13. Простые вещества — неметаллы

Определения и обозначения

Простые вещества-неметаллы — вещества, образованные атомами одного химического элемента и обладающие свойствами, характерными для неметаллов. Например, газ O₂ состоит только из атомов кислорода, а твёрдая сера — только из атомов серы. Это определение помогает отличить простое вещество от сложного, в котором соединены атомы разных элементов.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, атомы углерода могут образовывать разные структуры, а кислород встречается в виде O₂ и O₃. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему одного названия элемента недостаточно для описания свойств вещества.

Аллотропные видоизменения — разные простые вещества, состоящие из атомов одного элемента. К ним относятся, например, кислород и озон: элемент у них один, но строение молекул различается. Это название подчёркивает, что перед нами не разные элементы, а разные формы существования одного элемента.

Озон — простое вещество кислорода, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода и обозначается O₃. Для сравнения, молекула обычного кислорода содержит два атома и записывается O₂. Различие формул помогает не путать два вещества и правильно составлять уравнения реакций.

Как это устроено

Большинство неметаллов расположено в правой части Периодической системы, потому что их атомы имеют сравнительно много электронов на внешнем уровне. Для устойчивого состояния таким атомам часто выгодно получить недостающие электроны или образовать общие электронные пары с другими атомами. Поэтому неметаллы нередко принимают электроны в реакциях с металлами, а между собой соединяются ковалентными связями. Положение элемента в таблице помогает предположить его свойства, но не заменяет изучения конкретного вещества.

Ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют электронные пары. Если такие связи объединяют небольшое число атомов, образуются отдельные молекулы, например O₂ или S₈; между молекулами действуют сравнительно слабые силы. В некоторых твёрдых веществах атомы связаны в протяжённую сеть, как в алмазе и графите. Поэтому формула молекулы показывает число атомов в частице, а для атомной структуры обычно записывают символ элемента C, не выделяя отдельную молекулу.

Разнообразие строения объясняет, почему неметаллы при обычных условиях бывают газами, жидкостью и твёрдыми веществами. Силы притяжения между молекулами и устройство кристаллических структур у них неодинаковы, поэтому вещества по-разному плавятся и сохраняют форму. Твёрдая сера жёлтая и хрупкая, графит мягкий и проводит электрический ток, а алмаз очень твёрдый и ток практически не проводит. Значит, слово «неметалл» не задаёт единственного набора физических свойств.

Аллотропия появляется, когда атомы одного элемента соединяются или располагаются по-разному. У кислорода это молекулы O₂ и O₃; у углерода — структуры, известные как алмаз и графит; у фосфора и серы также есть разные формы. Состав по элементу остаётся тем же, но число атомов в молекуле или устройство кристалла меняется. Поэтому свойства аллотропных видоизменений могут сильно различаться: один и тот же элемент не означает одно и то же вещество.

При взаимодействии с металлами неметаллы часто принимают от них электроны, потому что металл обычно легче отдаёт электроны, а неметалл стремится заполнить внешний электронный уровень. Так образуются соединения, например хлорид натрия из натрия и хлора. При реакциях неметаллов с кислородом получаются оксиды; при этом связи в продукте могут быть ковалентными, как в SO₂ или CO₂. Характер связи зависит от участвующих элементов, поэтому неметаллы не во всех реакциях ведут себя одинаково.

Простые вещества-неметаллы: состав, строение и свойства

В таблице сопоставлены два аллотропных видоизменения кислорода, сера и углерод. При чтении различай формулу молекулы и символ элемента, которым обозначают атомную кристаллическую структуру. Примеры реакций показывают одно из возможных химических свойств каждого вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из веществ O₂, O₃, S₈, H₂O являются простыми веществами-неметаллами. Сначала нужно проверить состав каждой формулы: простое вещество содержит атомы только одного элемента. Затем выяснить, относятся ли эти элементы к неметаллам. Такой порядок не позволяет принять за простое вещество любое соединение без металла.

