная молекулярная структура из молекул S₈ и Se₈. Пластическая сера и серый селен построены из зигзагообразных молекул, длиной в несколько сотен атомов. В старой литературе может встритьтся термин хизон – H₃, но это ошибочные сообщения. Вообще говоря, таких фокусов в старой литературе – хватай больше, кидай дальше.

Фосфор обладает рядом модификаций. Белый фосфор состоит из молекул P₄. В красном и черном фосфоре молекулы объединены в сложноустроенные трехмерные сетки. Желтый мышьяк состоит из молекул As₄, серый – ковалентный полимер.

Большим набором аллотропных модификаций обладает углерод. Его основным состоянием принят графит, в который переходят остальные формы. В основе графита лежат слои, замощенные 6-угольниками из атомов, слабосвязанные между собой. Если отщипнуть один такой слой получится графен, если аккуратно вырезать ножничками полоску и свернуть ее в трубку – нанотрубка. Если вырезан кусочек, к которому потом добавят несколько атомов или где нужно отрежут несколько атомов углерода и свернут это в шар (шар сам по себе не допускает развертки) то получится фуллерен (бакминстерфуллерен) состава обычно C₆₀ или C₇₀. Карбин представляет собой два линейных полимера или поликумулен =C=C=C= или полиин -C≡C-C≡C-.

Для металлов явление аллотропии называют полиморфизмом. Полиморфные модификации отличаются различной конфигурацией атомов в кристаллических решетках. Обычно их указывают с соответствующей буквой греческого алфавита. Если существование какой-нибудь модификации, например бета–железа, не подтверждается, то такую модификацию упраздняют, но, во избежание путаницы не происходит смещения на указанную букву. Важной особенностью полиморфных металлических превращений является «оловянная болезнь» - растрескивание оловянных предметов при переходе из серого олова в белое (алмазоподобная структура), при сравнительно небольшом охлаждении (260 К). Полиморфные модификации, в отличие от аллотропных, не совместны.

1.4 Элементы дальнего конца таблицы Менделеева. Уже с элемента с номером 102, возникают вопросы приоритета открытия. Для элементов с атомными номерами, 102 – 105 мы будем применять устоявшиеся в отечественной литературе названия нобелий, лоуренсий, курчатовий и нильсборий. Концевые элементы таблицы (№№ 106 - 118) называют латинским числительным, причем довольно специфическим, не так как это произнес бы древний римлянин, а просто читая номер ун-нил-септиум – элемент с номером 107. Впрочем, эта информация просто к сведению, поскольку за нильсборием у химиков начинается выжженная пустыня. Для элементов с атомными номерами 106 – 118, лучше всего применять выражения в виде ¹¹²М, ¹¹²Э и произносить их как элемент-112… Вообще говоря, также можно пользоваться методом, предложенным еще Менделеевым, элемент-118 – экарадон.

1.5 Изотопия. Вообще говоря, существует несколько десятков особых символов элементов, связанных с их изотопией. Речь здесь пойдет только о тех элементах, которые находятся в т.н. радиоактивных семействах, а также о водороде и гелии. Изотопы атомного ядра – это атомное ядро, имеющее одинаковое число протонов p, но разное число нейтронов n. Простейшим набором изотопов обладает водород. Основной его изотоп протий, в состав ядра которого входит элементарная частица протон p, имеет обозначение ¹H или просто H. В состав ядра дейтерия ²H или D, входит протон и нейтрон n. В составе ядра трития ³H или T, один протон и два нейтрона. Обобщая вышесказанное можно сделать запись ³₁H. Верхнее число обозначает сумму числа протонов и нейтронов (атомная масса – величина существенно дробная для всех изотопов, кроме ¹²₆C – цэ-двенадцать, так правильно читать название изотопа, но нередко латинское название или букву, заменяют на русское название элемента), нижнее заряд атомного ядра, т.е. число протонов. В принципе, для физики это исчерпывающая запись. Ядро атома дейтерия называют дейтроном, трития – тритоном. Ядро атома гелия-4, ⁴He, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, называют гелионом (редко) или α-частицей.

