§ 35. Классы простых веществ

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, молекулы O₂ содержат только атомы кислорода. Это определение помогает отличать простые вещества от соединений, в составе которых есть атомы разных элементов.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра, а не отдельный образец вещества. Элемент кислород может входить в состав O₂, O₃ и воды H₂O. Различие нужно, чтобы не путать описание атомов с описанием вещества и его свойств.

Металлы — класс простых веществ, которым обычно свойственны металлический блеск, электро- и теплопроводность, а также пластичность. Большинство металлов построено из частиц в металлической кристаллической решётке. Это понятие объединяет вещества с общими признаками, хотя отдельные свойства выражены неодинаково.

Неметаллы — класс простых веществ, свойства которых обычно отличаются от металлических: многие из них плохо проводят тепло и электрический ток и не обладают металлической пластичностью. Неметаллы могут иметь молекулярное или атомное строение. Это определение помогает увидеть, почему в классе так много веществ с разными свойствами.

Аллотропия — существование нескольких простых веществ, образованных атомами одного элемента. Такие формы называют аллотропными модификациями: например, кислород O₂ и озон O₃. Понятие объясняет, почему одному элементу могут соответствовать вещества с разными свойствами.

Как это устроено

Деление на металлы и неметаллы связано со строением атомов и тем, как они образуют химическую связь. Атомы металлов сравнительно легко отдают внешние электроны, а в металлической решётке электроны могут перемещаться между частицами; это помогает объяснить электропроводность. Неметаллы чаще образуют ковалентные связи, при которых атомы совместно используют электронные пары. Однако строение и свойства разнообразны, поэтому одного внешнего признака для классификации недостаточно.

Электропроводность металлов связана с подвижностью электронов, а теплопроводность — с передачей энергии внутри вещества. Металлический блеск возникает из-за взаимодействия свободных электронов с падающим светом. Пластичность означает, что вещество можно деформировать без разрушения: слои частиц в металлической решётке способны смещаться, сохраняя связь. У разных металлов эти признаки проявляются в разной степени, поэтому некоторые из них мягкие, а другие — твёрдые и прочные.

Неметаллы отличаются и агрегатным состоянием, и строением частиц. При обычных условиях азот и кислород — газы, бром — жидкость, а сера и углерод — твёрдые вещества. Многие неметаллы состоят из отдельных молекул, например S₈, но в алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную структуру. Различия возникают потому, что состав и связи внутри частиц, а также притяжение между ними неодинаковы.

Атомы одного элемента могут соединяться и располагаться по-разному, образуя несколько простых веществ. Поэтому кислород O₂ и озон O₃ — аллотропные модификации кислорода: их молекулы различаются числом атомов и строением. Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но те образуют разные структуры. От различий в строении зависят свойства: алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и проводит электрический ток.

Класс простого вещества нельзя всегда установить по одному физическому свойству, потому что в природе есть исключения и промежуточные признаки. Ртуть при обычных условиях жидкая, хотя относится к металлам, а бром — жидкий неметалл. Графит, несмотря на принадлежность к неметаллам, проводит электрический ток. Поэтому учитывают сразу несколько свойств и строение, а не делают вывод только по агрегатному состоянию или проводимости.

Сравнение классов простых веществ

Сравнивайте вещества по нескольким строкам сразу: ни агрегатное состояние, ни проводимость по отдельности не дают безошибочного ответа. Строение помогает объяснить наблюдаемые свойства, а примеры и исключения показывают границы типичных характеристик.

Разбор задач

Задача 1. Распределите простые вещества Fe, O₂, S₈ и Cu на металлы и неметаллы. Сначала нужно убедиться, что все записи обозначают простые вещества: каждая формула включает атомы только одного элемента. Затем сопоставим элемент и характерный класс его вещества.

1. Fe — простое вещество железо; железо относится к металлам.
2. O₂ состоит из атомов кислорода; кислород — неметалл.
3. S₈ состоит только из атомов серы; сера — неметалл.
4. Cu — простое вещество медь, относящееся к металлам.

Ответ: металлы — Fe и Cu; неметаллы — O₂ и S₈. Число атомов в формуле не меняет класс вещества: важно, какой это элемент.

Задача 2. Укажите, какие записи O₂, O₃, H₂O и CO₂ обозначают простые вещества. Проверять нужно не длину формулы и не число атомов, а число разных химических элементов в составе. Так мы не перепутаем простое вещество с соединением.

1. В O₂ есть только атомы кислорода — это простое вещество.
2. В O₃ также есть только атомы кислорода — это простое вещество, аллотропная модификация кислорода.
3. В H₂O присутствуют водород и кислород — это сложное вещество.
4. В CO₂ присутствуют углерод и кислород — это сложное вещество.

Ответ: простые вещества — O₂ и O₃; H₂O и CO₂ — соединения. Индексы показывают число атомов, а обозначения элементов — какие именно атомы входят в состав.

Задача 3. Сопоставьте алмаз и графит: назовите элемент, образующий оба вещества, и объясните различие свойств. Сначала проверим состав, затем свяжем наблюдаемые различия со строением. Одинаковая принадлежность к элементу не означает, что вещества должны иметь одинаковые свойства.

1. Алмаз и графит состоят из атомов углерода.
2. Это разные аллотропные модификации углерода.
3. В них атомы соединены и расположены по-разному, поэтому структуры веществ различаются.
4. Строение объясняет свойства: алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и проводит электрический ток.

Ответ: оба вещества образованы углеродом, но являются разными аллотропными модификациями. Их свойства различаются из-за неодинакового строения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Такое смешение возникает, потому что названия элемента и вещества часто совпадают: кислородом называют и элемент, и простое вещество. Проверьте себя: элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — образец, состоящий из этих атомов.

Ошибка — называть вещество простым только из-за короткой формулы. Например, H₂O записывается компактно, но включает атомы двух элементов, поэтому это соединение. Чтобы проверить состав, найдите все разные химические символы в формуле: один элемент означает простое вещество, несколько — сложное.

Ошибка — думать, что все неметаллы являются газами, а все металлы — твёрдыми. Это обобщение возникает из-за знакомых примеров, таких как кислород и железо. Сверьте вывод с исключениями: бром — жидкий неметалл, а ртуть — жидкий металл; значит, агрегатное состояние не определяет класс.

Ошибка — принимать аллотропные модификации за разные элементы. Алмаз и графит выглядят и ведут себя по-разному, поэтому различие легко принять за различие состава. Проверьте химические символы в составе: оба вещества образованы атомами углерода, а различаются строением.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно различать атом, химический элемент и вещество, а также правильно читать химические формулы. Эти знания позволяют определить, сколько элементов входит в состав образца. Без них легко принять соединение за простое вещество.

Классификация простых веществ помогает перейти к изучению их строения, химической связи и свойств элементов в периодической системе. Свойства веществ становятся понятнее, если связать их с тем, как устроены атомы и кристаллическая решётка. Поэтому сравнение классов — не только запоминание признаков, но и способ объяснять наблюдения.

Аллотропия встретится при изучении кислорода, углерода, серы и фосфора. Для каждого примера важно различать элемент и образованные им вещества. Это поможет объяснить, почему формы одного элемента могут заметно различаться.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Простые вещества делят на металлы и неметаллы.
• Физические признаки помогают распознать класс вещества, но у них бывают исключения.
• Неметаллы различаются по агрегатному состоянию и строению.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Разные аллотропные модификации одного элемента могут иметь разные свойства.