1. В O₂ указаны только атомы кислорода, значит, это простое вещество.
2. В O₃ также есть только атомы кислорода; это другое простое вещество того же элемента.
3. Формула S₈ содержит только атомы серы, поэтому это простое вещество-неметалл.
4. В H₂O есть атомы водорода и кислорода, значит, это сложное вещество, а не простое.

Ответ: O₂, O₃ и S₈ — простые вещества-неметаллы; H₂O — сложное вещество.

Задача 2. Запишите формулы двух аллотропных видоизменений кислорода и укажите, чем они различаются. Аллотропные видоизменения должны состоять из атомов одного элемента, поэтому в обеих формулах будет символ O. Сравним число атомов в молекулах: этот признак сразу показывает различие в составе частиц.

1. Молекула кислорода состоит из двух атомов, её формула — O₂.
2. Молекула озона состоит из трёх атомов, её формула — O₃.
3. Обе частицы образованы атомами кислорода, но состав молекул и свойства веществ различаются.

Ответ: кислород — O₂, озон — O₃; в молекуле озона на один атом кислорода больше.

Задача 3. Составьте уравнение реакции серы с кислородом, расставьте коэффициенты и определите продукт. При горении сера соединяется с кислородом, образуя оксид серы(IV), который также называют сернистым газом. Запишем формулы реагентов и продукта, а затем проверим, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Формулы реагентов: S и O₂; формула продукта: SO₂.
2. Записываем схему: S + O₂ → SO₂.
3. Слева один атом серы и два атома кислорода; справа также один атом серы и два атома кислорода.
4. Число атомов уже одинаково, поэтому коэффициенты равны 1 и обычно не записываются.

Ответ: S + O₂ → SO₂; продукт реакции — оксид серы(IV).

Типичные ошибки

Ошибка — считать неметаллом любое вещество, в формуле которого нет металла. Так можно забыть, что простое вещество содержит атомы одного элемента: например, H₂O состоит только из неметаллов, но является сложным веществом. Путаница возникает из-за смешения двух признаков — типа элемента и состава вещества. Проверь число разных химических символов в формуле: если их больше одного, вещество сложное.

Не следует смешивать химический элемент кислород и простые вещества O₂ и O₃. Элемент — это вид атомов, а формулы указывают, какие частицы образуют конкретные вещества. Путаница появляется потому, что одно слово используют и для элемента, и в быту для газа, которым дышат. Проверка простая: посмотри на индекс у O — он показывает число атомов в молекуле, но не меняет сам элемент.

Аллотропные видоизменения не являются разными химическими элементами. Кислород и озон состоят из атомов O, хотя у них разный состав молекул и неодинаковые свойства. Ошибку провоцирует заметное различие между веществами, из-за которого их принимают за вещества разного элементного состава. Чтобы проверить ответ, сравни символы элементов в формулах: O₂ и O₃ содержат только O.

Неверно считать, что все неметаллы — газы или что ни один из них не проводит электрический ток. Сера и углерод — твёрдые вещества, а графит проводит ток; свойства зависят от строения конкретного вещества. Такое обобщение возникает, если судить лишь по знакомым газообразным неметаллам. Проверяй утверждение на примерах и учитывай аллотропные формы: даже у одного элемента свойства могут различаться.

Связь с другими темами

Для изучения неметаллов нужны понятия химического элемента, простого и сложного вещества, химической формулы и умение пользоваться Периодической системой. Объяснение строения опирается на знания об атоме, внешних электронах и ковалентной связи. Эти представления помогут дальше разбирать реакции кислорода, серы, углерода и галогенов, а также составлять и уравнивать химические уравнения. В задачах важно связывать запись формулы с составом частиц, а не заучивать её отдельно.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Неметаллы расположены преимущественно в правой части Периодической системы.
• Неметаллы могут иметь молекулярное или атомное строение.
• Один химический элемент может образовывать несколько аллотропных видоизменений.
• Кислород O₂ и озон O₃ — разные простые вещества одного элемента.
• Неметаллы различаются агрегатным состоянием и физическими свойствами.