"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Химия изучает вещества: из чего они состоят, как устроены, какими свойствами обладают и во что превращаются. Для понимания этой науки важно различать вещество, физическое тело и химический элемент. Один элемент может образовывать несколько простых веществ — это явление называют аллотропией. Кислород и озон, алмаз и графит состоят из атомов одного элемента, но различаются строением и поэтому свойствами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химия — наука о веществах, их составе, строении, свойствах и превращениях. Она помогает объяснить, из чего состоят вещества и почему одни могут превращаться в другие. Физика изучает общие свойства материи и явления, а химия сосредоточена на веществах и изменениях их состава.
Вещество — форма материи, обладающая определённым составом и свойствами. Физическое тело — отдельный предмет с формой и размерами, который состоит из вещества: гвоздь является телом, железо — веществом. Материалом называют вещество или смесь, из которой изготовляют тела.
Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Это понятие описывает именно атомы, а не отдельный предмет или порцию вещества. Простое вещество состоит из атомов одного элемента, поэтому один элемент может быть представлен не одним, а несколькими веществами.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Такие формы называют аллотропными модификациями. Понятие нужно, чтобы объяснить, как один вид атомов может образовывать вещества с разными характеристиками.
Предмет химии включает и сами вещества, и их химические превращения. Во время химической реакции атомы не исчезают и не возникают заново: они перегруппировываются, образуя частицы других веществ. Например, при взаимодействии водорода с кислородом образуется вода, свойства которой отличаются от свойств исходных газов. Поэтому химия выясняет, какие вещества реагируют и что получается в результате.
Состав показывает, какие частицы и элементы входят в вещество, а строение — как эти частицы соединены и расположены. От их устройства зависят связи между частицами и то, как вещество ведёт себя при нагревании, давлении или взаимодействии с другими веществами. Поэтому одинаковый состав ещё не гарантирует одинаковых свойств. Различия в организации частиц способны заметно изменить свойства вещества.
Химический элемент и простое вещество отвечают на разные вопросы: первый указывает на вид атомов, второе — на вещество, состоящее из этих атомов. Один элемент может образовать одну или несколько разновидностей простого вещества. К примеру, элемент кислород входит в состав молекул O₂ и O₃, но эти молекулы относятся к разным веществам. Такое различение помогает правильно читать формулы и описывать состав.
Аллотропия возникает, если атомы одного элемента соединяются друг с другом по-разному или занимают разные места в пространстве. В результате могут образоваться молекулы с разным числом атомов либо структуры, устроенные неодинаково. При этом набор химических элементов остаётся прежним: меняется способ организации атомов. Именно поэтому аллотропные формы относятся к одному элементу, но не являются одним и тем же простым веществом.
Разное строение аллотропных модификаций приводит к разным свойствам. Молекула кислорода O₂ состоит из двух атомов, а молекула озона O₃ — из трёх; поэтому кислород и озон отличаются, например, запахом и химической активностью. Алмаз и графит состоят из углерода, однако в алмазе атомы образуют прочную пространственную структуру, а в графите — слои. Этим объясняются различия в твёрдости и электропроводности.
| Химический элемент | Простые вещества | Особенности строения | Различия свойств |
|---|---|---|---|
| Кислород | Кислород O₂, озон O₃ | Молекулы содержат соответственно два и три атома | Озон имеет характерный запах и более активен; кислород поддерживает дыхание и горение |
| Углерод | Алмаз, графит | В алмазе — прочная пространственная структура; в графите — слоистая | Алмаз очень твёрдый и не проводит ток; графит мягче и проводит электрический ток |
| Фосфор | Белый, красный, чёрный фосфор | Атомы образуют структуры разного типа и организации | Формы различаются цветом, устойчивостью и химической активностью |
Сначала сравните столбец «Простые вещества», чтобы увидеть, какие формы образует один элемент. Затем проследите, как особенности строения соотносятся с различиями свойств. Таблица показывает общую закономерность, а не исчерпывает все характеристики каждой модификации.
Условие. Определите, какие объекты являются веществами, а какие — физическими телами: железный гвоздь, железо, кислород в сосуде.
Сначала выясним, обозначает ли слово отдельный предмет с формой и размерами. Гвоздь — конкретное изделие, значит, это физическое тело. Его можно взять в руки и описать его размеры.
Железо обозначает вещество, из которого могут быть изготовлены разные предметы. Кислород в сосуде тоже рассматриваем как вещество: сосуд — тело, а находящийся в нём газ — его содержимое. Наличие сосуда не превращает кислород в физическое тело.
