21.1. Характеристика элемента и простого вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Элемент характеризуют составом атома: числом протонов, нейтронов и электронов, а также положением в периодической системе. Это нужно, чтобы по порядковому номеру определить основные особенности атома.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, O₂ — простое вещество кислород, образованное атомами элемента кислорода. Элемент называют видом атомов, а вещество — реально существующей формой, поэтому это не одно и то же.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, углерод образует алмаз и графит. Понятие аллотропии помогает объяснить, почему один элемент может быть представлен веществами с неодинаковыми характеристиками.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, отличающиеся составом молекул или строением кристаллической решётки. Так, молекулы O₂ и O₃ имеют разное число атомов кислорода, а алмаз и графит отличаются кристаллической структурой. Поэтому при описании элемента нужно учитывать все возможные формы его существования.

Как это устроено

При характеристике химического элемента сначала устанавливают его положение в периодической системе, потому что оно задаёт исходные данные об атоме. По порядковому номеру находят заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме, по периоду — число энергетических уровней. Затем анализируют внешний электронный слой и на этой основе определяют типичные степени окисления.

Положение элемента связывает заряд ядра и число электронов с энергетическими уровнями и внешним слоем не случайно: периодическая система построена по возрастанию зарядов ядер. При увеличении порядкового номера электроны последовательно заполняют уровни и подуровни. Поэтому соседство элементов в таблице отражает сходство или различие их электронного строения и химического поведения.

Характеристика простого вещества шире, чем характеристика атома. В неё входят состав частиц, способ их соединения, физические свойства и реакции с другими веществами. Эти сведения нельзя автоматически переносить на элемент, потому что свойства вещества возникают у большого числа взаимодействующих частиц и зависят от их строения.

Аллотропия возникает, когда атомы одного элемента могут соединяться или располагаться несколькими способами. Разная структура меняет прочность связей, расстояния между частицами и характер их взаимодействия. Поэтому аллотропные формы могут различаться цветом, твёрдостью, электропроводностью, температурой плавления и химической активностью.

Полную характеристику составляют последовательно, чтобы не смешать сведения об атоме и веществе. Сначала называют элемент и его положение в таблице, затем описывают атом, степени окисления и валентность. После этого переходят к простому веществу: указывают формулу, строение, физические и химические свойства, а при необходимости — аллотропные модификации.

План характеристики химического элемента и простого вещества

Таблица показывает порядок описания: от общих сведений об элементе к свойствам конкретного простого вещества. В графе «На основании чего» нужно указывать правило или признак, который позволяет сделать вывод. Если элемент образует несколько форм, сведения о них записывают в последней строке.

Разбор задач

1. Кислород по положению в периодической системе

Условие. Охарактеризуем элемент кислород и определим заряд ядра, число электронов и число энергетических уровней его атома. Для этого достаточно использовать порядковый номер и номер периода. Свойства простого вещества O₂ в данной задаче определять не требуется.

1. Кислород имеет порядковый номер 8, значит, заряд его ядра равен +8, а в ядре содержится 8 протонов.
2. Нейтральный атом имеет столько же электронов, сколько протонов, поэтому у атома кислорода 8 электронов.
3. Кислород находится во втором периоде, следовательно, его электроны занимают два энергетических уровня.

Ответ. Для атома кислорода: Z = 8, заряд ядра +8, 8 электронов и 2 энергетических уровня. Это характеристика атома элемента, а не молекулы простого вещества O₂.

2. Элемент хлор и простое вещество хлор

Условие. Нужно разделить характеристику элемента хлора и вещества Cl₂. Хлор имеет порядковый номер 17, находится в третьем периоде и группе галогенов. Требуется указать строение атома, типичные степени окисления, состав молекулы и основные физические свойства.

1. В атоме хлора 17 электронов; распределение по уровням — 2, 8, 7. Наличие семи электронов на внешнем уровне объясняет стремление атома принять один электрон.
2. Для хлора характерна степень окисления −1, а в соединениях с кислородом и фтором возможны положительные значения +1, +3, +5 и +7; валентность часто выражают числами I, III, V и VII.
3. Простое вещество состоит из двухатомных молекул Cl₂. При обычных условиях это жёлто-зелёный ядовитый газ с резким запахом, тяжелее воздуха и растворимый в воде.

Ответ. Хлор как элемент описывают атомом и его степенями окисления, а хлор Cl₂ — молекулярным составом и физическими свойствами. Такое разделение не позволяет приписать атому цвет или агрегатное состояние газа.

3. Алмаз и графит

Условие. Нужно объяснить, почему алмаз и графит относят к простым веществам углерода, хотя их свойства различаются. Сначала сравним состав, затем строение. После этого различия строения можно связать с физическими свойствами.

1. Алмаз и графит состоят только из атомов углерода, поэтому каждое из них является простым веществом одного элемента.
2. В алмазе каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседними атомами и образует пространственную структуру. В графите атомы образуют слои, внутри которых связи прочные, а между слоями значительно слабее.
3. Разное строение объясняет свойства: алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток, а графит мягкий и проводит ток вдоль слоёв.

Ответ. Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. Их состав по элементу одинаков, но строение различно, поэтому различаются и свойства.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Химический элемент и простое вещество считают синонимами. Так происходит, потому что в обычной речи название элемента часто используют для обозначения вещества. Проверка: спросите себя, говорится ли о виде атомов или о конкретной формуле и свойствах вещества.

Ошибка 2. Свойства простого вещества переносят на атом или элемент. Например, атому приписывают цвет или температуру кипения, хотя такие свойства относятся к веществу. Проверка проста: любое свойство нужно связывать с определённой формулой и строением вещества.

Ошибка 3. Состав простого вещества определяют только по символу элемента. Символ показывает один атом или вид атомов, но молекула может быть двухатомной, как O₂, или иметь другой состав. Проверяйте индекс в формуле и агрегатную форму существования вещества.

Ошибка 4. Считают, что один элемент образует только одно простое вещество. Такое обобщение не учитывает аллотропию: углерод образует алмаз и графит, а кислород — O₂ и O₃. Проверка: выясните, может ли данный элемент иметь разные молекулы или кристаллические структуры.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать устройство периодической системы, значение порядкового номера и связь номера периода с электронной оболочкой. Эти сведения позволяют переходить от положения элемента к строению его атома.

Также нужно различать атом, химический элемент, молекулу и вещество, а затем правильно читать химические формулы. Без этого легко перепутать символ элемента с формулой простого вещества.

Тема связана с химическими связями, строением веществ и закономерностями изменения свойств элементов и их соединений. Понимание аллотропии помогает объяснять свойства веществ через строение частиц.

Что запомнить

• Химический элемент — вид атомов, а простое вещество — форма существования элемента в виде вещества.
• Порядковый номер элемента равен заряду ядра и числу электронов в нейтральном атоме.
• Номер периода указывает число занятых энергетических уровней атома.
• Свойства простого вещества определяются не только составом, но и строением.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Разные простые вещества одного элемента называют аллотропными модификациями.