Неметаллы — простые вещества

Определения и обозначения

Неметалл — химический элемент, атомы которого обычно принимают электроны или образуют общие электронные пары. В свободном состоянии атомы неметаллов образуют простые вещества, например кислород O₂ или серу S₈. Это различие позволяет не смешивать обозначение элемента и формулу вещества.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, а химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Например, O₂ — простое вещество, а кислород — элемент, атомы которого входят в его состав. Различие нужно, чтобы правильно читать формулы и определять, простое вещество перед нами или сложное.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Так, кислород образует O₂ и O₃, а углерод — алмаз и графит. Понятие помогает объяснить, почему у одного элемента могут быть вещества с неодинаковыми свойствами.

Аллотропные видоизменения — разные простые вещества одного элемента, которые отличаются строением, а иногда и составом частиц. Кислород и озон различаются числом атомов в молекуле, а алмаз и графит — расположением атомов в кристалле. Сравнение их строения помогает понять причины различий в свойствах.

Как это устроено

Большинство неметаллов находится в правой верхней части периодической системы, а металлы — преимущественно слева и в центре. Между ними нет резкой границы: свойства элементов постепенно меняются, поэтому её условно проводят по диагонали. Рядом с этой линией расположены элементы с промежуточными свойствами, а водород — неметалл, хотя он стоит в первом столбце.

На внешнем энергетическом уровне атомам неметаллов часто не хватает нескольких электронов до устойчивого состояния. Поэтому при взаимодействии с металлами они могут принимать электроны, а с другими неметаллами — обобществлять их, то есть создавать общие электронные пары. Такие пары образуют ковалентную связь; соединение атомов помогает им достичь более устойчивого электронного строения.

Частицы многих неметаллов — отдельные молекулы. Водород, кислород и азот существуют как двухатомные молекулы H₂, O₂ и N₂, а молекулы серы часто содержат восемь атомов S₈ и фосфора — четыре атома P₄. Число атомов и способ их соединения определяются строением электронных оболочек и условиями образования вещества.

Строение влияет на состояние и физические свойства вещества, потому что определяет силы, удерживающие его частицы вместе. Между отдельными молекулами обычно действуют сравнительно слабые силы: их легче разделить, поэтому многие молекулярные вещества летучи и имеют невысокие температуры плавления. В атомных кристаллических структурах связи соединяют атомы в единую сеть, и для её разрушения требуется больше энергии; такие вещества обычно прочные и тугоплавкие.

Аллотропия показывает, что одинаковый элемент не обязательно означает одинаковое вещество. Молекулы кислорода O₂ и озона O₃ состоят из разного числа атомов, поэтому их свойства различаются: озон, например, более реакционноспособен. Алмаз и графит состоят из углерода, но в алмазе атомы образуют прочную пространственную сеть, а в графите — слои; поэтому алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и проводит электрический ток.

Строение и свойства некоторых простых веществ-неметаллов

Сначала сравните строку «Химический элемент»: она показывает, какие вещества являются видоизменениями одного элемента. Затем сопоставьте состав частиц и строение с физическими свойствами. Таблица помогает увидеть, что сходный состав не гарантирует одинаковых свойств.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какие формулы O₂, O₃, H₂O и CO₂ обозначают простые вещества, а какие — сложные. Чтобы определить тип вещества, нужно проверить, атомы скольких элементов входят в формулу. Число атомов в молекуле само по себе не определяет ответ.

1. В O₂ и O₃ есть только атомы кислорода, значит, это простые вещества.
2. В H₂O есть атомы водорода и кислорода, поэтому это сложное вещество.
3. В CO₂ есть атомы углерода и кислорода, поэтому это тоже сложное вещество.

Ответ: O₂ и O₃ — простые вещества; H₂O и CO₂ — сложные.

Задача 2. Составьте уравнения реакций кислорода с магнием и серой, расставьте коэффициенты и назовите продукты. Запишем формулу кислорода как O₂, поскольку его молекулы двухатомны. Затем уравняем число атомов каждого элемента слева и справа: это проверка сохранения атомов в реакции.

1. Магний реагирует с кислородом с образованием оксида магния MgO. Запись Mg + O₂ → MgO уравниваем: 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. Сера реагирует с кислородом с образованием диоксида серы SO₂. Уравнение S + O₂ → SO₂ уже сбалансировано.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO, образуется оксид магния; S + O₂ → SO₂, образуется диоксид серы. В этих реакциях кислород принимает электроны и выступает окислителем.

Задача 3. При разложении озона O₃ образуются кислород O₂ и 96 г кислорода. Найдите массу разложившегося озона. Сначала уравняем реакцию, затем свяжем количества веществ с коэффициентами. Молярные массы O₂ и O₃ равны соответственно 32 и 48 г/моль.

1. Уравнение реакции: 2O₃ → 3O₂. Коэффициенты показывают, что из 2 моль озона получается 3 моль кислорода.
2. Количество кислорода: n(O₂) = m/M = 96/32 = 3 моль.
3. По соотношению коэффициентов n(O₃) = 3 × 2/3 = 2 моль. Масса озона: m(O₃) = n × M = 2 × 48 = 96 г.

Ответ: разложилось 96 г озона.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Их легко перепутать, потому что в названиях и формулах часто фигурирует один элемент, но элемент обозначает вид атомов, а вещество — их конкретную форму существования. Проверка: спросите себя, говорится ли о типе атомов или о веществе, которое можно получить и исследовать.

Ошибка — считать O₂ и O₃ разными химическими элементами. Формулы выглядят по-разному, поэтому можно решить, что различается сам элемент, однако в обеих молекулах только атомы кислорода. Проверка проста: сравните символы элементов в формулах; если символ один и тот же, вещества состоят из атомов одного элемента.

Ошибка — полагать, что все неметаллы состоят из отдельных атомов. Такое представление может возникнуть, если переносить модель атома на вещество, но многие неметаллы образуют молекулы, а некоторые — атомные кристаллы. Проверяйте строение конкретного вещества: формула O₂ указывает на молекулу, а алмаз не состоит из отдельных молекул.

Ошибка — переносить свойства одного аллотропного видоизменения на другое. Общее название элемента создаёт впечатление, что свойства должны совпадать, однако строение частиц может быть разным. Проверка: уточните, о каком именно веществе идёт речь; алмаз твёрдый и прозрачный, а графит мягкий и тёмный.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома, положении элементов в периодической системе, химическом элементе и химической связи. Они помогают объяснить, почему неметаллы образуют молекулы или кристаллические структуры и как атомы соединяются друг с другом. Позже эти знания пригодятся при разборе реакций неметаллов и окислительно-восстановительных процессов. На них также опирается изучение свойств кислорода, серы, фосфора и углерода.

Что запомнить

• Простое вещество образовано атомами одного химического элемента.
• Химический элемент и простое вещество — разные понятия.
• Неметаллы могут образовывать молекулярные вещества и атомные кристаллические структуры.
• Строение вещества влияет на его физические свойства.
• Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ.
• Кислород и озон — аллотропные видоизменения кислорода.
• Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но имеют разное строение и свойства.