Знаки химических элементов. Периодическая таблица

В этом уроке вы узнаете, на каком языке общаются ученые всего мира, почему периодическую таблицу называют главным алфавитом природы и как узнать вес атома, не используя весы. Вы поймете, почему химические знаки пишутся латинскими буквами и как устроена таблица элементов.

От хаоса к системе

Вы уже знаете, что всё вокруг состоит из мельчайших частиц. Но задумывались ли вы, как ученые фиксируют свои открытия, чтобы не запутаться в миллионах разных веществ?

Представьте, что вы зашли в огромный склад, где лежат миллионы деталей для сборки самолетов, компьютеров и автомобилей, но на коробках нет никаких этикеток. В химии до середины XIX века царил похожий хаос: исследователи в разных странах называли одни и те же вещества по-разному, ориентируясь на случайные признаки. Из-за этого научные статьи напоминали алхимические шифры, которые невозможно было проверить в другой лаборатории.

Решением проблемы стал единый международный код, который превратил разрозненные химические заметки в понятную каждому систему координат.

Как вы думаете, по какому принципу логичнее всего организовать названия всех существующих в природе элементов, чтобы ученые из России, Китая и Франции могли понять друг друга без переводчика?

Скрыть

Алфавит вселенной: знаки химических элементов

В текстовых сообщениях вы часто используете сокращения и эмодзи, чтобы мгновенно передать мысль без длинных фраз. Химики используют знаки элементов точно так же — как универсальные научные стенограммы.

Основное правило, которое предложил Йёнс Якоб Берцелиус, звучит очень просто: чтобы получить химический знак элемента, нужно взять первую букву его латинского названия.

Например, водород по-латыни называется hydrogenium — его знаком стала первая буква $\mathrm{H}$. Кислород — oxygenium, его знак $\mathrm{O}$. Азот — nitrogenium, пишется как $\mathrm{N}$, а углерод — carboneum, обозначается буквой $\mathrm{C}$.

Но как быть, если латинские названия нескольких разных элементов начинаются с одной и той же буквы? Например, названия азота (nitrogenium), натрия (natrium), неона (neon) и никеля (niccolum) открываются буквой $\mathrm{N}$. Если оставить им всем по одной букве, ученые запутаются.

Поэтому Берцелиус ввел второе правило: в таких случаях к первой заглавной букве добавляют одну из последующих строчных букв названия (чаще всего вторую). Именно так натрий превратился в $\mathrm{Na,}$ неон — в $\mathrm{Ne}$, а никель — в $\mathrm{Ni}$.

Принципы названий элементов

• Свойства простых веществ: кислород рождает кислоты (oxygenium), водород рождает воду (hydrogenium), фосфор несет свет (phosphorus).
• Имена исследователей: менделевий, кюрий, резерфордий.
• Географические объекты: рутений назван в честь России, полоний — в честь Польши, дубний — в честь подмосковного города Дубны.
• Космические тела: селен означает Луна, теллур — Земля, уран связан с одноименной планетой.
• Мифы и легенды: тантал назван в честь героя древнегреческих мифов, ванадий — в честь скандинавской богини красоты.

{"questions":[{"instruction":"Выберите верный символ для химического элемента натрий","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$\\mathrm{N}$","$\\mathrm{Na}$","$\\mathrm{Ni}$","$\\mathrm{Nt}$"],"answer":[1]}},"explanation":"Символ натрия образуется по международному правилу Берцелиуса из первых двух букв его латинского корня.","hints":["Латинское название этого элемента звучит как natrium.","Буквой N на письме уже занят азот, поэтому натрию потребовалась вторая строчная буква."]},{"content":"Представьте, что ученые открыли два новых элемента с похожими латинскими названиями: «новиум» (novium) и «неониум» (neonium). Как будут выглядеть их химические знаки на письме, чтобы исследователи не путали эти вещества?<br />[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Оба элемента получат одинаковый символ — заглавную букву $\\mathrm{N}$.","Первый элемент обозначат как $\\mathrm{No}$, а ко второму добавят строчную букву — $\\mathrm{Ne}$.","Элементы запишут латинскими буквами, но в случайном порядке.","Символы заменят на цифры их порядковых номеров."],"answer":[1]}},"explanation":"Чтобы избежать путаницы при совпадении первых букв, ко второму символу добавляют строчную букву из латинского названия элемента.","hints":["Если латинские названия начинаются с одинаковой буквы, одной заглавной буквы уже недостаточно.","Второе правило Берцелиуса требует добавлять к первой букве одну из последующих строчных букв названия (чаще всего вторую)."]},{"content":"Некоторые элементы получили свои имена благодаря свойствам тех веществ, которые они образуют. Какой из перечисленных элементов назвали по принципу «то, что получается в результате реакции», а не в честь планет, стран или мифов?<br />[[choice-3]]","widgets":{"choice-3":{"type":"choice","options":["Водород (hydrogenium)","Менделевий (mendelevium)","Рутений (ruthenium)","Тантал (tantalum)"],"answer":[0]}},"explanation":"Водород (hydrogenium) назван по его важнейшему свойству — рождать воду при соединении с кислородом, тогда как остальные варианты связаны с учеными, географией или мифами.","hints":["Внимательно вчитайтесь в перевод латинского названия: оно должно описывать рождение нового простого вещества.","Это слово буквально переводится с греческого и латыни как «рождающий воду»."]}],"mix":1}

