§ 13. Простые вещества-неметаллы, их состав, строение, общие свойства и способы получения

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Его не следует путать с самим элементом: элементом называют вид атомов, а простое вещество — материал, который из этих атомов образован. Это различие помогает правильно читать названия и формулы веществ.

Неметалл — химический элемент, атомы которого обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары с другими атомами. Так ведут себя, например, атомы кислорода, серы и хлора. Простые вещества кислород O₂, озон O₃ и сера S₈ относятся к неметаллам.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, углерод образует алмаз и графит. Понятие аллотропии позволяет объяснить, почему вещества из одинаковых атомов могут вести себя по-разному.

Простые вещества-неметаллы могут иметь молекулярное или немолекулярное строение. В первом случае частицы вещества — отдельные молекулы, как у H₂ и O₂; во втором атомы соединены в общую структуру, как в кристаллах алмаза и графита. Различение этих видов строения нужно, чтобы связывать устройство вещества с его свойствами.

Как это устроено

Состав простого вещества записывают символом химического элемента, а число атомов в молекуле показывают нижним индексом. Поэтому O₂ означает молекулу из двух атомов кислорода, а O₃ — из трёх; индекс 1 обычно не пишут. Формула помогает сразу определить состав частиц и отличить одно простое вещество от другого, даже если оба состоят из атомов одного элемента.

На внешнем электронном слое атома находятся электроны, участвующие в химических связях. У многих неметаллов этот слой почти заполнен, поэтому атому энергетически выгодно принять недостающие электроны или поделиться электронами с другими атомами. При совместном использовании электронных пар образуется ковалентная связь; таким способом атомы объединяются в молекулы или в протяжённые структуры.

Разное строение неметаллов возникает потому, что атомы могут соединяться в отдельные группы либо в непрерывную сеть. Водород H₂, кислород O₂ и сера S₈ состоят из отдельных молекул. В алмазе и графите атомы углерода связаны в атомную кристаллическую решётку, то есть упорядоченную структуру, продолжающуюся во всём кристалле. Поэтому простое вещество не обязательно состоит из самостоятельных атомов или молекул.

Аллотропные формы одного элемента отличаются не составом атомов, а их расположением и характером связей. В алмазе каждый атом углерода прочно связан с соседями в пространственной структуре, а в графите атомы образуют слои, которые легче смещаются. Отсюда различия: алмаз очень твёрдый, графит мягкий. Молекулы O₂ и O₃ тоже устроены неодинаково, поэтому кислород и озон различаются по свойствам.

Неметаллы различаются агрегатным состоянием и другими физическими свойствами: среди них есть газы, жидкость и твёрдые вещества. Многие плохо проводят электрический ток, но это не универсальное правило: графит, например, проводит ток. Неметаллы получают из природного сырья, если вещество в нём уже присутствует, либо проводят химическую реакцию. Один из примеров — разложение соединения, при котором выделяется простое вещество, как при получении кислорода из пероксида водорода.

Состав, строение и свойства простых веществ-неметаллов

Сначала определите, из каких частиц состоит вещество: из молекул или из атомов в общей решётке. Затем сравните агрегатное состояние и свойства, помня, что это характерные примеры, а не одинаковое правило для всех неметаллов. Последняя строка показывает, что способы получения зависят от конкретного вещества.

Разбор задач

Задание 1. Укажите, где названы химические элементы, а где простые вещества: кислород, O₂, сера, S₈, озон.

1. Сначала ищем формулы. O₂ и S₈ обозначают частицы простых веществ: молекулы кислорода и серы.
2. Слово «озон» также называет простое вещество; его формула O₃. «Кислород» и «сера» без формул могут называть элементы, если речь идёт о видах атомов.
3. Проверяем состав: O₂ и O₃ состоят из атомов элемента кислорода, но это разные вещества. S₈ состоит из атомов элемента серы.

Ответ: химические элементы — кислород и сера, если имеются в виду виды атомов; простые вещества — O₂, S₈ и озон (O₃). Название кислород может также обозначать простое вещество в подходящем контексте, поэтому нужно смотреть, что именно спрашивают.

Задание 2. Сопоставьте алмаз и графит по составу, строению и свойствам. Почему это разные простые вещества?

1. Определяем состав: оба вещества состоят только из атомов углерода, значит, оба простые.
2. Сравниваем строение: в алмазе атомы связаны в прочную пространственную структуру, в графите они образуют слои.
3. Связываем строение со свойствами: прочные связи в структуре алмаза делают его очень твёрдым, а слои графита могут смещаться, поэтому он мягкий. Графит также проводит электрический ток.

Ответ: алмаз и графит — разные аллотропные формы углерода и разные простые вещества одного элемента. Их состав одинаков, но строение и свойства различаются.

Задание 3. Предложите способ получения кислорода из пероксида водорода и запишите уравнение реакции с коэффициентами.

1. В пероксиде водорода уже есть атомы кислорода, поэтому выбираем разложение соединения: из одного вещества образуются вода и кислород.
2. Записываем схему H₂O₂ → H₂O + O₂. Чтобы сохранить число атомов, ставим 2 перед H₂O₂ и 2 перед H₂O.
3. Проверяем баланс: слева четыре атома водорода и четыре кислорода, справа — четыре водорода и четыре кислорода. Значит, коэффициенты подобраны верно.

Ответ: кислород можно получить разложением пероксида водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.

Типичные ошибки

Ошибочно называть одним словом кислород и химический элемент, и газ O₂. Так происходит, потому что в речи название часто используют без уточнения; проверьте себя вопросом: речь о виде атомов или о веществе с определённой формулой? Для газа указывайте O₂, а для вида атомов — химический элемент кислород.

Неверно считать, что любое простое вещество состоит из отдельных атомов. Многие неметаллы образуют молекулы, поэтому перед выводом о строении проверьте формулу и тип вещества: H₂ и O₂ — молекулярные вещества, а алмаз — атомный кристалл. Формула с индексом может показать число атомов в молекуле, но строение кристалла описывают иначе.

Алмаз и графит иногда принимают за вещества разных элементов из-за их непохожих свойств. Однако оба состоят из атомов углерода, а различаются расположением атомов и связями между ними. Чтобы проверить вывод, сравните состав: если элемент один, а простые вещества разные, это аллотропные формы.

Нельзя приписывать всем неметаллам одинаковые физические свойства. Обычно запоминают, что неметаллы плохо проводят электричество, и распространяют это на каждое вещество, хотя графит проводит ток, а агрегатные состояния тоже различаются. Проверяйте общее правило на примерах и учитывайте конкретные состав и строение вещества.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в неметаллах, нужно знать строение атома и понимать, какие электроны находятся на внешнем слое. Пригодятся также понятия химической связи, молекулы и кристаллической решётки: с их помощью можно объяснить строение и свойства веществ. Дальше эти знания понадобятся при изучении реакций неметаллов и их соединений, окислительно-восстановительных процессов и способов получения веществ.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Формула простого вещества показывает состав его частиц.
• Неметаллы могут иметь молекулярное или атомное строение.
• Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ.
• Строение вещества определяет его свойства.
• Неметаллы получают из природного сырья или химическими реакциями.