§ 26. Строение простых веществ*

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Химический элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — конкретный материал, частицы которого имеют определённое строение. Например, кислород как элемент образует вещества O₂ и O₃. Различие помогает не путать состав вещества с видом атомов, из которых оно состоит.

Молекула простого вещества — частица из двух или более атомов одного элемента. В формулах O₂ и S₈ нижний индекс показывает, сколько атомов входит в молекулу. Молекулы O₂ и O₃ состоят из атомов кислорода, но это разные частицы. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать, как именно атомы объединены в молекулярном веществе.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород образует O₂ и O₃, а углерод — алмаз и графит. Названия «аллотропные формы» помогают показать, что состав по элементу один и тот же, но вещества не одинаковы. Их различия связаны с устройством частиц.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц в твёрдом веществе. В молекулярной решётке в определённых местах находятся молекулы, а в атомной — атомы, соединённые в общую структуру. Такое различие помогает объяснить свойства твёрдых веществ. Не следует считать, что всякое твёрдое вещество обязательно состоит из отдельных молекул.

Как это устроено

Одинаковый состав по химическому элементу не гарантирует одинакового строения вещества. Атомы одного элемента могут объединяться в молекулы разного размера, как в O₂ и O₃, или соединяться в общую структуру, как в алмазе. Поэтому формула и состав рассказывают, какие атомы есть в веществе, а представление о строении показывает, как они организованы. Именно строение помогает понять, почему простые вещества одного элемента могут отличаться.

В молекулярном простом веществе атомы прочно связаны внутри каждой молекулы, но соседние молекулы удерживаются друг возле друга слабее. Чтобы расплавить такое вещество, обычно достаточно ослабить взаимодействие между молекулами, а не разрушить связи внутри них. Поэтому многие молекулярные вещества плавятся при сравнительно невысокой температуре. Если при деформации слои молекул смещаются, твёрдое вещество может раскалываться и быть хрупким.

В атомном строении нет отдельных молекул: атомы связаны друг с другом и образуют единую пространственную структуру. Чтобы изменить форму или расплавить такое вещество, нужно нарушить множество связей между атомами. На это требуется значительная энергия, поэтому вещества с атомной решёткой обычно твёрдые и тугоплавкие. Алмаз служит примером простого вещества с таким строением.

Аллотропные формы возникают, если атомы одного элемента соединяются по-разному или образуют молекулы с разным числом атомов. Кислород O₂ и озон O₃ различаются размером молекул. У углерода алмаз и графит отличаются порядком соединения атомов: в алмазе они образуют объёмную структуру, а в графите расположены слоями. Эти примеры показывают, что аллотропия возможна и в молекулярном, и в атомном строении.

Разное строение меняет то, как вещество реагирует на нагревание, давление и попытку его поцарапать или согнуть. Поэтому алмаз и графит имеют разные свойства, хотя в каждом из них присутствует только углерод. Аналогично кислород и озон — разные вещества, несмотря на общий элемент в составе. Сравнивая свойства, нужно учитывать не только состав, но и устройство частиц.

Строение и свойства простых веществ

Сравнивайте вещества в таблице по строкам: каждая строка показывает один признак молекулярного и атомного строения. Для примеров учитывайте, что в графе указано именно строение вещества, а не только формула его состава. Свойства в таблице характерные, поэтому слово «обычно» не означает, что у любого вещества будут абсолютно одинаковые свойства.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кислород O₂, озон O₃, алмаз и графит по типу строения: молекулярное или атомное. Сначала нужно определить, обозначает ли формула отдельные молекулы или перед нами вещество с единой атомной структурой. Нижние индексы в формулах O₂ и O₃ показывают число атомов в молекулах. Алмаз и графит состоят из атомов, соединённых в общие структуры.

1. Для O₂ и O₃ читаем формулы как обозначения молекул, в которых соответственно два и три атома кислорода.
2. Каждая такая молекула является отдельной частицей вещества, поэтому кислород O₂ и озон O₃ имеют молекулярное строение.
3. В алмазе и графите атомы углерода соединены в структуры, а не собраны в отдельные молекулы. Значит, их строение атомное.

