2. Закон простих об’ємних відношень, або «хімічного» закону гей-люссака

Вивчаючи реакції між газами і проводячи кількісні дослідження, французь­кий вчений Ж. Л. Гей-Люссак зробив узагальнення, відоме під назвою закону простих об'ємних відношень, або «хімічного» закону Гей-Люссака: за одна­кових умов об'єми газів, що вступають у реакцію, відносяться один до одного, а також до об'ємів газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

Так, під час взаємодії 2 об'ємів водню і 1 об'єму кисню утворюється 2 об'є­ми водяної пари.

Цей закон привернув загальну увагу хіміків, які намагались пояснити про­стоту об'ємних співвідношень газів, атоми яких сполучаються між собою.

3. Закон авогадро

Найбільш послідовно і досконало дослідив газові реакції італійський фізик А. Авогадро, що дало йому змогу зробити нові теоретичні узагальнення. В 1811 р. він ввів поняття про молекулу і сформулював свою знамениту гіпо­тезу, яка після експериментальної перевірки перетворилася на закон.

Закон Авогадро формулюється так: в однакових об'ємах різних газів за од­накових умов (температури та тиску) міститься однакове число молекул.

Вводячи поняття про молекулу, А. Авогадро не відкидав поняття «атом». Закон Авогадро узгоджувався з фактами, які привели до відкриття закону простих об'ємних відношень, дав змогу зробити висновок про число атомів у молекулах газів, відіграв велику роль у визначенні атомної маси елементів і молекулярної маси речовин.

Згідно з законом Авогадро, однакове число молекул різних газів за однакових умов займає один і той самий об'єм. Виходячи з того, що в 1 моль будь-якої речовини міститься однакове число частинок, які в газоподібному стані займають за певних температури та тиску однакові об'єми, неважко обчислити об'єм 1 моль газоподібної речовини за нормальних умов (101 325 Па, 0 °С).

Обчислення молярного об'єму інших газів (водню, вуглекислого газу тощо) показали, що ця величина стала. Отже, / моль будь-якого газу за нормальних умов займає об'єм 22,4 л. або 0,0224 м³. Цей об'єм називається молярним об 'ємом газу.

4. Хімічний елемент

Д. І. Менделєєв був першим хіміком, який підкреслив необхідність розмежування понять хімічний елемент і проста речовина. Кожна проста речовина характеризується певними властивостями доти, доки не вступить у хімічну реакцію і не утворить нову речовину. Так, до складу сірки, що існує у природі, входить лише один компонент — Сульфур, до складу свинцевого блиску — два: Сульфур та Плюмбум. Однак Сульфур, що входить до складу свинцевого блиску, виявляє інші властивості, ніж у вільному стані, Сірка у вільному стані — це проста речовина, що складається з одного елемента; свинцевий блиск — складна речовина, що складається з двох елементів.

Індивідуальні речовини, що складаються з атомів одного хімічного елемен­та, називаються простими. Речовини, що складаються з атомів різних хіміч­них елементів, можуть бути складними речовинами або сумішшю простих.

Хімічна речовина, що використовується для виконання дослідів чи для інших потреб у лабораторії, називається реактивом. За ступенем чистоти реактиви відповідно до стандартів поділяють на «хімічно чисті» (х. ч.), «чис­ті для аналізу» (ч. д. а.) та «чисті» (ч.). Хімічні реактиви, що не піддавались спеціальному очищенню, називаються «технічними».

Очищення речовин від домішок проводять різними методами. Найпоши­ренішими серед них для твердих речовин є перекристалізація і сублімація, для рідин — фільтрування і дистиляція, для газів — поглинання домішок різними речовинами (адсорбція).

Чистоту речовини визначають за температурою її плавлення (кипіння) та густиною, хімічним аналізом, порівнянням обчислених величин з табличними.

Хімічний елемент можна визначити як окремий вид атомів, що харак­теризується певними властивостями, або як сукупність атомів з однакови­ми зарядами ядер. Отже, під хімічним елементом розуміють окремий вид атомів, хімічно не сполучених між собою. Проста речовина — це система хімічно сполучених атомів одного й того самого елемента. Відмінність між хімічним елементом і простою речовиною стає більш зрозумілою, коли ми стикаємось з явищем алотропії: один і той самий елемент, наприклад Суль­фур, Карбон, Стибій, Фосфор, у вільному стані можуть існувати у вигляді кількох простих речовин.