Ответ. Железный гвоздь — физическое тело; железо и кислород — вещества. Чтобы проверить себя, спросите, называют ли объект предметом или материалом, из которого предмет может состоять.
Условие. Кислород и озон состоят из атомов одного элемента. Объясните, почему их относят к разным простым веществам.
Установим, какие частицы образуют каждое вещество. Молекула кислорода имеет формулу O₂ и включает два атома кислорода. Молекула озона имеет формулу O₃ и включает три таких атома.
Число атомов в молекуле и её строение различаются, поэтому свойства веществ не совпадают. Это пример аллотропии: один химический элемент образует разные простые вещества. Одинаковый элементный состав не делает кислород и озон одним веществом.
Ответ. Кислород и озон — разные простые вещества одного элемента, кислорода. Их относят к аллотропным модификациям, потому что их молекулы имеют разное число атомов и строение.
Условие. Сравните алмаз и графит по составу и строению. Объясните, почему они различаются по твёрдости и электропроводности.
Сначала сравним состав: и алмаз, и графит состоят только из атомов углерода. Значит, по набору химических элементов они одинаковы. Однако одинаковый состав не сообщает, как именно атомы соединены и расположены.
В алмазе атомы образуют прочную пространственную структуру, а в графите — слои. Строение алмаза делает его очень твёрдым, тогда как слои графита могут сдвигаться относительно друг друга. В графите также есть условия для проведения электрического тока, поэтому его электропроводность выше.
Ответ. Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. Различная организация одинаковых по составу атомов объясняет их различия в твёрдости и способности проводить ток.
Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним понятием. Их смешивают, потому что оба понятия связаны с атомами; однако элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — образованное ими вещество. Проверьте себя вопросом: речь идёт о разновидности атомов или о веществе, которое можно описать свойствами?
Ошибка — называть аллотропными модификациями разные вещества, содержащие разные элементы. Так бывает, если ориентироваться на сходство свойств или внешнего вида, а не на состав. Аллотропия относится к простым веществам одного элемента. Чтобы проверить пример, выясните, состоят ли обе формы из атомов одного и того же элемента.
Ошибка — полагать, что аллотропные модификации отличаются химическим составом. Их названия и свойства могут быть разными, поэтому состав легко упустить из виду. Но такие формы состоят из атомов одного элемента; различается их строение. Сверьте формулы или описание состава: набор элементов должен совпадать.
Ошибка — ожидать, что вещества одного элемента обязательно имеют одинаковые свойства. Это заблуждение возникает, когда свойства связывают только с тем, какие атомы входят в состав. На деле важна и организация атомов. Проверяйте себя на знакомых парах: кислород и озон, алмаз и графит состоят из атомов одного элемента, но заметно различаются.
Для понимания темы нужно знать, что атомы — частицы вещества, а химический элемент объединяет атомы с одинаковым зарядом ядра. Это позволяет различать вид атомов и вещество, которое они образуют. Без такого различия трудно объяснить, почему одному элементу соответствуют разные простые вещества.
Понятия вещества, простого вещества и химического элемента пригодятся при изучении химических формул и классификации веществ. Формула помогает увидеть состав частиц, а классификация — определить, к какому виду относится вещество. Представление о связи строения и свойств понадобится при изучении строения вещества, химической связи и свойств неметаллов.
Чем химический элемент отличается от простого вещества?
Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Например, атомы кислорода входят и в молекулы кислорода O₂, и в молекулы озона O₃.
Могут ли разные вещества состоять из атомов одного элемента?
Да. Некоторые элементы образуют несколько простых веществ, которые называются аллотропными модификациями. Так, углерод образует алмаз и графит.
Почему кислород и озон — разные вещества?
Их молекулы имеют разное строение: молекула кислорода содержит два атома O₂, а молекула озона — три атома O₃. Поэтому кислород и озон имеют разные свойства, хотя состоят из атомов одного элемента.
Почему алмаз и графит имеют разные свойства, хотя состоят из углерода?
В алмазе и графите атомы углерода соединены и расположены по-разному. В алмазе образуется прочная пространственная структура, а в графите — слои, между которыми легче скользить; различается и способность проводить электрический ток.
Всегда ли аллотропные модификации отличаются химическим составом?
Нет. Аллотропные модификации состоят из атомов одного и того же химического элемента, поэтому набор элементов в них одинаков. Отличаться могут строение частиц и их расположение.
Предмет химии. Основные понятия. Аллотропия
