Понятие "химический элемент" в химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие "химический элемент" в химии

Рахманов Д.А., Махмутов А.Р.

В данной статье рассматривается проблема однозначного определения понятия «химический элемент» и приводится её возможное решение. Авторы призывают не использовать в научных текстах многозначных терминов, потому что это может привести к некорректной интерпретации текста.

Ключевые слова: химический элемент, химия, роль понятия.

In this article there is a consideration of the problem of definition of the concept “chemical element” and its probable solution. The authors appeal not to use polysemantic terms in scientific texts, because this may result in an incorrect interpretation of a text. химический элемент атом ядро

Keywords: chemical element, chemistry, role of the concept.

Понятие «химический элемент» является одним из фундаментальных для химии, поэтому вопрос его определения является особенно важным. Актуальность данной статьи не вызывает сомнений. Авторами предпринята попытка рассмотреть проблему определения понятия «химического элемента» с целью его однозначного определения. Не вызывает сомнений, что использование однозначных понятий избавляет читателя от возможной ошибки в понимании значения данного понятия, следовательно, улучшает восприятие научной информации. Следует отметить, что на практике часто не уделяется должное внимание определению понятий, что приводит к использованию их в неправильном значении.

Латинское слово «элемент» (elementum) использовалось ещё античными авторами (Цицерон, Овидий, Гораций) в значении «части некоторого объекта» (например, элемент речи, элемент образования и т.п.). Вероятно, это слово могло произойти в результате соединения ряда согласных букв в латинском алфавите (l, m, n, t - el, em, en, tum). В те времена зарождалось учение об элементах - первая попытка объяснения строения и механизма образования наблюдаемой материи, поэтому было распространено изречение «Как слова состоят из букв, так и тела - из элементов», что является доказательством такой этимологии слова. [3]

В учении об элементах, созданном Фалесом Милетским, не было общепринятой точки зрения. Авторы обычно выделяли некий основной элемент, постулируя, что остальные элементы происходят от него неким образом, причём как механизм образования других элементов из основного элемента, так и механизм образования наблюдаемой материи из элементов, обычно не обсуждался. Число элементов было небольшим - менее 10. Древнегреческой философии была характерна умозрительность, что отразилось и на учении об элементах. Авторы не старались найти какие-то экспериментальные доказательства. Основное внимание уделялось логической непротиворечивости и математической красоте. [2]

Позже учения об элементах появился в Древней Греции атомизм. Основная идея этого учения состояла в замене несколько расплывчатых элементов древности на более материальные элементы-атомы, по определению представляющие собой мельчайшие частицы материи, что приводило к постулированию дискретности материи. Но многим эта теория не понравилась тем, что не было очевидной связи с реальностью - для философов Древней Греции не очевидно, действительно ли существуют атомы, в отличие от элементов-стихий, проявления которых можно было непосредственно почувствовать. Кроме того, фундаментальной проблемой теории стала невозможность на основе лишь одних размышлений узнать число элементов-атомов. [3]

Теория Платона о том, что элементы представляют собой крошечные конечного размера правильные многогранники, представляет собой попытку синтеза стихий и атомов, устраняющую проблему числа атомов, так как уже в Древней Греции было известно доказательство того, что в евклидовой геометрии существует лишь 5 правильных многогранников. [2]

В древнеримской поэме Тита Лукреция Кара «О природе вещей» в смысле, близком к смыслу современного понятия «химического элемента», употребляется слово «principium» (в переводе - «первоначало»). Он считал, что из этих однородных первоначал состоят все наблюдаемые объекты, причём первоначала могут уходить из объекта под действием своего веса или под воздействием других первоначал. [3]

Первое определение химического элемента, основанное на опытных данных, дал Роберт Бойль в книге «Химик-скептик» (1661). Он подробно описал то, что ни 4 стихии Аристотеля, ни 3 принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве химических элементов, так как они исключительно умозрительны и не имеют экспериментального подтверждения. То есть он исходил из методологии науки, ставящей в качестве подтверждения правильности теории эксперимент. Проанализировав имеющие экспериментальные данные, Бойль пришёл к выводу, что химическими элементами могут быть признаны неразложимые вещества. По его мнению, (тогда ещё не подкреплённому экспериментальными данными), элементы состоят из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул (т.е. частиц), из которых состоят все остальные тела и на которые все тела могут быть разложены. Таким образом, главным критерием, по которому вещество могло быть признано элементом, являлась химическая неразложимость. [2]

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра появилось после работ Генри Мозли (1913) и Джеймса Чедвика (1920). Генри Мозли установил закон Мозли - связь между частотой спектральных линий характеристического рентгеновского излучения и порядковым номером излучающего атома. А Джеймс Чедвик экспериментально установил, что порядковый номер элемента равен заряду ядра. [4]

В 1919 году был создан IUPAC. Одной из целей этой наиболее авторитетной всемирной химической организации является определение фундаментальных понятий химии. Согласно IUPAC, существует два значения современного понятия «химического элемента» [1]:

Вид атома; все атомы с одинаковым числом протонов в атомном ядре.

