"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Неметаллы — элементы, атомам которых обычно выгодно принять электроны или поделиться ими с другими атомами. Один элемент может образовывать несколько простых веществ: кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов кислорода, но различаются строением и свойствами. Кислород нужен для дыхания и поддерживает горение, озоновый слой защищает от части ультрафиолетового излучения, а воздух представляет собой 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 имеют небольшое число электронных слоёв и стремятся принять электроны или образовать ковалентные связи. Ковалентная связь возникает, когда атомы используют общие электронные пары. Большинство неметаллов находится в правой верхней части Периодической системы, а водород — в её левом верхнем углу. Такое положение помогает предположить, как атом элемента будет взаимодействовать с другими атомами.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, элемент кислород образует кислород O₂ и озон O₃. Атомы в этих веществах одинаковы, но соединены в молекулы разного состава, поэтому вещества отличаются свойствами. Понятие аллотропии не даёт спутать разные формы одного элемента с разными химическими элементами.
Кислород — название химического элемента с символом O и простого вещества с формулой O₂. Когда речь идёт об элементе, имеют в виду вид атомов; когда о простом веществе — вещество, состоящее только из этих атомов. В обычных условиях молекула кислорода содержит два атома. Различение элемента и вещества нужно, чтобы правильно читать химические формулы и описывать реакции.
Озон — аллотропная форма кислорода, простое вещество с формулой O₃. Его молекула содержит три атома кислорода; озон обладает характерным запахом и химически активнее O₂. В стратосфере он поглощает часть ультрафиолетового излучения, но у поверхности Земли вреден для живых организмов. Поэтому значение озона зависит от того, где он находится.
Положение неметалла в Периодической системе связано с числом электронов на внешнем слое его атома. У большинства таких атомов внешний слой почти заполнен, поэтому им энергетически выгоднее принять электроны, чем отдавать их. При взаимодействии с металлом неметалл часто принимает электроны и превращается в отрицательно заряженный ион. Между атомами неметаллов обычно возникают ковалентные связи: общие пары электронов помогают им заполнить внешний слой.
Простые вещества неметаллов различаются не только составом, но и тем, как устроены их частицы. Одни состоят из отдельных молекул, например N₂, O₂ или S₈, другие имеют атомную структуру, где атомы объединены в протяжённую сеть, как в алмазе. В молекулярных веществах силы притяжения между отдельными молекулами часто сравнительно слабы, поэтому многие из них — газы или легко плавящиеся твёрдые вещества. В атомных структурах связи простираются через весь кристалл, что обычно делает вещества твёрдыми и тугоплавкими.
Кислород и озон — простые вещества одного элемента, но их молекулы устроены по-разному: O₂ содержит два атома, а O₃ — три. Изменение состава и строения молекулы меняет распределение электронов и поведение вещества в реакциях. Поэтому озон активнее кислорода и легче вступает в реакции окисления. Это пример аллотропии: одинаковый химический элемент образует вещества с разными свойствами.
В природе кислород образуется главным образом при фотосинтезе: растения, водоросли и некоторые микроорганизмы используют энергию света и выделяют O₂. Озон появляется, когда под действием ультрафиолета молекулы кислорода распадаются на атомы, а отдельные атомы соединяются с O₂. В стратосфере такое образование и разрушение озона поддерживает озоновый слой, который ослабляет поток опасного ультрафиолета к поверхности. У земли озон возникает, в частности, в фотохимических реакциях загрязнённого воздуха и становится вредным для дыхания и растений.
Воздух — смесь, потому что в нём одновременно присутствуют разные газы, не соединённые между собой в одно химическое вещество. Основу сухого воздуха составляют азот (около 78%) и кислород (около 21%); есть также аргон, углекислый газ и другие компоненты. Содержание водяного пара и некоторых примесей меняется в зависимости от места и условий. В чистом кислороде присутствуют только молекулы O₂, а воздух сохраняет свойства смеси и не имеет единой формулы.
| Объект | Химический состав и формула | Строение частиц | Физические свойства | Химические свойства и значение |
|---|---|---|---|---|
| Неметаллы как простые вещества | Атомы одного неметаллического элемента; формулы различаются, например N₂, S₈ | Молекулы или атомные структуры | Могут быть газами, жидкостями или твёрдыми веществами; свойства разнообразны | В реакциях принимают электроны или образуют ковалентные связи |
| Кислород | O₂ | Двухатомные молекулы | Бесцветный газ без запаха, немного растворим в воде | Поддерживает горение и дыхание, является окислителем |
| Озон | O₃ | Трёхатомные молекулы | Голубоватый газ с характерным запахом | Активный окислитель; в стратосфере защищает от части ультрафиолета, у поверхности загрязняет воздух |
| Воздух | Смесь: около 78% N₂, 21% O₂, а также Ar, CO₂ и другие газы | Молекулы и атомы разных газов перемешаны | Бесцветная газовая смесь; свойства и состав зависят от условий | Обеспечивает дыхание и участвует в горении благодаря кислороду |
Сначала сравните формулы и строение частиц, затем — физические свойства и значение каждого объекта. Так видно, что состав частиц помогает объяснить различия между кислородом и озоном, а воздух нельзя считать отдельным простым веществом. В строке о воздухе приведены приблизительные доли основных компонентов.
