§ 49. Классификация химических элементов

Определения и обозначения

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра определяется числом протонов, поэтому каждому элементу соответствует свой порядковый номер. Классифицируют именно элементы, а не отдельные вещества: один элемент может образовывать разные простые вещества или соединения.

Металлы — элементы, образующие простые вещества с характерными металлическими свойствами. Обычно такие вещества проводят электрический ток и тепло, имеют блеск, а многие из них можно деформировать без разрушения. Это самая многочисленная группа: большинство химических элементов относится к металлам.

Неметаллы — элементы, простые вещества которых по большинству свойств отличаются от металлов. Они обычно плохо проводят электрический ток и тепло, а твёрдые неметаллы часто бывают хрупкими и не имеют металлического блеска. Такое сравнение помогает распознавать класс элемента, но отдельный признак не всегда бывает достаточным.

Амфотерные элементы образуют оксиды и гидроксиды, способные проявлять и основные, и кислотные свойства. Поэтому их соединения могут реагировать как с кислотами, так и со щелочами. Амфотерность показывает, что граница между металлами и неметаллами не во всех случаях выглядит резко.

Как это устроено

Химикам приходится работать с большим числом элементов и множеством их соединений. Если не объединять элементы по общим признакам, сведения о них трудно сравнивать и использовать. Классификация превращает отдельные факты в систему: по известным свойствам одного элемента можно предположить свойства похожих элементов.

Металлы и неметаллы различают прежде всего по свойствам образуемых ими простых веществ. У металлов обычно заметны блеск, проводимость и пластичность, а у неметаллов чаще наблюдаются плохая проводимость и хрупкость твёрдых веществ. Однако эти признаки имеют исключения, поэтому надёжнее рассматривать их вместе, а не выбирать один.

Положение элемента в периодической системе помогает сделать первое предположение о его классе. В основном металлы находятся в левой и центральной частях таблицы, а неметаллы — в правой части. Такое расположение связано с постепенным изменением свойств элементов в периодах: слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются.

Между типичными металлами и неметаллами расположены элементы, свойства которых нельзя описать только одной простой характеристикой. Особенно полезно исследовать их оксиды и гидроксиды. Если такие соединения реагируют и с кислотами, и со щелочами, их называют амфотерными, а выявленное свойство помогает уточнить положение элемента между основными группами.

Элементы со сходными свойствами образуют естественные группы, а их расположение в периодической системе обнаруживает повторяемость свойств. Благодаря этому таблица становится не просто перечнем символов и номеров. Она позволяет находить закономерности и делать прогнозы: например, ожидать сходное поведение элементов одной группы или изменение свойств в периоде.

Сравнение металлов и неметаллов

Таблица показывает основные различия двух больших классов элементов. В ней приведены типичные признаки, поэтому отдельные вещества могут отклоняться от общей картины. Для классификации нужно сопоставлять положение элемента и несколько свойств его простого вещества.

Сначала найдите элемент в периодической системе и оцените его положение. Затем проверьте, согласуется ли вывод с характерными свойствами простого вещества. Если признаки противоречат друг другу, обратитесь к свойствам оксида и гидроксида, особенно к возможности проявлять амфотерность.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите, к металлам или неметаллам относится элемент с порядковым номером 11, и назовите его простое вещество. Нужно связать порядковый номер с конкретным элементом. После этого его положение и свойства подскажут класс.

1. Находим в периодической системе элемент с номером 11: это натрий, символ Na.
2. Натрий расположен в левой части таблицы, в начале группы щелочных металлов.
3. Следовательно, его относят к металлам, а простое вещество называется натрием.

Ответ: элемент № 11 — натрий, металл. Его простое вещество — натрий, Na.

Задача 2

Условие: простое вещество твёрдое, имеет металлический блеск и проводит электрический ток. Предположите, к какому классу относится образующий его элемент. Описания достаточно для предварительного вывода, но его нужно делать по совокупности признаков.

1. Металлический блеск является типичным признаком металлов.
2. Электропроводность также характерна для металлических простых веществ.
3. Твёрдое состояние согласуется с этим выводом, хотя само по себе не доказывает принадлежность к металлам.

Ответ: вероятнее всего, элемент относится к металлам. Окончательную проверку проводят по нескольким свойствам и положению элемента в периодической системе.

Задача 3

Условие: оксид элемента реагирует и с кислотами, и со щелочами. Определите, какое свойство соединения проявляется, и объясните, что оно говорит о классификации элемента. Здесь нужно анализировать не простое вещество напрямую, а соединение элемента.

1. Способность реагировать с кислотами указывает на основные свойства оксида.
2. Способность реагировать со щелочами указывает на его кислотные свойства.
3. Одновременное проявление этих свойств называют амфотерностью.

Ответ: оксид амфотерный. Это уточняет классификацию элемента: его соединение имеет промежуточные свойства, поэтому границу между типичными металлами и неметаллами нельзя считать абсолютно резкой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что металлы и неметаллы различаются только агрегатным состоянием. Её допускают, потому что металл часто представляют как твёрдое вещество, но и среди неметаллов есть твёрдые вещества, жидкости и газы. Проверьте себя: сравните несколько признаков, включая проводимость и блеск.

Ошибка: определять класс элемента только по одному физическому признаку, например по блеску. Такой вывод ненадёжен, поскольку отдельные свойства могут иметь исключения или проявляться неодинаково. Проверяйте положение элемента и совокупность характеристик.

Ошибка: путать химический элемент с простым веществом. Элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит из атомов одного элемента и имеет конкретные свойства. Чтобы не ошибиться, спросите себя, говорится ли о частицах или о веществе, которое можно получить и исследовать.

Ошибка: считать границу между металлами и неметаллами абсолютно строгой. Так бывает, если запомнить только два крайних класса и не учитывать промежуточные проявления. Проверьте свойства оксида и гидроксида: амфотерность показывает более сложный характер элемента.

Связь с другими темами

Для понимания классификации нужно знать строение периодической системы, порядковый номер элемента и различие между химическим элементом и простым веществом. Порядковый номер помогает найти элемент, а его положение даёт первое представление о свойствах. Без этих основ трудно правильно использовать таблицу.

Классификация пригодится при изучении простых веществ, оксидов и гидроксидов. Она помогает предсказывать, как будут изменяться свойства элементов и какие реакции характерны для их соединений. Поэтому деление на металлы и неметаллы связано с дальнейшим изучением периодических закономерностей.

Что запомнить

• Классификация упорядочивает элементы по сходству их свойств.
• Большинство химических элементов относится к металлам.
• Металлы и неметаллы образуют простые вещества с различными характерными свойствами.
• Положение элемента в периодической системе помогает определить его класс.
• Для классификации следует учитывать не один признак, а совокупность свойств.
• Амфотерные свойства соединений показывают, что граница между классами не всегда резкая.