Раздел II. Простые вещества

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Химический элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — то, в какой форме эти атомы существуют вместе: например, O — обозначение элемента, а O₂ — формула вещества кислорода. Это различие нужно, чтобы не приписывать веществу и элементу одно и то же значение. Один элемент может образовывать несколько простых веществ.

Металл — простое вещество, которому свойственна совокупность характерных металлических физических и химических признаков. Обычно металлы блестят, проводят электрический ток и тепло, а при деформации не рассыпаются, а меняют форму. Отдельный признак не всегда достаточен для распознавания: например, блеск бывает и у некоторых неметаллов. Поэтому металл определяют не по одному свойству, а по их сочетанию.

Неметалл — простое вещество, не обладающее совокупностью типичных металлических свойств. Неметаллы могут быть газами, жидкостями или твёрдыми веществами и заметно различаться по цвету и прочности. Многие из них плохо проводят электрический ток, но встречаются исключения. Понятие помогает сравнивать вещества по общему набору признаков, не ожидая одинакового поведения от каждого неметалла.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества называют аллотропными модификациями: например, кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов одного элемента, но имеют разные частицы. Аллотропия объясняет, почему у веществ одного элемента могут не совпадать свойства. Это понятие особенно полезно, когда сравнивают формы углерода, кислорода или серы.

Как это устроено

Один элемент может образовывать вещества с разными свойствами, потому что его атомы способны соединяться и располагаться несколькими способами. Меняются число атомов в молекуле или устройство твёрдого вещества, а вслед за этим — свойства всего образца. Так, молекула O₂ содержит два атома кислорода, а молекула O₃ — три. Различие строения делает кислород и озон разными простыми веществами; это и есть проявление аллотропии.

В металлах атомы располагаются близко и образуют общую структуру, в которой часть электронов может перемещаться между многими атомами. Эти подвижные электроны отражают свет, поэтому поверхность металла часто блестит, и переносят электрический заряд. Они же помогают передавать энергию от нагретых участков к холодным — так объясняется теплопроводность. Слои атомов могут смещаться, не разрушая всё строение сразу, поэтому металлы обычно пластичны: их можно ковать, прокатывать и вытягивать в проволоку.

У неметаллов частицы связаны иначе: это могут быть отдельные молекулы или прочные пространственные структуры. Разное строение частиц и их взаимодействие объясняют, почему одни неметаллы — газы, другие — жидкости или твёрдые вещества, а цвета у них не одинаковы. В большинстве неметаллов нет электронов, свободно перемещающихся по всему веществу, поэтому ток они проводят плохо. Твёрдые неметаллы часто хрупкие: при смещении слоёв их структура нарушается, а не перестраивается плавно.

Физические свойства относятся к конкретному веществу, а химический элемент — это характеристика атомов, а не образец материала. Например, углерод как элемент входит и в графит, и в алмаз, однако эти простые вещества различаются твёрдостью и электропроводностью. Поэтому нельзя сказать, что элемент «проводит ток» или «хрупкий», не уточнив, о каком его простом веществе идёт речь. Сначала определяют вещество и его строение, а затем описывают его свойства.

Формула показывает, какие атомы и в каком количестве входят в частицу вещества. Индекс справа от символа указывает число атомов этого элемента: в O₂ два атома кислорода, а в S₈ — восемь атомов серы; отсутствие индекса означает один атом. По формуле можно найти молярную массу M, сложив относительные атомные массы элементов, а затем использовать n = m/M и N = nNₐ. Здесь n — количество вещества в молях, m — масса, N — число частиц, а Nₐ ≈ 6,02 · 10²³ моль⁻¹ — постоянная Авогадро.

Сравнение простых веществ — металлов и неметаллов

Таблица показывает типичные, а не обязательные для каждого вещества признаки. Чтобы определить класс вещества, сопоставляй несколько свойств сразу и помни об исключениях. Формулы в последней строке показывают, как могут быть записаны частицы простых веществ.

Разбор задач

Задача 1. Определить, где указаны химические элементы, а где простые вещества: O, O₂, Fe, S₈. Сначала нужно выяснить, обозначает ли запись только вид атомов или формулу частицы вещества. Индекс показывает число атомов в частице, но сам по себе символ элемента не является формулой молекулы. Разберём каждую запись отдельно.

1. O — символ химического элемента кислорода; без индекса он обозначает один атом, а не молекулу O₂.
2. O₂ — формула простого вещества кислорода: в его молекуле два атома кислорода.
3. Fe — обозначение элемента железа и формула простого вещества железа, состоящего из атомов Fe. В металлическом железе нет отдельных молекул Fe, но формула указывает состав вещества.
4. S₈ — формула простого вещества серы, частица которого содержит восемь атомов серы.