Две империи природы: металлы и неметаллы

Всю эту огромную компанию элементов ученые разделили на два больших лагеря: металлы и неметаллы. Представьте себе выставку автомобилей и выставку современных гаджетов: у них принципиально разные задачи и внешний вид.

Попробуйте вспомнить, чем чисто внешне железный гвоздь или алюминиевая ложка отличаются от кусочка угля или серы. Какое главное свойство объединяет все металлы в быту?

Скрыть

В таблице Менделеева эти группы ведут себя как жители разных районов города. Металлов в природе гораздо больше, и в коротком варианте таблицы они занимают нижние и левые этажи, а неметаллы скромно расположились на верхних правых этажах.

Символы некоторых химических элементов-металлов

Символы некоторых химических элементов-неметаллов

Почему мы читаем знаки по-разному?

Вы наверняка заметили странность: знак алюминия $\mathrm{Al}$ мы читаем привычно как «алюминий», а вот знак железа $\mathrm{Fe}$ вдруг превращается в «феррум». Кремний $\mathrm{Si}$ мы называем «силициум», а водород $\mathrm{H}$ — просто короткой буквой «аш». Почему нельзя читать всё одинаково и просто называть буквы или русские имена?

Здесь работает историческое правило, которое нужно один раз понять, чтобы потом не зубрить:

• Буквенное чтение (по названиям букв латинского алфавита): используется для большинства самых простых и важных неметаллов, которые ученые открыли первыми и с которыми мы работаем постоянно. Нам просто удобнее произносить короткие звуки в формулах. Поэтому водород $\mathrm{H}$ — это «аш», углерод $\mathrm{C}$ — «цэ», сера $\mathrm{S}$ — «эс», а азот $\mathrm{N}$ — «эн».
• Латинское чтение (по полному оригинальному названию на латыни): используется для элементов, латинские имена которых звучат иначе или совсем не похожи на русские. Химики оставляют их, чтобы сохранять международный стандарт. Кремний $\mathrm{Si}$ происходит от слова Silicium, поэтому и читается как «силициум». Медь $\mathrm{Cu}$ — от Cuprum («купрум»), железо $\mathrm{Fe}$ — от Ferrum («феррум»). Существуют и другие важные элементы с таким чтением: ртуть $\mathrm{Hg}$ читается как «гидраргирум», серебро $\mathrm{Ag}$ — «аргентум», золото $\mathrm{Au}$ — «аурум».
• Русское чтение (совпадает с обычным названием): используется тогда, когда русское название элемента почти полностью совпадает с его международным латинским именем. Алюминий по-латыни — Aluminium, барий — Barium, калий — Kalium. Переводить их на другой манер просто нет смысла, поэтому в формулах они звучат так же, как в жизни.

Когда вы будете писать свои первые формулы, вы быстро привыкнете к этому ритму. Это как с никнеймами в сети: мы сразу запоминаем, как читается сложный ник друга, даже если буквы там написаны непривычно.

