"Химия", Габриелян О.С.
Неметаллы — простые вещества, образованные атомами неметаллических элементов. Один элемент может образовывать не одно, а несколько простых веществ: например, кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов кислорода, но имеют разное строение и свойства. Такое явление называют аллотропией. Неметаллы бывают молекулярными и немолекулярными, поэтому различаются по физическим свойствам. Чтобы разбираться в их формулах и отличать элемент от вещества, нужно учитывать состав и строение частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Неметаллы — простые вещества, образованные атомами неметаллических химических элементов. При этом химический элемент и простое вещество — не одно и то же: элементом называют вид атомов, а вещество — то, из чего состоят реальные частицы. Например, символ C обозначает элемент углерод, а алмаз и графит — простые вещества этого элемента. Это различие помогает правильно читать формулы и не путать атомы с образованными ими веществами.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такое явление возможно, когда атомы одного вида соединяются или располагаются по-разному. Аллотропные видоизменения — это разные простые вещества одного элемента, отличающиеся строением и свойствами. Эти понятия нужны, чтобы объяснить, почему вещества из одинаковых атомов могут выглядеть и вести себя по-разному.
Озон — простое вещество кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов кислорода и обозначаются O₃. Для сравнения, обычная молекула кислорода содержит два атома и записывается O₂. Число внизу справа от символа — индекс; он показывает, сколько атомов данного элемента входит в молекулу. Поэтому формула вещества сообщает о составе его частиц, а не просто повторяет символ элемента.
Положение элемента в периодической системе помогает предположить, относится ли он к металлам или неметаллам. Большинство неметаллов расположено в правой верхней части таблицы, а водород находится отдельно в верхней строке, хотя тоже является неметаллом. Между областями металлов и неметаллов нет совершенно резкой границы: свойства некоторых элементов промежуточные. Поэтому при классификации учитывают не только место элемента, но и его свойства.
Атомы неметаллов могут объединяться в молекулы разного состава, потому что способность атома связываться с другими атомами зависит от его строения. В результате формулы простых веществ показывают разное число одинаковых атомов: O₂ содержит два атома кислорода, O₃ — три, N₂ — два атома азота, а S₈ — восемь атомов серы. Индексы в этих формулах нельзя менять произвольно: O₂ и O₃ — вещества с разным составом молекул. Символ элемента при этом остаётся прежним, поскольку вид атомов не изменился.
Частицы неметаллов могут быть отдельными молекулами или образовывать общую структуру без отдельных молекул. В молекулярных веществах соседние молекулы обычно сравнительно слабо взаимодействуют друг с другом, поэтому многие такие вещества легко плавятся или являются газами. При немолекулярном строении атомы связаны в протяжённую структуру, и на её разрушение требуется больше энергии. Поэтому вещества с разным типом строения часто заметно отличаются твёрдостью и температурой плавления.
Аллотропия возникает, когда атомы одного элемента образуют разные структуры или молекулы. Состав по химическому элементу остаётся одинаковым, но расположение атомов и связи между ними меняются. Из-за этого изменяются свойства простого вещества: оно может стать твёрже, мягче, активнее или иначе взаимодействовать с окружающей средой. Значит, свойства определяются не только тем, какие атомы входят в вещество, но и тем, как они устроены.
Кислород и озон — пример различия в составе молекул: первая молекула содержит два атома кислорода, вторая — три. Алмаз и графит, напротив, состоят из атомов углерода, но их атомы соединены и расположены по-разному. В алмазе они образуют прочную пространственную структуру, а в графите — слои, которые могут сдвигаться относительно друг друга. Поэтому алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и оставляет след на бумаге.
| Элемент | Простое вещество | Формула | Строение | Отличительные свойства |
|---|---|---|---|---|
| Кислород | Кислород | O₂ | Двухатомные молекулы | Бесцветный газ; необходим для дыхания и поддерживает горение |
| Кислород | Озон | O₃ | Трёхатомные молекулы | Газ с резким запахом; более активен, чем O₂ |
| Углерод | Алмаз | C | Прочная пространственная структура | Очень твёрдый, прозрачный, не проводит электрический ток |
| Углерод | Графит | C | Слоистая структура | Мягкий, тёмный, проводит электрический ток |
| Фосфор | Белый и красный фосфор | P | Разное строение частиц | Белый фосфор очень активен и ядовит; красный менее активен |
| Сера | Сера | S₈ | Молекулы из восьми атомов | Жёлтое твёрдое вещество, хрупкое и плохо проводит ток |
Сначала сравнивайте формулы и строение: это помогает увидеть, какие вещества относятся к одному элементу и в чём различаются их частицы. Затем сопоставьте свойства, чтобы заметить связь между строением и поведением вещества. У некоторых элементов в таблице показаны несколько аллотропных видоизменений.
Задача 1. Запишите формулы простых веществ, образованных молекулами из двух атомов кислорода, трёх атомов кислорода и двух атомов азота. Нужно отличить обозначение элемента от формулы вещества. В формуле указывают символ элемента, а число его атомов в молекуле записывают индексом.
