16.2. Химические свойства простых веществ

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, железо Fe и кислород O₂ являются простыми веществами, а вода H₂O — сложное вещество. Химический элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — форму существования этих атомов.

Химические свойства простого вещества — это его способность вступать в химические реакции и образовывать новые вещества. Они проявляются, например, в реакциях металла с кислотой или неметалла с водородом. По химическим свойствам можно предсказать, с какими реагентами вещество взаимодействует и какой будет результат.

Окислитель — частица или вещество, принимающее электроны и восстанавливающееся в реакции. Приём электронов сопровождается понижением степени окисления. Это понятие нужно, чтобы определить, какой участник вызывает окисление другого вещества.

Восстановитель — частица или вещество, отдающее электроны и окисляющееся в реакции. Его степень окисления повышается. Так можно установить восстановитель даже тогда, когда внешние признаки реакции незаметны.

Как это устроено

Свойства простого вещества связаны со строением атомов: числом электронов на внешнем уровне, радиусом атома и прочностью связи с электронами. Положение элемента в периодической системе показывает, как эти характеристики изменяются, поэтому помогает предсказывать реакционную способность. Однако одного положения недостаточно: на результат влияют строение простого вещества, агрегатное состояние, температура и свойства второго реагента.

В типичной окислительно-восстановительной реакции металл отдаёт внешние электроны и превращается в положительно заряженные ионы. Поэтому металл обычно является восстановителем, а неметалл-партнёр принимает электроны и выступает окислителем. Но это не абсолютное правило: роль определяется не названием элемента, а направлением перехода электронов и конкретным веществом, с которым идёт реакция.

В периоде слева направо металлические свойства обычно ослабевают, а неметаллические усиливаются: атомы сильнее удерживают электроны и охотнее принимают их. В группе сверху вниз металлические свойства, как правило, возрастают, потому что увеличивается радиус атома и внешние электроны удерживаются слабее. Поэтому в начале периода чаще находятся активные восстановители-металлы, а ближе к правому краю — сильные окислители-неметаллы.

Металлы могут реагировать с кислородом с образованием оксидов, с водой — с образованием основания или оксида и водорода, а с кислотами — с выделением водорода, если металл расположен до водорода в ряду активности. Неметаллы с кислородом образуют кислотные или нейтральные оксиды, а с водородом — летучие соединения. Реакция протекает только при подходящих условиях: нужны достаточная активность реагентов, контакт, иногда нагревание, свет или растворитель.

Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением. Например, атомы углерода образуют алмазную и графитовую структуры, а атомы кислорода — O₂ и O₃. Разное расположение атомов или разный состав молекул меняет прочность связей и способность частиц вступать в реакции, поэтому аллотропные формы имеют неодинаковые свойства.

Характерные химические свойства металлов и неметаллов

Таблица показывает типичные направления реакций, а не строгие правила без исключений. Для прогноза нужно сопоставить активность обоих реагентов, ряд активности металлов и условия проведения реакции. Затем следует проверить изменение степеней окисления.

Разбор задач

1. Взаимодействие магния с кислородом

Нужно определить продукт реакции магния с кислородом и роли участников. Магний — активный металл, поэтому он отдаёт электроны кислороду. В продукте образуется оксид магния.

1. Записываем схему: Mg + O₂ → MgO.
2. Уравниваем атомы: 2Mg + O₂ → 2MgO.
3. Сравниваем степени окисления: Mg⁰ → Mg²⁺, а O⁰ → O²⁻.

Ответ: образуется MgO. Магний отдаёт электроны и является восстановителем, кислород принимает электроны и является окислителем.

2. Натрий и медь

Сравним поведение натрия и меди с водой и разбавленной соляной кислотой. Натрий находится в начале ряда активности, а медь — после водорода. Значит, их способность отдавать электроны и вытеснять водород различается.

1. Натрий реагирует с водой: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑.
2. Медь с водой при обычных условиях не реагирует.
3. С разбавленной HCl натрий образует NaCl и водород: 2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂↑, а медь водород из этой кислоты не вытесняет.

Ответ: натрий взаимодействует и с водой, и с разбавленной соляной кислотой; медь — ни с водой, ни с разбавленной неокисляющей HCl. Вывод относится именно к указанным условиям.

3. Роль хлора в двух реакциях

Рассмотрим хлор с водородом и с раствором щёлочи. В первой реакции хлор принимает электроны, а во второй один и тот же элемент изменяет степень окисления в двух направлениях. Это явление называют диспропорционированием.

1. С водородом: H₂ + Cl₂ → 2HCl; хлор изменяется от 0 до −1 и является окислителем.
2. С холодным раствором NaOH: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
3. В щёлочи часть хлора понижается до −1, а часть повышается до +1.

Ответ: в реакции с водородом хлор — только окислитель. В реакции со щёлочью хлор одновременно выступает окислителем и восстановителем, потому что происходит диспропорционирование.

Типичные ошибки

Путать элемент и простое вещество. Ошибка возникает, когда символ элемента принимают за название вещества во всех контекстах. Элемент — вид атомов, а простое вещество — конкретная форма их существования. Проверьте себя вопросом: речь идёт об атомах вообще или о веществе, которое можно взять в пробирку?

Считать, что любой металл одинаково реагирует с водой или кислотой. Металлы различаются активностью: натрий реагирует с холодной водой, а медь — нет. Учитывайте ряд активности, концентрацию кислоты, температуру и наличие оксидной плёнки. Если условие изменилось, нельзя автоматически переносить прежний вывод.

Называть окислителем вещество, отдающее электроны. Так рассуждают из-за смешения слов окисление и восстановление. Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Найдите степени окисления до и после реакции — это надёжная проверка.

Считать неметалл всегда окислителем. Неметалл действительно часто принимает электроны, но с более сильным окислителем может их отдавать. Например, хлор в реакции с водородом восстанавливается, а в диспропорционировании одновременно повышает и понижает степень окисления. Определяйте роль по конкретному уравнению, а не по типу элемента.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе, электроотрицательности и степенях окисления. По этим сведениям можно объяснить, почему одни частицы легче отдают электроны, а другие — принимают их.

Тема опирается на окислительно-восстановительные реакции и ряд активности металлов. Позже эти закономерности помогут разбирать свойства соединений, процессы коррозии и способы получения простых веществ.

Что запомнить

• Простое вещество образовано атомами одного химического элемента.
• Металлы в типичных реакциях отдают электроны и выступают восстановителями.
• Неметаллы часто принимают электроны, но их роль определяется конкретной реакцией.
• Окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их.
• Реакционная способность зависит от природы вещества и условий реакции.
• Аллотропные формы одного элемента могут иметь разные свойства.