"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, но их свойства зависят не только от состава, а и от строения. Поэтому один элемент может образовывать несколько аллотропных модификаций, например кислород и озон или алмаз и графит. По строению атома и положению элемента в периодической системе можно объяснить металлические и неметаллические свойства, способность веществ проводить ток, вступать в окислительно-восстановительные реакции и взаимодействовать с кислородом, водой и кислотами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, O2, Fe и S — простые вещества, а H2O и CO2 — сложные. Понятие нужно, чтобы не путать состав вещества с видом атомов, из которых оно построено.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород образует O2 и озон O3. Это понятие объясняет, почему один элемент не всегда связан только с одним простым веществом.
Аллотропные модификации — разные простые вещества одного элемента. Алмаз и графит являются модификациями углерода, а кислород и озон — формами существования кислорода. Сравнение модификаций показывает, как строение влияет на свойства при одинаковом или близком составе.
Металлические и неметаллические свойства — совокупность физических и химических признаков простых веществ. Для металлов характерны проводимость, пластичность и отдача электронов, для неметаллов — меньшая проводимость и способность принимать или отдавать электроны. Эти признаки помогают предсказывать поведение вещества в реакции.
Физические свойства определяются частицами вещества и связями между ними. В металлической решётке есть подвижные электроны, поэтому металлы проводят электрический ток и тепло, а связь позволяет слоям атомов смещаться без разрушения решётки. В молекулярных веществах частицы связаны слабее, поэтому многие неметаллы имеют низкие температуры плавления и кипения; в атомных кристаллах, напротив, связи прочны и вещество твёрдое.
Одинаковый состав не гарантирует одинаковые свойства, если различается расположение атомов или состав молекул. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями в прочной пространственной сетке, а в графите атомы образуют слои, которые легко сдвигаются. Поэтому алмаз твёрдый и не проводит ток, а графит мягче и проводит электричество; O2 и O3 также отличаются строением молекул и химической активностью.
Положение элемента в периодической системе связано со строением его атома, прежде всего с числом электронов на внешнем уровне. Слева направо в периоде увеличивается притяжение внешних электронов к ядру, поэтому способность отдавать их обычно уменьшается, а способность принимать усиливается. В группе сверху вниз наружные электроны удаляются от ядра и экранируются внутренними слоями, поэтому металлические свойства, как правило, возрастают.
Металл обычно становится восстановителем, потому что отдаёт внешние электроны и повышает степень окисления. Неметалл может принимать электроны и быть окислителем, но при взаимодействии с ещё более сильным окислителем способен отдавать электроны и выступать восстановителем. В реакции с кислородом натрий окисляется, а кислород восстанавливается, тогда как в реакции фтора с кислородом электронная роль распределяется иначе.
С кислородом металлы обычно образуют оксиды, а неметаллы — кислотные или нейтральные оксиды, но конкретный продукт зависит от условий и степени окисления. Активные металлы могут реагировать с водой с выделением водорода, а менее активные — только с водяным паром или не реагировать. Неметаллы взаимодействуют с водородом, водой и кислотами избирательно: хлор диспропорционирует в воде, а металл, стоящий до водорода в ряду активности, вытесняет его из кислоты.
| Признак | Металлы | Неметаллы |
|---|---|---|
| Типичные физические свойства | Блеск, пластичность, чаще твёрдое состояние | Могут быть газами, жидкостями или хрупкими твёрдыми веществами |
| Электро- и теплопроводность | Обычно высокая | Обычно низкая; графит — исключение |
| Характер химической связи и строения | Металлическая связь, кристаллическая решётка с подвижными электронами | Молекулярная или атомная связь, иногда металлическая у отдельных модификаций |
| Типичная роль в окислительно-восстановительных реакциях | Восстановители, отдают электроны | Чаще окислители, но могут быть восстановителями |
| Примеры реакций с кислородом | 4Na + O2 → 2Na2O; 2Mg + O2 → 2MgO | S + O2 → SO2; 2H2 + O2 → 2H2O |
| Примеры реакций с водой или кислотами | 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2; Mg + 2HCl → MgCl2 + H2 | Cl2 + H2O ⇌ HCl + HClO |
| Исключения и особенности | Не каждый металл реагирует с холодной водой или кислотами | Графит проводит ток, а некоторые неметаллы проявляют металлический блеск |
Таблицу удобно использовать сначала для общей характеристики, а затем для проверки конкретной реакции. Слово «обычно» означает, что существуют исключения, связанные со строением вещества и условиями опыта. Продукты реакции нужно определять с учётом активности элементов и их возможных степеней окисления.