Ответ: O₂ и O₃ имеют молекулярное строение; алмаз и графит — атомное. Для проверки спросите себя, есть ли у вещества отдельные молекулы или атомы входят в общую структуру. Один химический элемент может образовывать простые вещества обоих типов строения. Поэтому нельзя определять строение только по названию элемента.

Задача 2. Объясните, почему алмаз и графит являются простыми веществами одного элемента, но отличаются свойствами. В обоих веществах содержатся атомы углерода, значит, каждое является простым веществом углерода. Однако простого совпадения состава недостаточно для совпадения свойств. Нужно сравнить расположение и соединение атомов.

1. Устанавливаем общий состав: алмаз и графит образованы атомами одного элемента — углерода.
2. Сравниваем строение: в алмазе атомы связаны в прочную пространственную структуру, а в графите расположены слоями.
3. Делаем вывод: различное соединение атомов приводит к разным свойствам. Это пример аллотропии углерода.

Ответ: алмаз и графит — аллотропные формы углерода; они различаются расположением атомов, поэтому имеют разные свойства. Не нужно объяснять различие другим химическим составом. Достаточно связать общий элемент с неодинаковым строением его простых веществ.

Задача 3. Сравните строение серы S₈ и алмаза и объясните различие в характере их твёрдости и температуре плавления. Формула S₈ указывает на отдельные молекулы из восьми атомов серы, а алмаз имеет атомную решётку. Сравним сначала связи внутри частиц, а затем взаимодействие частиц между собой. Так можно понять, почему для изменения строения веществ требуется разная энергия.

1. Сера S₈ состоит из молекул; атомы связаны внутри каждой молекулы, а сами молекулы взаимодействуют слабее.
2. Алмаз представляет собой общую атомную структуру, где атомы соединены друг с другом по всему кристаллу.
3. Для плавления серы нужно преодолеть взаимодействие между молекулами, а для изменения структуры алмаза требуется нарушить прочные связи между атомами.

Ответ: алмаз обычно значительно твёрже и тугоплавче серы S₈ из-за атомной решётки. Сера с молекулярным строением сравнительно легче плавится, поскольку взаимодействия между её молекулами слабее связей внутри молекул. При сравнении важно не путать прочность связей внутри молекулы с силой взаимодействия между разными молекулами.

Типичные ошибки

Ошибка — считать простое вещество и химический элемент одним и тем же. Их часто смешивают, потому что в формулах простых веществ записан символ элемента. Проверьте себя: элемент отвечает на вопрос «какие это атомы?», а вещество — «как они образуют материал?».

Ошибка — называть O₂ и O₃ одним веществом, ведь в обоих случаях речь об атомах кислорода. Такое впечатление создаёт одинаковый символ элемента, но число атомов в молекулах различно. Сверьте формулы: разные молекулы означают разные простые вещества, хотя элемент общий.

Ошибка — полагать, что любое простое вещество состоит из молекул. Эту мысль легко перенести на все вещества, если знакомы только примеры вроде O₂. Проверьте себя: если атомы образуют единую структуру, как в алмазе, у вещества атомное, а не молекулярное строение.

Ошибка — объяснять различие свойств алмаза и графита разным составом. Их свойства действительно сильно отличаются, поэтому можно ошибочно предположить наличие разных элементов. Но оба вещества состоят из атомов углерода; проверьте формулировку объяснения: различается расположение и соединение атомов, то есть строение.

Связь с другими темами

Для изучения строения простых веществ нужно различать химический элемент, атом и молекулу. Также важно уметь читать химические формулы: индексы показывают число атомов в молекуле, например в O₂ и S₈. Эти знания позволяют определять состав частиц и не путать состав вещества с его устройством. Они служат основой для сравнения простых веществ.

Тема опирается на представления о химической связи и кристаллических решётках. Связи помогают понять, почему атомы соединяются в молекулы или в общую структуру, а решётка описывает упорядоченное строение твёрдого вещества. Позже эти понятия пригодятся при объяснении физических свойств материалов и при изучении химических реакций. Строение помогает связать состав вещества с его поведением.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Простые вещества могут иметь молекулярное или атомное строение.
• В молекулярном веществе атомы объединены в отдельные молекулы.
• Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ.
• Аллотропные формы различаются строением и свойствами.
• Алмаз и графит — простые вещества, образованные углеродом.