Задача 1. Определить, что обозначают записи O, O₂ и O₃: химический элемент или простое вещество, и указать их взаимосвязь. Нужно различить обозначение элемента и формулы веществ. Одна буква O показывает, атомы какого элемента входят в состав вещества, а индекс показывает число атомов в молекуле. Затем сопоставим это с определением простого вещества: оно состоит из атомов одного элемента.
Ответ: O — обозначение элемента или одного атома; O₂ и O₃ — простые вещества одного элемента. Кислород и озон связаны явлением аллотропии.
Задача 2. Сравнить кислород и озон по составу молекул, физическим свойствам, химической активности и роли в природе. Сравнение следует вести по одинаковым признакам, чтобы не смешивать состав и свойства. Обе молекулы построены из атомов одного элемента, но число атомов в них различается. Это различие помогает объяснить, почему вещества не одинаковы по своим свойствам и действию в природе.
Ответ: кислород и озон — аллотропные формы кислорода с разными составом молекул, свойствами и ролью в природе.
Задача 3. Вычислить объём кислорода в 200 л воздуха, если его объёмная доля равна 21%. Объёмная доля показывает, какая часть общего объёма смеси приходится на данный газ. Процент перед вычислением переводим в десятичную дробь: 21% = 0,21. Затем умножаем объём воздуха на долю кислорода, потому что ищем часть от целого объёма.
Ответ: в 200 л воздуха содержится 42 л кислорода. Проверка здравого смысла: кислород занимает примерно одну пятую часть воздуха, а одна пятая от 200 л — около 40 л.
Ошибка: считать кислород и озон разными химическими элементами. Их формулы и свойства действительно различаются, поэтому возникает впечатление, что различается и элемент. Но молекулы обоих веществ состоят только из атомов O, а разные формулы показывают разные формы одного элемента. Проверьте себя: если во всех частицах присутствуют атомы одного вида, вещества могут быть аллотропными формами этого элемента.
Ошибка: путать символ O с формулой простого вещества кислорода O₂. Буква обозначает химический элемент или один его атом, а индекс 2 указывает на два атома в молекуле вещества. Путаница появляется из-за того, что словом «кислород» называют и элемент, и простое вещество. Проверяйте, говорится ли в задаче об атомах и составе или о газе и его молекулах.
Ошибка: называть воздух простым веществом. Воздух выглядит однородным, поэтому его легко принять за одно вещество. На самом деле в нём перемешаны азот, кислород и другие газы, причём их доли могут меняться. Чтобы проверить себя, спросите, есть ли у объекта одна формула: у воздуха её нет, так как это смесь.
Ошибка: считать озон только полезным или только вредным. Оценка зависит от места: высоко в стратосфере озон помогает ослабить ультрафиолет, а у поверхности Земли действует как загрязнитель. Часто запоминают только одну из этих ролей и переносят её на всю атмосферу. Проверяйте вывод, уточняя, о каком слое атмосферы и воздействии озона идёт речь.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных слоях, Периодической системе, а также различие между химическим элементом и простым веществом. Позже эти представления помогут объяснить химические связи, окислительно-восстановительные реакции, горение и получение кислорода. Состав атмосферы связан с круговоротом кислорода и экологией: от состояния озонового слоя зависит защита живых организмов от ультрафиолета. Эти вопросы важны и для естествознания, и для оценки загрязнения воздуха.
Чем химический элемент кислород отличается от простого вещества кислорода?
Химический элемент кислород — это вид атомов с зарядом ядра +8, его обозначают O. Простое вещество кислород состоит из молекул O₂, каждая из которых содержит два атома этого элемента.
Почему кислород и озон считают разными веществами, если они состоят из атомов одного элемента?
В молекуле кислорода два атома (O₂), а в молекуле озона — три (O₃). Разное строение молекул приводит к различиям в свойствах, поэтому это два простых вещества одного элемента — аллотропные формы.
Можно ли назвать воздух простым веществом?
Нет. Воздух — смесь газов, прежде всего азота и кислорода, а также аргона, углекислого газа и других компонентов. В смеси вещества сохраняют свои свойства и могут содержаться в разных долях.
Почему озон полезен в стратосфере и вреден у поверхности Земли?
В стратосфере озон поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца и тем самым защищает живые организмы. У поверхности Земли он становится загрязнителем воздуха, раздражает дыхательные пути и повреждает растения.
Как по составу воздуха вычислить объём содержащегося в нём кислорода?
Объём кислорода находят умножением объёма воздуха на объёмную долю кислорода. Например, для 200 л воздуха при доле 21%: 200 · 0,21 = 42 л кислорода.
§ 18. Неметаллы: атомы и простые вещества. Кислород, озон, воздух