При радиоактивном распаде атомных ядер, вообще говоря, возможны несколько процессов. В первом случае ядро атома покидает α-частица, что характерно для тяжелых ядер конца периодической системы. Во втором ядро покидает β^- бета-минус частица, электрон (это характерно для ядер, в которых много нейтронов) или β⁺ - позитрон, при переизбытке протонов. Мы не будем вдаваться в физику этого явления, воспримем его как данность. Бета-минус распад был использован для синтеза хлоридов ксенона ди- XeCl₂ и тетра- XeCl₄ из соответствующий радиоактивных комплексных ионов йода

ICl₂^- (β^-) → XeCl₂

Так-так-так, ну-ка авторы, тпру! Частица слева заряжена, потеряла один электрон из ядра, а справа не заряжена. Где второй электрон? Второй электрон «забирает» себе ксенон, ведь его должны окружать не 53, а 54 электрона! К сожалению, метод радиоактивного распада-синтеза трудно применим для легких элементов. Энергия и импульс в системе сохраняются и более легкий атом, который формально покоится (по крайней мере, мы можем выбрать движущуюся систему координат, в которой он покоится), получает существенно больший импульс, чем тяжелый. Его энергия становится достаточной, чтобы разорвать довольно слабые связи между атомами (речь идет как о практически важном случае, когда мы могли бы попробовать применить данный подход для синтеза соединений более легких аналогов ксенона).

Бета-плюс распад приводит к излучению из ядра позитрона и снижению его заряда на единицу. Таков практически важный процесс распада ⁴⁰К до ⁴⁰Ar, что используют при определении возраста горных пород.

Еще одно явление, довольно редкое, но, тем не менее, имеющее место, это К-захват, когда близлежащий к ядру электрон поглощается ядром, снижая его заряд на единицу.

Кроме того, следует помнить о ядерной изомерии отклонении ядра от условно сферической формы, которое приводит к испусканию гамма-кванта и восстановлению устойчивой конфигурации. Изомеры радиоактивных изотопов претерпевают более быстрый распад, и обозначаются надстрочной буквой m возле массового числа элемента. Испускание и поглощение γ-лучей лежит в основе спектроскопии Мёссбауэра.

1.5. Радиоактивные семейства. Старая литература по радиохимии испещрена многочисленными символами типа AcK опознать в которых, скрывающийся франций-223, не имея перед глазами схемы довольно затруднительно. Схемы эти выглядят так. Семейство урана-1 (читается уран-один)

UI (α) → UX₁ (²³⁴Th) (β^-) → UZ (²³⁴Pa)/UX₂ (^234mPa) (β^-) → UII (²³⁴U) (α) → Io (²³⁰Th) (α) → ²²⁶Ra (α) → ²²²Rn (α) → RaA (²¹⁸Po)

начинается изотопом ²³⁸U, который претерпевает альфа-распад, превращаясь в торий-234 - уран-икс-1. Этот изотоп по бета-минус распаду превращается в ²³⁴Pa, который получается или в виде обычного или в виде изомерного атома. Скорость распада изомерного атома почти в 344 раза выше, но оба они превращаются в уран-два. Далее через каскад радиоактивных альфа-распадов проходим через ионий к изотопу полония радий-а RaA. И понеслась лестница изотопов со штрихами, которую легче описать словами. Из Ra-A по альфа-пути получается RaB (²¹⁴Pb), а по бета-минус пути ²¹⁸At. По этому же пути свинец, а астат через альфа превращаются ²¹⁴Bi (RaC). Снова вилка по бета-минус в радий-це-штрих RaC^/ (²¹⁴Po) и по альфа в RaC^// (²¹⁰Tl). Первый по альфа, второй по бета-минус превращается в RaD (²¹⁰Pb). Бета-минус дает RaE. Вилка превращений в RaE^/ (α, ²⁰⁶Tl) и RaF (β^-, ²¹⁰Po), скрестным распадом конвергируется в RaG – ²⁰⁶Pb.

Второе радиоактивное семейство это семейство радиотория, хотя начинается оно изотопом ²³²Th. Его альфа-распад приводит к мезоторию-1 MsTh₁ (²²⁸Ra), который через бета-минус преобразуется в мезоторий-2 ²²⁸Ac. На диаграмме появляется первая вилка или через альфа во франций-224 или бета-минус в радиоторий RdTh (²²⁸Th). Франций по бета-минус, а торий по альфа превращаются в ThX (²²⁴Ra). Его разложение по альфа-распаду дает торон Tn (²²⁰Rn), следующий участник ряда ThA (²¹⁶Po). Бета-минус распад дает ²¹⁶At, альфа ThB (²¹²Pb). Теперь участники ряда обмениваются типами распада, превращаясь в ThC (²¹²Bi). Через бета-минус в ThC^/ (²¹²Po) и альфа в ThC^// (²⁰⁸Tl), с последующим перекрещивание типов распада получается устойчивый ThD (²⁰⁸Pb).