Условие: сравните физические свойства алмаза и графита и объясните, почему оба вещества являются простыми веществами углерода. Нужно отделить состав от строения и затем связать строение со свойствами.
Ответ: алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. Они являются разными простыми веществами из-за различного строения, хотя химический элемент в их составе один.
Условие: составьте уравнения реакций натрия и серы с кислородом, определите продукты и окислительно-восстановительные роли. Учитываем, что натрий образует оксид Na2O, а сера при горении — SO2.
Ответ: натрий и сера — восстановители, поскольку отдают электроны и окисляются. Кислород принимает электроны и является окислителем.
Условие: спрогнозируйте продукты взаимодействия магния и хлора с водой. Нужно учесть условия для магния и способность хлора к диспропорционированию.
Ответ: магний восстанавливает водород и является восстановителем, а вода — окислителем. Хлор в воде одновременно окисляется и восстанавливается, поэтому реакция является диспропорционированием.
Путают химический элемент и простое вещество, считая их названиями одного объекта. Ошибка возникает потому, что в речи говорят «кислород» и о газе O2, и об элементе. Проверка проста: элемент — это вид атомов, а простое вещество — образец вещества с определённым строением.
Считают, что у каждого элемента существует только одно простое вещество. Так рассуждают, если не учитывают аллотропию и запоминают только один знакомый пример. Проверьте себя вопросом: существуют ли у элемента разные формы строения, например O2 и O3 или алмаз и графит.
Переносят свойства одной модификации на все остальные. Причина ошибки — внимание только к составу без анализа расположения атомов. Нужно сравнить тип решётки или молекул и отдельно оценить твёрдость, проводимость и реакционную способность каждой формы.
Полагают, что любой металл одинаково реагирует с водой или кислотой. На самом деле реакция зависит от активности металла, температуры, концентрации кислоты и защитной плёнки на поверхности. Перед записью уравнения проверьте ряд активности и условия взаимодействия.
Для понимания свойств простых веществ нужны знания о строении атома, периодическом законе, типах химической связи, окислении, восстановлении и степени окисления. Эти сведения объясняют, почему элементы по-разному удерживают и передают электроны.
Тема пригодится при изучении химических свойств элементов и их соединений, способов получения веществ и окислительно-восстановительных реакций. Умение связывать строение с реакционной способностью помогает прогнозировать продукты реакций.
Чем простое вещество отличается от химического элемента?
Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, например углерод. Простое вещество — конкретное вещество, состоящее из атомов этого элемента: углерод может существовать в виде графита или алмаза.
Почему алмаз и графит — разные вещества, хотя оба состоят из углерода?
В алмазе атомы углерода образуют прочную пространственную сетку, а в графите — слоистую структуру. Поэтому алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток, а графит мягкий и проводит ток.
Какие свойства обычно отличают металлы от неметаллов?
Металлы обычно имеют металлический блеск, хорошо проводят тепло и электрический ток, пластичны и отдают электроны в реакциях. Неметаллы чаще плохо проводят ток, могут быть хрупкими или газообразными и способны как принимать, так и отдавать электроны.
Почему металл в реакции чаще всего выступает восстановителем?
У атомов металлов внешние электроны сравнительно слабо удерживаются ядром, поэтому металл легко их отдаёт. Отдавая электроны, он сам окисляется и восстанавливает другой участник реакции.
Можно ли по положению элемента в периодической системе предсказать свойства его простого вещества?
В общих чертах — да: слева и внизу периодической системы усиливаются металлические свойства, а справа и вверху — неметаллические. Однако точный прогноз требует учитывать строение атома, тип связи, аллотропию и условия реакции.
20.2. Физические и химические свойства простых веществ