{"questions":[{"instruction":"Прослушайте произношение химического элемента и выберите его название и символ","content":"[[listen-3]] [[choice-3]]","widgets":{"listen-3":{"type":"listen","text":"Феррум"},"choice-3":{"type":"choice","options":["Медь — $\\mathrm{Cu}$","Алюминий — $\\mathrm{Al}$","Железо — $\\mathrm{Fe}$","Барий — $\\mathrm{Ba}$"],"answer":[2]}},"explanation":"Рассмотрим символ железа: $\\mathrm{Fe}$. При чтении химических формул его произносят «феррум» — по латинскому названию элемента."},{"instruction":"Прослушайте произношение химического элемента и выберите его название и символ","content":"[[listen-6]] [[choice-6]]","widgets":{"listen-6":{"type":"listen","text":"Купрум"},"choice-6":{"type":"choice","options":["Железо — $\\mathrm{Fe}$","Медь — $\\mathrm{Cu}$","Кальций — $\\mathrm{Ca}$","Углерод — $\\mathrm{C}$"],"answer":[1]}},"explanation":"Рассмотрим символ меди: $\\mathrm{Cu}$. При чтении химических формул его произносят «купрум» — по латинскому названию элемента."},{"instruction":"Прослушайте произношение химического элемента и выберите его название и символ","content":"[[listen-7]] [[choice-7]]","widgets":{"listen-7":{"type":"listen","text":"Эн"},"choice-7":{"type":"choice","options":["Водород — $\\mathrm{H}$","Углерод — $\\mathrm{C}$","Азот — $\\mathrm{N}$","Алюминий — $\\mathrm{Al}$"],"answer":[2]}},"explanation":"Рассмотрим символ азота: $\\mathrm{N}$. В химических формулах его читают «эн»."},{"instruction":"Прослушайте произношение химического элемента и выберите его название и символ","content":"[[listen-8]] [[choice-8]]","widgets":{"listen-8":{"type":"listen","text":"Аш"},"choice-8":{"type":"choice","options":["Азот — $\\mathrm{N}$","Углерод — $\\mathrm{C}$","Железо — $\\mathrm{Fe}$","Водород — $\\mathrm{H}$"],"answer":[3]}},"explanation":"Рассмотрим символ водорода: $\\mathrm{H}$. При чтении химических формул его произносят «аш»."},{"instruction":"Прослушайте произношение химического элемента и выберите его название и символ","content":"[[listen-9]] [[choice-9]]","widgets":{"listen-9":{"type":"listen","text":"Цэ"},"choice-9":{"type":"choice","options":["Углерод — $\\mathrm{C}$","Кальций — $\\mathrm{Ca}$","Медь — $\\mathrm{Cu}$","Азот — $\\mathrm{N}$"],"answer":[0]}},"explanation":"Рассмотрим символ углерода: $\\mathrm{C}$. Он читается «цэ». Символы $\\mathrm{Ca}$ и $\\mathrm{Cu}$ обозначают другие элементы — кальций и медь."}]}

Архитектура таблицы: периоды и группы

Представьте обычный настенный календарь. Дни в нем идут по порядку: $\mathrm{1}$, $\mathrm{2}$, $\mathrm{3}$… Но они не вытянуты в одну бесконечную линию, а разбиты на строчки. Как только заканчивается неделя, мы переходим на новую строку. В результате дни с одинаковым характером (например, все воскресенья) оказываются строго друг под другом в одном столбце.

Дмитрий Менделеев заметил, что у природы тоже есть свой внутренний календарь. Если разложить все химические элементы по порядку, их свойства начинают циклически повторяться. Он взял эту длинную цепочку элементов и «нарезал» её на строчки. Получилась периодическая таблица — единая система координат для всех кирпичиков Вселенной.

Сегодня в мире существуют два основных варианта этой таблицы:

• Современный (длинный) вариант. Он устроен точь-в-точь как наш календарь. Элементы выстроены в длинные красивые строчки. В итоге получается $\mathrm{18}$ вертикальных столбцов-групп. Здесь всё просто: видишь столбец — значит, в нем живут похожие по характеру элементы.
• Классический (короткий) вариант. Его часто печатают на форзацах учебников. Ученые прошлого взяли длинную таблицу и «сложили» её пополам, как гармошку. Из-за этого $\mathrm{18}$ столбцов спрессовались всего в $\mathrm{8}$ групп. Чтобы элементы не перепутались, внутри каждой группы их пришлось раздвинуть по разным краям — левому и правому (их называют главной и побочной подгруппами).

Зная точный «адрес» элемента — номер его строки (периода) и номер столбца (группы), химик может сразу предсказать его характер, даже если видит этот элемент впервые в жизни. Эта сетка координат станет нашим главным инструментом на всех следующих уроках, избавляя от необходимости зубрить свойства сотен веществ по отдельности.

{"questions":[{"instruction":"Если мы двигаемся по таблице Менделеева строго слева направо по одной горизонтальной линии, в какой структуре мы находимся?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В подгруппе","В периоде","В группе","В ряду"],"answer":[1]}},"explanation":"Горизонтальные строки в периодической системе называются периодами.","hints":["Вспомните аналогию с календарем: это как идти по дням одной конкретной недели от понедельника до воскресенья.","Всего таких «этажей» в таблице ровно $\\mathrm{7}$."]},{"instruction":"Почему в коротком варианте таблицы элементы внутри одного столбца сдвинуты к разным краям (влево и вправо)?","content":"[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Это сделано случайно из-за ошибки при печати учебника.","Чтобы отделить элементы малых периодов от больших.","Из-за сжатия таблицы: так разделили похожие, но не одинаковые элементы.","Так обозначаются металлы и неметаллы."],"answer":[2]}},"explanation":"В короткой таблице $\\mathrm{18}$ столбцов сжаты до $\\mathrm{8}$, поэтому элементы раздвинули по разным краям столбца (подгруппам), чтобы разделить их по свойствам.","hints":["Вспомните аналогию с гармошкой: длинную таблицу из $\\mathrm{18}$ столбцов спрессовали в $\\mathrm{8}$.","Левый и правый края столбца называют главной и побочной подгруппами, чтобы элементы не перемешались."]}],"mix":1}

