"Химия", Габриелян О.С.
Неметаллы отличаются от металлов строением внешнего электронного слоя и способностью принимать электроны или образовывать общие электронные пары. Один элемент может существовать в виде разных простых веществ: кислород O₂ и озон O₃ — формы одного элемента, но свойства у них не одинаковы. Кислород необходим для дыхания и поддерживает горение, а озоновый слой задерживает опасную часть солнечного ультрафиолета. Воздух — не чистое вещество, а смесь газов, главным образом азота и кислорода.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Неметаллы — химические элементы, атомы которых обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары. В периодической системе они находятся преимущественно в правой верхней части, а водород — в отдельном положении. В отличие от металлов, их атомам чаще выгодно получить электроны или поделиться ими, а не отдавать.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, атомы кислорода образуют и двухатомные молекулы O₂, и трёхатомные молекулы O₃. Это понятие помогает не путать элемент, то есть вид атомов, с веществом, которое состоит из этих атомов.
Кислород — простое вещество, состоящее из двухатомных молекул O₂. При обычных условиях это бесцветный газ без запаха, слабо растворимый в воде. Он нужен для дыхания многих организмов и поддерживает горение, поэтому важен и для живой природы, и для практической деятельности человека.
Озон — простое вещество из трёхатомных молекул O₃. Это голубоватый газ с резким характерным запахом, более химически активный, чем кислород. В верхних слоях атмосферы озон поглощает часть опасного ультрафиолетового излучения, но вблизи Земли и в больших концентрациях вреден для здоровья.
Положение неметаллов в периодической системе связано с тем, сколько электронов находится на внешнем уровне их атомов. У многих таких атомов внешний уровень почти заполнен, поэтому им проще принять недостающие электроны или получить их совместно с другим атомом. Металлические атомы, напротив, обычно легче отдают электроны. Поэтому типичное поведение элементов связано с их местом в таблице, хотя это общее правило имеет исключения.
Когда два атома неметаллов сближаются, каждый может внести электрон в общую пару. Такая пара принадлежит обоим атомам и удерживает их вместе; связь этого типа называется ковалентной. Несколько атомов, связанных таким образом, могут образовать молекулу простого вещества. Число атомов в ней зависит от особенностей электронного строения элемента и условий, в которых существует вещество.
Кислород и озон состоят из атомов одного элемента, но формулы их молекул разные: O₂ и O₃. Из-за разного числа и взаимного расположения атомов меняются свойства вещества — например, озон активнее вступает в химические реакции. Существование этих двух форм кислорода и есть пример аллотропии. Поэтому формула простого вещества показывает, какие частицы образуют его молекулы, а не только называет элемент.
Кислород участвует в реакциях горения: реагирует с горючим веществом, а реакция часто сопровождается выделением тепла и света. При этом горит именно горючее вещество, а кислород обеспечивает окисление и поддерживает процесс. Горючесть — способность самого вещества вступать в горение, а способность поддерживать горение — другое свойство. Поэтому неверно говорить, что кислород сам горит.
Озон может образоваться из молекул кислорода под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения. Энергия этих воздействий помогает перестроить молекулы: часть атомов кислорода объединяется в O₃. Озон легче вступает в реакции, чем O₂, поэтому полезен как сильный окислитель, но опасен при вдыхании в высокой концентрации. В стратосфере озон поглощает часть ультрафиолетовых лучей, а у поверхности Земли его избыток загрязняет воздух.
Воздух — смесь газов, в которой основные компоненты распределены достаточно равномерно. В сухом воздухе доли азота и кислорода обычно близки к 78% и 21% по объёму; их содержание в обычных условиях меняется мало. Водяной пар поступает при испарении и удаляется при конденсации, поэтому его количество зависит от погоды и места. Доля углекислого газа тоже может меняться: на неё влияют дыхание, горение и поглощение газа растениями.
В таблице сопоставлены простые вещества кислород и озон с основными компонентами воздуха. Проценты для азота и кислорода указаны приблизительно и относятся к объёмному составу сухого воздуха. Для переменных компонентов вместо постоянной доли указано, от чего она зависит.
| Вещество или компонент | Формула | Состав воздуха или строение | Основные свойства | Значение |
|---|---|---|---|---|
| Кислород | O₂ | Около 21% объёма воздуха; молекула из двух атомов | Бесцветный газ, поддерживает горение | Необходим для дыхания; участвует в окислении |
| Озон | O₃ | Молекула из трёх атомов; в воздухе содержится в малых количествах | Голубоватый газ, активнее кислорода, токсичен в избытке | В верхней атмосфере защищает от части ультрафиолета |
| Азот | N₂ | Около 78% объёма воздуха | Бесцветный газ, сравнительно малоактивен | Основной компонент атмосферы; необходим для круговорота азота |
| Углекислый газ | CO₂ | Небольшая, изменчивая доля воздуха | Бесцветный газ, не поддерживает горение | Используется растениями при фотосинтезе |
| Водяной пар | H₂O | Доля меняется в зависимости от условий | Газообразная вода, может конденсироваться | Участвует в образовании облаков и осадков |
Задача 1. Распределите элементы O, S, Na и Cl на металлы и неметаллы, обоснуйте ответ их положением в периодической системе. Сначала полезно разделить элементы по областям таблицы, а затем проверить вывод по типичному строению внешнего электронного слоя. Кислород и сера находятся справа, натрий — слева, хлор — в правой части таблицы.