Явище існування хімічного елемента у вигляді кількох простих речовин називається алотропією. Прості речовини, утворені одним елементом, називаються алотропними модифікаціями (видозмінами) цього елемента.

Явище алотропії зумовлене в одних випадках тим, що молекули різних алотропних видозмін елемента складаються з різної кількості атомів, в інших — тим, що їх кристали мають різну будову (поліморфізм).

Атоми різних елементів відрізняються, насамперед, величиною заряду ядра. Різновиди атомів одного й того самого елемента, що мають однако­вий заряд ядра, але різне масове число, називаються ізотопами. Елементів нині відомо 109, ізотопів -2000. Практично всі елементи мають ізотопи. Отже, хімічний елемент — це родина ізотопів. Елементи трапляються на Землі в різних кількостях. Науки, що вивчають поширеність їх у Землі та космосі, називаються геохімією та космохімією. Основи цих наук закладені працями видатних вчених — В. І. Вернадського, О. Є. Ферсмана, О. П. Вино­градова, Ф. Кларка, В. М. Гольдшмідта та ін.

У 1908 р. американський вчений Ф. Кларк опублікував книгу «Дані гео­хімії», де на основі результатів хімічного аналізу гірських порід, мінералів і вод розрахував середній вміст кожного з елементів у верхніх шарах Землі.

У космосі є такі самі елементи, що й на Землі, і періодичний закон охоплює їх всі. Однак поширення елементів на Землі і в космосі не однакове. Гідроген і Гелій — найпоширеніші елементи космосу. Ядерна реакція перетворення Гідрогену на Гелій — це одне з основних джерел енергії зірок і Сонця. На Землі вміст водню і гелію у вільному стані невеликий, оскільки ці гази легкі і вивіт­рились за час існування нашої планети. Під час перебігу термоядерних реакцій в надрах зірок відбуваються складні процеси синтезу елементів. При цьому перетворенню піддаються легкі ядра (Літій, Берилій, Бор), тому вміст цих еле­ментів у космосі обмежений. Відносний вміст елементів у космосі із зростанням їхніх атомних мас знижується, але Ферум і подібні до нього елементи дають на кривій «атомна маса елемента — вміст елемента» характерний пік, отже, ці елементи, можливо, утворюються під час вибуху зірок.

Найбільш поширеним елементом на Землі є Оксиген. Оксиген, Силіцій і Алюміній становлять близько 80 % маси земної кори.

Якщо суму всіх атомів елементів прийняти за 100 %, то частка, що припадає на атоми даного елемента, буде виражатись атомним відсотком. Вміст елементів за масою називають масовими кпарками, атомний вміст — атомними кларками. Виражати вміст елементів в одиницях «кларках» запро­понував О. Є. Ферсман на честь видатного геохіміка Ф. Кларка. Кларком називають вміст даного елемента в певній космо- або геохімічній системі, виражений в атомних або масових відсотках (атомні або масові кларки). За масовими кларками 25 елементів (Оксиген, Силіцій, Алюміній, Ферум, Каль­цій, Цирконій, Ванадій, Нікол, Цинк, Купрум, Натрій, Калій, Магній, Гідроген, Титан, Карбон, Хлор, Фосфор, Сульфур, Манган, Флуор, Барій, Нітроген, Стронцій, Хром) становлять 99,95 % маси земної кори.

Розподіл елементів від кори до центра Землі вивчав норвезький вчений В. М. Гольдшмідт. Він дійшов висновку, що цей розподіл не рівномірний, і в 1924 р. сформулював основний закон геохімії, розділив елементи на такі геохімічні групи:

атмофільні елементи, що входять до складу атмосфери (Оксиген, Нітроген, Гідроген, інертні гази та ін.);

літофільні елементи, що входять до складу кам'янистої оболонки Землі (до 120 км завглибшки); це галогени, Оксиген, Алюміній, Бор, Силіцій. Магній, лужні та лужно-земельні метали, рідкісноземельні елементи, Фосфор, Ніобій, Тантал, Титан, Хром, Ванадій, Вольфрам та ін.;

халькофільні елементи, що входять до складу халькосфери (до 1200 км завглибшки); до них належать Сульфур, Селен, Телур, Плюмбум, Купрум, Галій, Індій, Талій, Германій та ін.;

сидерофільні елементи, що входять до складу сидеросфери (ядро Землі); це Ферум, Нікол, Кобальт, Платина, платинові метали. Молібден, Реній та ці елементи характеризуються спорідненістю до Фосфору, Карбону і деякою мірою до Сульфуру.