Вес невидимого: относительная атомная масса

Вы можете легко взвесить связку ключей на кухонных электронных весах и получить массу в граммах. Но если мы попробуем взвесить один атом, из которых эти ключи состоят, мы столкнемся с технической проблемой. Масса одного атома водорода составляет всего $1{,}674 \cdot 10^{-27}$ $кг$. Записывать такие гигантские цепочки нулей после запятой в уравнениях реакций невозможно.

Представьте, что вам нужно сравнить вес очень мелких деталей, не имея точных весов. Вы можете взять самую маленькую деталь за эталон и считать, во сколько раз все остальные тяжелее нее. Английский химик Джон Дальтон предложил использовать для этого атом водорода. В современной науке правила немного изменились, и ученые выбрали более точный международный ориентир.

Этот параметр обозначается индексом $A_r$ (буква «r» взята от английского слова relative — относительный). Числа относительной массы записаны в таблице Менделеева в каждой ячейке элемента.

Примеры округленных масс для расчетов: Водород $\mathrm{H}$ — $\mathrm{1}$, Углерод $\mathrm{C}$ — $\mathrm{12}$, Кислород $\mathrm{O}$ — $\mathrm{16}$, Железо $\mathrm{Fe}$ — $\mathrm{56}$.

В школьной практике все эти дробные числа из таблицы округляют до целых по правилам математики. Существует только одно жесткое исключение, которое всегда берется в виде дроби: относительная атомная масса хлора равна $\mathrm{35,5}$.

Реальная масса атома железа ничтожно мала: один его атом весит примерно $9{,}3 \cdot 10^{-26}$ грамма. А его относительная масса из таблицы равна $\mathrm{56}$. Как без сложных вычислений объяснить другу, что означает это число $\mathrm{56}$?

Посмотреть объяснение

Скрыть

{"questions":[{"instruction":"Кто является автором современного химического алфавита, предложившим использовать латинские буквы для знаков элементов?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Дмитрий Менделеев","Йёнс Якоб Берцелиус","Джон Дальтон","Кирилл и Мефодий"],"answer":[1]}},"explanation":"Идею использовать буквы латинского алфавита для краткой записи элементов выдвинул Йёнс Якоб Берцелиус.","hints":["Этот шведский исследователь систематизировал латинские корни названий в начале XIX века.","Его буквенная реформа позволила отказаться от старых алхимических рисунков-символов."]},{"instruction":"Из чего состоят символы химических элементов, если их латинские названия начинаются с одинаковой буквы?","content":"[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Из первой и одной из последующих букв латинского названия","Из первой буквы русского названия","Из случайных латинских букв","Из цифр порядкового номера"],"answer":[0]}},"explanation":"Чтобы избежать совпадений, символы таких элементов дополняются одной из последующих букв названия (чаще всего второй).","hints":["Вспомните, как на письме различаются знаки натрия (natrium) и неона (neon).","К первой заглавной букве добавляется вторая строчная буква из оригинального названия."]},{"instruction":"Чему равна округленная относительная атомная масса кислорода согласно таблице Менделеева?","content":"[[choice-3]]","widgets":{"choice-3":{"type":"choice","options":["$\\mathrm{1}$","$\\mathrm{12}$","$\\mathrm{16}$","$\\mathrm{56}$"],"answer":[2]}},"explanation":"Относительная атомная масса кислорода при математическом округлении равна 16.","hints":["Точное числовое значение в таблице Менделеева для него составляет $\\mathrm{15,9994}$.","Округлите это число до целого значения по базовым правилам математики."]},{"instruction":"Как правильно прочитать вслух знак кремния $\\mathrm{Si}$, когда он встречается в составе химических формул?","content":"[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["Си","Кремний","Силициум","Эс-и"],"answer":[2]}},"explanation":"Буквенный символ Si в формулах по международной традиции читается как «силициум».","hints":["Это элемент-неметалл, латинское название которого звучит как Silicium.","Химики используют полное латинское чтение, так как оно сильно отличается от русского имени."]}]}

Часто задаваемые вопросы