Ответ: неметаллы — O, S, Cl; металл — Na. Вывод основан на положении элементов и характерном поведении их атомов.
Задача 2. Найдите объём кислорода в 10 л воздуха, если объёмная доля кислорода равна примерно 21%. Объёмная доля показывает, какую часть общего объёма занимает компонент. Переводим проценты в десятичную дробь и умножаем долю на объём всей смеси.
Ответ: в 10 л воздуха содержится примерно 2,1 л кислорода. Это расчёт по объёмной доле, а не по массе компонента.
Задача 3. Сравните кислород O₂ и озон O₃: являются ли они простыми веществами одного элемента и почему их свойства различаются? Сначала смотрим, какие атомы входят в каждую формулу, а затем сравниваем число атомов в молекулах. Так можно не смешивать понятия элемента и простого вещества.
Ответ: да, кислород и озон — простые вещества одного элемента, его аллотропные формы. Свойства различаются из-за разного состава молекул.
Ошибка: считать кислород и озон разными химическими элементами. Их часто путают, потому что свойства и формулы веществ различны; однако в обеих формулах указан элемент O. Проверьте себя: если вещество состоит только из атомов одного элемента, это простое вещество, а разные его формы могут быть аллотропными.
Ошибка: утверждать, что кислород горит. Так говорят, потому что при его участии пламя становится ярче или горение продолжается. Проверьте, какое вещество является топливом: кислород поддерживает реакцию, а горит соединяющееся с ним горючее вещество.
Ошибка: называть воздух чистым веществом или химическим соединением с постоянной формулой. Воздух кажется однородным, поэтому его можно принять за одно вещество, но в нём смешано несколько газов. Проверьте себя: у смеси состав может изменяться, а компоненты сохраняют свои свойства; водяной пар и углекислый газ в воздухе не имеют неизменной доли.
Ошибка: приравнивать объёмную долю кислорода к его массовой доле. Проценты выглядят одинаково, но относятся к разным величинам: занимаемому объёму и массе вещества. Перед расчётом проверьте, о какой доле говорится в условии; для объёмной доли объём компонента находят умножением общего объёма на эту долю.
Чтобы понять поведение неметаллов, нужно уметь находить элементы в периодической системе, представлять строение атома и определять число электронов на внешнем уровне. Знание ковалентной связи объясняет, как атомы объединяются в молекулы O₂ и O₃. Состав воздуха связывает химию с изучением атмосферы и круговорота веществ в природе.
Свойства кислорода пригодятся при изучении реакций горения и окисления, способов получения газа и его применения. Тема озона связана с охраной окружающей среды: значение имеет и защита озонового слоя, и уменьшение вредного озона у поверхности Земли. Расчёт долей компонентов воздуха применяют при описании газовых смесей.
Почему кислород и озон называют простыми веществами одного элемента?
Оба вещества состоят только из атомов химического элемента кислорода. Их молекулы устроены по-разному: O₂ содержит два атома, а O₃ — три. Такие формы одного элемента называют аллотропными.
Чем молекула озона отличается от молекулы кислорода?
Молекула кислорода состоит из двух атомов и записывается O₂, а молекула озона — из трёх атомов, O₃. Из-за различного строения молекул вещества отличаются свойствами: озон химически активнее кислорода.
Почему кислород поддерживает горение, но сам не горит?
Горючее вещество при горении реагирует с кислородом и выделяет тепло и свет. Кислород помогает этой реакции происходить, но сам в обычных условиях не является горючим веществом.
Каков примерный состав воздуха?
По объёму в сухом воздухе около 78% азота и 21% кислорода. Остальное составляют главным образом аргон и другие газы, в том числе углекислый газ; количество водяного пара меняется.
Чем полезен озоновый слой и почему озон у поверхности Земли опасен?
Озоновый слой в верхней части атмосферы поглощает значительную часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца. У поверхности Земли высокая концентрация озона раздражает дыхательные пути и вредна для здоровья.
§ 18. Неметаллы: атомы и простые вещества. Кислород, озон, воздух