Ответ: O — химический элемент (или символ одного его атома), O₂ и S₈ — простые вещества, Fe — символ элемента и формула металлического простого вещества. Контекст записи важен: символ Fe может обозначать атом железа, а в записи вещества — его состав. Индексы в O₂ и S₈ показывают число атомов в частице.

Задача 2. Найти количество вещества и массу кислорода O₂, если число молекул равно 3,01 · 10²³. Сначала по числу молекул определим количество вещества, затем воспользуемся молярной массой. Для одной молекулы O₂ масса не нужна: расчёт удобнее вести через моли. Важно использовать молярную массу всей молекулы, а не одного атома кислорода.

1. Используем постоянную Авогадро Nₐ = 6,02 · 10²³ моль⁻¹ и формулу n = N/Nₐ.
2. Подставляем число молекул: n = (3,01 · 10²³)/(6,02 · 10²³) = 0,5 моль.
3. Вычисляем молярную массу: M(O₂) = 2 · 16 = 32 г/моль.
4. Находим массу по формуле m = nM: m = 0,5 · 32 = 16 г.

Ответ: n(O₂) = 0,5 моль, m(O₂) = 16 г. Проверка: в половине моля содержится половина числа Авогадро молекул, то есть примерно 3,01 · 10²³. Масса тоже составляет половину массы одного моля кислорода.

Задача 3. Сравнить аллотропные модификации углерода — графит и алмаз — и объяснить, почему графит проводит электрический ток, а алмаз нет. Сначала отметим общее: оба вещества состоят только из атомов углерода, поэтому являются простыми веществами одного элемента. Затем сравним строение, поскольку именно оно помогает объяснить различие свойств. Названия относятся к веществам, а не к разным химическим элементам.

1. В алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную структуру; электроны связаны и не могут свободно перемещаться по веществу.
2. В графите атомы расположены слоями. Часть электронов может перемещаться вдоль слоёв и переносить электрический заряд.
3. Следовательно, свободно перемещающиеся электроны обеспечивают графиту электропроводность, а отсутствие таких носителей заряда объясняет, почему алмаз ток практически не проводит.

Ответ: графит и алмаз — разные простые вещества углерода с разным строением. Графит проводит ток благодаря подвижным электронам, а алмаз почти не проводит, потому что его электроны прочно связаны в структуре. Различие свойств — результат аллотропии.

Типичные ошибки

Ошибка — отождествлять химический элемент и простое вещество. Её допускают, потому что их названия часто совпадают, а символ элемента встречается в формуле вещества. Проверка простая: спроси, говорится ли о виде атомов или о конкретном материале с определёнными свойствами. Например, кислород как элемент и кислород O₂ — не одно и то же понятие.

Ошибка — считать, что все простые вещества одного элемента имеют одинаковые свойства. Так думают, если не учитывают, что атомы могут образовывать частицы разного состава или строить разные структуры. Сравни формулы и устройство веществ: O₂ и O₃ — разные формы кислорода, а графит и алмаз состоят из углерода. Если свойства отличаются, проверь, не идёт ли речь об аллотропных модификациях.

Ошибка — определять металл или неметалл только по агрегатному состоянию. Причина в том, что часто металлы приводят как твёрдые вещества, а неметаллы — как газы, хотя это лишь типичные примеры. Учитывай сразу блеск, проводимость, пластичность и другие признаки, помня об исключениях вроде жидкой ртути и проводящего ток графита. Так вывод не будет зависеть от одного признака.

Ошибка — неверно записывать формулу простого вещества или путать индекс с коэффициентом. Индекс относится к частице и показывает число атомов в ней, а коэффициент перед формулой показывает число частиц или порций вещества. Например, в 3O₂ три молекулы, всего в них шесть атомов кислорода; в одной молекуле O₂ их два. Для проверки прочитай формулу вслух и отдельно посчитай индекс и коэффициент.

Связь с другими темами

Чтобы изучать простые вещества, нужны понятия атома, молекулы, химического элемента и формулы, а также относительная атомная масса: по ней находят молярную массу. Количество вещества связывает число частиц с массой и измеряется в молях. Эти знания пригодятся при расчётах по уравнениям реакций и при изучении взаимодействия простых веществ с кислородом, водой, кислотами и другими веществами. Различие металлов и неметаллов помогает объяснять, почему вещества по-разному реагируют, и применять периодические закономерности при составлении уравнений реакций.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Химический элемент и простое вещество — не одно и то же.
• Металлы обычно блестят, проводят электрический ток и тепло, обладают пластичностью.
• Неметаллы разнообразны по физическим свойствам и часто плохо проводят электрический ток.
• Аллотропия — существование нескольких простых веществ одного элемента.
• Формула показывает качественный и количественный состав вещества.
• Количество вещества измеряют в молях и связывают с массой и числом частиц.