Третье радиоактивное семейство – актиноурана AcU (²³⁵U), после альфа распада продолжается UY (²³¹Th). Бета-минус распад дает ²³¹Pa, альфа-распад которого дает ²²⁷Ac. Дальнейший распад по этому же каналу дает AcK (²²³Fr), тогда как по бета-минус дает радиоактиний RdAc (²²⁷Th). «Скрест» типов распада дает AcX (²²³Ra). Изотоп радона-219, получаемый по альфа-распаду, называют актиноном An. Его альфа-распад дает AcA (²¹⁵Po). Здесь начинаются любимые нами вилки и ступеньки. Через альфа в AcB (²¹¹Pb), через бета-минус в ²¹⁵At. Скрест распадов дает AcC^/(²¹¹Bi). Снова ступенька в AcC^/ (²¹¹Po) и AcC^// (²⁰⁷Tl), заканчивающаяся свинцом-207 AcD.

1.6. Групповые названия. Кроме названий по основному типу внешней электронной оболочки (s-элементы, p-, d-, f-), элементы периодической системы делятся на группы. Не металлами, или как это принято сейчас говорить, металлоидами, называют элементы лежащие на и выше диагонали бор – кремний – мышьяк – теллур – астат. Часто к ним относят и сурьму. Иногда к ней или теллуру применяют термин полуметаллы. Остальные элементы – металлы. Среди них выделяют легкие (плотность меньше, чем у железа) и тяжелые. Но нередко к тяжелым металлам относят все токсичные элементы или их радиоактивные изотопы.

Выделяют группу, отвечающую за черную металлургию, железо и его сплавы – стали и чугуны и за цветную (все остальные металлы и их сплавы).

По расположению в главных или А-подгруппах Периодической системы Менделеева выделяют галогены – F, Cl, Br, I, At, халькогены (O, S, Se, Te, но не Po), пниктогены (N, P, As, Sb, Bi) (термин не общепринят). Гелий, а также элементы подгруппы неона относят к инертным или как сейчас говорят, благородным газам. Металлы подгруппы лития называют щелочными, а подгруппы кальция – щелочноземельными. Вообще говоря, рассуждая о каком-либо характерном свойстве для данного элемента и ниже его по периодической системе, подгруппу могут уменьшать, обрезая часть электронных аналогов «сверху». Сам термин подгруппа весьма широкий, который в отличие от периода не может быть определен с тождественной точностью. Ход заполнения электронных оболочек у переходных (d- и f-) элементов (в побочных подгруппах, причем d – в B-подгруппах, а f в некоторых формах записи таблицы Менделеева в C-подгруппах) в целом, идентичен, но много различных тонких эффектов. Например, в ряду никель – палладий – платина, электронная оболочка ни разу не повторяется с точность до конфигурации 3d⁸4s², 4d¹⁰5s⁰ и 5d⁹6s¹. В целом же сумма числа электронов в вертикальном ряду подгруппы остается постоянной.

Редкоземельными элементами (РЗЭ) или редкоземельными металлами (РЗМ) называют металлы группы скандия (кроме Ac) и лантаноиды (лантаниды) Ce – Lu, кроме Pm (в природе не известен, но в группу лантаноидов (не земель!), входит). В лантаноидах в свою очередь выделяют цериевое (Ce – Gd) и тербиевое семейство (Tb – Lu). Еще одно групповое название актиноиды (актиниды) относится к элементам от тория до лоуренсия, с разбиением на ториевое и берклиевое семейства. Элементы, расположенные за ураном называют трансурановыми.

К благородным или драгоценным металлам относят платиновые металлы (подразделяя их на палладиевое (5d-металлы) и платиновое семейство (6d), выделяя в них диады Ru-Os и т. п.), а также серебро и золото.

Fe, Co, Ni относят к металлам группы или семейства железа.

К редким и рассеянным элементам обычно относят элементы не образующие собственных минералов или имеющие их в единичном исчислении, как поллуцит у цезия.

1.7 Новые типы атомов. К новым типам атомов относятся комбинации некоторых элементарных частиц, чьи свойства были изучены химиками. Простейшая такая система позитроний Ps, состоящая из позитрона и электрона. Это сильнейший восстановитель, для которого даже были получены некоторые соединения, например Ps₂O. В мюонии электрон движется вокруг μ⁺-мезона (антимюона, на самом деле относится к классу лептонов). В мезо-атомах, один из электронов атома заменен на мюон. Такие частицы, будучи очень тяжелыми, фактически закрывают атомное ядро и свойство мезатомов похожи на соседний атом с зарядом на единицу меньше. Вставка мюония на место атома водорода позволяет изучать кинетику ряда химических процессов в органической химии.