Для двух атомов кислорода берём символ O и ставим индекс 2. Получаем O₂, формулу молекулы кислорода.
Для трёх атомов кислорода записываем тот же символ, но индекс 3. Получаем O₃ — это молекула озона.
Для двух атомов азота используем символ N и индекс 2. Получаем N₂, формулу молекулы азота.
Ответ: O₂, O₃, N₂.
Задача 2. Определите, являются ли кислород O₂ и озон O₃ разными химическими элементами или аллотропными видоизменениями одного элемента. Сравните не только формулы, но и символы элементов, которые в них встречаются. Если символ один и тот же, значит, атомы принадлежат одному химическому элементу.
В формулах O₂ и O₃ присутствует только символ O. Значит, оба вещества образованы атомами кислорода.
Индексы различаются: в одной молекуле два атома, в другой — три. Это показывает различие состава молекул, но не превращает кислород в другой элемент.
Поскольку один элемент образует два простых вещества с разными молекулами, эти вещества являются аллотропными видоизменениями.
Ответ: кислород O₂ и озон O₃ — аллотропные видоизменения одного элемента, кислорода.
Задача 3. Алмаз и графит состоят из атомов углерода. Объясните, почему их относят к разным простым веществам одного элемента, и назовите различие в строении, связанное с различием свойств. Важно не искать разные химические элементы в составе, а сравнить устройство вещества. Один и тот же символ C не означает, что строение и свойства веществ обязательно совпадают.
У алмаза и графита общий химический состав: оба состоят из атомов углерода. Поэтому они относятся к одному элементу.
Атомы связаны по-разному: у алмаза образуется прочная пространственная структура, а у графита — слоистая. Следовательно, это не одно и то же простое вещество.
В слоях графита связи устроены так, что слои легко сдвигаются, поэтому графит мягкий. Прочная пространственная структура алмаза объясняет его высокую твёрдость.
Ответ: алмаз и графит — аллотропные видоизменения углерода; они различаются строением, а потому имеют разные свойства.
Не следует считать символ элемента и формулу простого вещества взаимозаменяемыми. Такая ошибка возникает потому, что в обеих записях используются химические символы. Но C обозначает элемент углерод, а формула простого вещества показывает, как представлены его атомы. Проверьте себя: спросите, обозначает ли запись вид атомов или состав частиц вещества.
Кислород O₂ и озон O₃ — не разные химические элементы. Их принимают за разные элементы, потому что формулы и свойства веществ не совпадают. Однако в обеих формулах есть только символ O, значит, атомы принадлежат кислороду. Для проверки сравните символы элементов, а не только индексы.
Нельзя заключать, что вещества одного элемента обязаны иметь одинаковые свойства. Обычно это предположение кажется естественным, если помнить только о составе, но свойства зависят и от строения частиц. Алмаз и графит состоят из углерода, однако устроены по-разному. Проверяйте, не образует ли элемент аллотропные видоизменения.
Не все неметаллы состоят только из двухатомных молекул. Такое мнение может появиться из-за знакомых формул O₂ и N₂, но сера образует молекулы S₈, а алмаз имеет немолекулярное строение. Чтобы избежать ошибки, не переносите состав одного вещества на все неметаллы. Сверяйте формулу и тип строения каждого вещества отдельно.
Для понимания темы нужны знания о различии химического элемента и простого вещества, а также правила чтения формул: символ показывает вид атомов, индекс — их число в молекуле. Периодическая система и представления о строении атома помогают объяснить, где расположены неметаллы и почему они отличаются от металлов. Позже понятия об аллотропии и строении пригодятся при изучении кислорода, углерода, химических реакций и соединений этих элементов. Так формулы и свойства простых веществ связываются с более широкими темами химии.
Чем химический элемент отличается от простого вещества?
Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, например углерод. Простое вещество состоит только из атомов одного элемента, например алмаз или графит. Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
Почему кислород и озон — не разные химические элементы?
Оба вещества состоят из атомов одного элемента — кислорода. В молекуле O₂ два атома, а в молекуле O₃ — три. Поэтому это разные простые вещества одного элемента, а не разные элементы.
Что называют аллотропией?
Аллотропия — это существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества отличаются строением, а иногда и составом молекул, поэтому могут иметь разные свойства.
Почему алмаз и графит имеют разные свойства, хотя состоят из углерода?
В обоих веществах есть только атомы углерода, но они соединены и расположены по-разному. В алмазе образуется прочная пространственная структура, а в графите — слои, которые легко сдвигаются. Различия строения приводят к различию свойств.
Все ли неметаллы образуют двухатомные молекулы?
Нет. Некоторые неметаллы образуют двухатомные молекулы, например O₂ и N₂, но молекула серы может содержать восемь атомов — S₈. Кроме того, существуют неметаллы с немолекулярным строением, например алмаз.
§ 15. Простые вещества — неметаллы