Чистое химическое вещество, состоящее из атомов с одинаковым числом протонов в атомном ядре. Иногда это понятие называется простым веществом, чтобы отличить его от химического элемента в первом значении, но в основном термин химический элемент используется для обоих понятий.

В первом значении химический элемент представляет собой абстрактное понятие, необходимое для того, чтобы сказать некоторую информацию об атомах с конкретным числом протонов и разным числом нейтронов, не зависящую от того, сколько именно нейтронов имеется в ядре. Использовать понятие «атом» здесь невозможно, что позволяет сделать вывод о том, что понятие «химический элемент» в этом значении нужно для науки.

В определении второго значения можно найти противоречия с опытными данными. Согласно квантовой механике, вещества не состоят из атомов, так как в результате соединения друг с другом атомы перестают быть атомами в смысле «изолированного атома». От атомов остаются лишь ядра, в поле которых находятся электроны образовавшейся частицы. Поэтому вместо использования понятия химического элемента во втором значении лучше использовать понятие «простого вещества». Это будет более корректно с точки зрения квантовой механики.

Однако очень часто понятие химического элемента используют там, где оно не подходит под определение IUPAC в первом значении. Это происходит в следующих случаях:

Если мы говорим о нахождении химического элемента в веществе, то допускаем ошибку, так как химические элементы в веществе (за исключением веществ атомарного строения, например, благородных газов) содержаться не могут. В этих случаях нужно заменять словосочетание «химический элемент» на «ядро химического элемента», ведь именно они содержатся в веществе.

Часто говорят, что формой существования химический элементов являются простые вещества [5]. Однако это тоже противоречит опытным данным. Не понятно, имеются ли в виду моноизотопные простые вещества или нет. В первом случае мы получаем, что элементу в общем случае будет соответствовать несколько рядов простых веществ (каждый ряд будет объединять несколько моноизотопных аллотропных модификаций). Во втором случае число простых веществ будет бесконечным, что не является хорошим свойством научной теории. Если рассмотреть первый случай далее, то не понятно, что делать с элементами, у которых не имеется стабильных изотопов. Если же включать простые вещества, состоящие из нестабильных изотопов, то нам придётся либо вводить искусственное ограничение на период полураспада (меньше которого простое вещество либо не будет простым веществом, либо не будет формой существования химического элемента. Причём этот выбор придётся сделать в виде искусственного постулата). Если же ограничение не сделать, то число простых веществ снова станет бесконечным. Таким образом, если мы попытаемся спасти это высказывание, то придётся вводить много искусственных постулатов. Если же мы просто строго последуем первому значению из определения IUPAC, то получим, что ничто не может считаться «формой существования химического элемента», ведь у абстрактного понятия, объединяющего свойства реальных объектов (атомов) не может быть материального воплощения. То же самое будет со всеми абстрактными объектами, что, однако, не делает их менее важными или ненужными. Можно привести в качестве примера понятие дерева. Тогда химическому веществу будет соответствовать лес. Какой лес будет являться формой существования дуба (не конкретного растения, а вида)? Чистый дубовый лес не подойдёт в качестве ответа, так как дуб - это просто родовое понятие. Дубовый лес будет формой существования понятия «дубовый лес» - конкретного понятия, представляющего лишь идентификатор, которым можно обозначить конкретный дубовый лес.

Если мы говорим о синтезе/возникновении элемента, то на самом деле синтезирован был не элемент, а атом/атомы этого элемента.

Скорее всего, при более глубоком анализе литературы можно найти ещё примеры некорректного употребления.

В качестве примера правильного употребления понятия химического элемента можно привести саму Периодическую систему химических элементов, так как в каждой клетке находится именно сам химический элемент - абстракция, включающая в себя свойства атомов, не зависящие от числа нейтронов в ядре.

Таким образом, понятие химического элемента представляет собой типичное родовое понятие - абстракцию (это же говорится в [6]), служащую для совместного описания атомов с одинаковым числом протонов в ядре (конечно, предполагается, что атом нейтрален, что отражено в его определении, данном IUPAC [1]), если оставить только первое значение в определении IUPAC, так как для второго значения уже есть распространённый термин.

Список литературы

1. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A.D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997).

2. Левченков, С.И. Краткий очерк истории химии: Учеб. Пособие для вузов. / Левченков С.И. - 2013 - 147 с.: ил.

3. Элементы химические. - Универсальная научно-популярная энциклопедия «Кругосвет» [Электронный ресурс] - http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/ELEMENTI_HIMICHESKIE.html (дата обращения: 22.08.2017).

4. История становления понятия. - «Студопедия» [Электронный ресурс] - http://studopedia.org/9-71420.html (дата обращения: 22.08.2017).

5. Классы неорганических веществ. - Начальный курс химии [Электронный ресурс] - http://www.alhimik.ru/teleclass/konspect/konsp5-01.shtml (дата обращения: 22.08.2017).

6. Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. - М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru