22.1. Характеристика элемента и простого вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Его обозначают символом, например S для серы, и характеризуют порядковым номером Z. По этим данным определяют место элемента в Периодической системе и состав его нейтрального атома.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, кислород O₂ и озон O₃ являются простыми веществами элемента кислорода. Элемент — это общее понятие о виде атомов, а вещество — реально существующая форма, которую можно получить и исследовать.

Характеристика химического элемента — последовательное описание его положения в Периодической системе, строения атома и химических свойств. В неё входят электронная конфигурация, особенности внешнего уровня, валентность и степени окисления. Такой порядок помогает перейти от строения атома к прогнозу реакций.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Так, атомы углерода образуют графит и алмаз, а атомы кислорода — O₂ и O₃. Термин нужен, чтобы не переносить свойства одной формы на другую автоматически.

Как это устроено

Символ и порядковый номер позволяют восстановить состав атома. Заряд ядра равен +Z, число протонов равно Z, а в нейтральном атоме число электронов также равно Z. Число нейтронов находят по формуле N = A − Z, где A — массовое число конкретного изотопа; одной относительной атомной массы для точного подсчёта нейтронов недостаточно.

Положение элемента связано с распределением электронов потому, что период отражает число занятых энергетических уровней. Номер группы для элементов главных подгрупп обычно связан с числом электронов внешнего уровня, а номер периода — с наибольшим главным энергетическим уровнем. Поэтому по клетке Периодической системы можно предположить, насколько легко атом отдаёт, принимает или обобществляет электроны.

Внешние электроны участвуют в образовании связей, поэтому их число помогает предсказывать валентность и степени окисления. Атомы металлов обычно легче отдают электроны и проявляют восстановительные свойства, а неметаллы часто принимают электроны или образуют ковалентные связи. Однако переходные элементы и соединения с разными партнёрами требуют учёта конкретной формулы, поэтому прогноз остаётся начальным ориентиром.

Состав и строение частиц определяют свойства простого вещества. Молекулярные вещества обычно имеют сравнительно низкие температуры плавления и кипения, тогда как атомные или металлические кристаллические решётки обеспечивают прочность, электропроводность или тугоплавкость. Различие O₂ и O₃, а также графита и алмаза объясняется не только составом атомов, но и способом их соединения.

План характеристики химического элемента и простого вещества

Таблицу удобно заполнять сверху вниз: сначала определить элемент по его номеру, затем перейти к электронной конфигурации и свойствам. После этого отдельно описывают простое вещество, поскольку его характеристики зависят от формулы и строения. Если возможна аллотропия, в ответе называют конкретную форму.

Разбор задач

1. Сера и простое вещество S

Условие: дать характеристику элемента серы и простого вещества S по положению в Периодической системе. Нужно не смешать сведения об атомах серы со свойствами молекулярной или кристаллической формы вещества.

1. Сера имеет символ S и порядковый номер 16, поэтому в ядре её атома 16 протонов, а в нейтральном атоме 16 электронов.
2. Конфигурация атома: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴. Третий уровень является внешним и содержит шесть электронов, значит, сера — неметалл 3-го периода, 16-й группы, p-элемент.
3. Для элемента характерны валентности II, IV и VI, а степени окисления в соединениях могут включать −2, +4 и +6. Эти значения объясняются стремлением внешнего уровня к более устойчивому состоянию, но конкретное значение зависит от соединения.
4. Простое вещество серу обычно записывают как S, а молекулярный состав циклической серы — S₈. Это жёлтое твёрдое вещество; оно плохо проводит электрический ток и имеет молекулярное строение.
5. Сера реагирует с металлами с образованием сульфидов, например Fe + S → FeS, а при горении в кислороде образует SO₂: S + O₂ → SO₂. Её применяют для производства серной кислоты, вулканизации резины и получения некоторых лекарственных и сельскохозяйственных препаратов.

Ответ: S — элемент 16-го номера, 3-го периода и 16-й группы, неметалл с шестью внешними электронами. Простое вещество сера — жёлтое молекулярное твёрдое вещество, способное вступать в реакции с металлами и кислородом.

2. Кислород и вещества O₂ и O₃

Условие: объяснить различие между химическим элементом кислородом и простыми веществами O₂ и O₃. Главная трудность состоит в том, что одинаковое название элемента не означает одинаковую формулу и свойства вещества.

1. Кислород как элемент — это вид атомов с зарядом ядра +8. Он входит в состав разных веществ, поэтому сам по себе не является названием конкретного образца.
2. O₂ — молекулярное простое вещество из двух атомов кислорода, а O₃ — простое вещество из трёх атомов. Оба вещества образованы одним элементом, поэтому относятся к его аллотропным формам.
3. Разное число атомов меняет строение молекулы и её химические свойства. O₂ поддерживает дыхание и горение, а O₃ обладает более сильными окислительными и обеззараживающими свойствами, но токсичен в повышенной концентрации.

Ответ: кислород — химический элемент, а O₂ и O₃ — два его аллотропных простых вещества. Их различия вызваны строением молекул.

3. Электронная конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Условие: определить элемент, его положение в Периодической системе и охарактеризовать простое вещество. Конфигурация уже показывает распределение всех электронов, поэтому начинать нужно с их подсчёта.

1. Складываем показатели: 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17. Нейтральный атом имеет 17 электронов и порядковый номер 17, значит, это хлор Cl.
2. Наибольшее значение уровня равно 3, поэтому хлор находится в 3-м периоде. На внешнем уровне 7 электронов, следовательно, он относится к 17-й группе и является p-элементом-неметаллом.
3. Характерная степень окисления хлора в хлоридах — −1, а в соединениях с кислородом возможны положительные значения +1, +3, +5 и +7. Простое вещество имеет формулу Cl₂, представляет собой жёлто-зелёный ядовитый газ с резким запахом и проявляет окислительные свойства.

Ответ: данная конфигурация принадлежит хлору Cl, Z = 17, 3-й период, 17-я группа. Простое вещество Cl₂ — молекулярный газ, реагирующий, например, с водородом: H₂ + Cl₂ → 2HCl.

Типичные ошибки

Отождествление элемента с простым веществом. Ошибка возникает из-за одинаковых названий: «кислород» может обозначать и элемент, и вещество в бытовой речи. Проверка проста: если говорится о виде атомов и заряде ядра, речь об элементе; если указаны формула и свойства образца, речь о веществе.

Определение свойств только по названию элемента. Ученик переносит свойства одной формы на другую и забывает о молекулах или решётке. Нужно сначала установить формулу, тип частиц и аллотропную форму, а затем делать вывод о свойствах.

Путаница порядкового номера с относительной атомной массой или массовым числом. Порядковый номер показывает заряд ядра и число протонов, тогда как массовое число равно сумме протонов и нейтронов. Самопроверка: для атома должно выполняться Z = p = e, а N = A − Z.

Отождествление степени окисления с зарядом иона. Степень окисления — условная величина, полученная при мысленном перераспределении электронов, и она может быть дробной или нулевой в особых случаях. Заряд иона — реальный электрический заряд частицы, поэтому нужно смотреть, идёт ли речь об ионе или об атомах в соединении.

Связь с другими темами

Для характеристики элемента нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, Периодическом законе и структуре Периодической системы. Эти сведения используют при составлении формул, определении типа химической связи и прогнозировании свойств.

Тема помогает объяснять закономерности изменения свойств элементов и их соединений в периодах и группах. Она также нужна при изучении окислительно-восстановительных реакций, где сравнивают способность частиц отдавать и принимать электроны.

Что запомнить

• Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Порядковый номер элемента равен числу протонов и электронов в нейтральном атоме.
• Положение элемента в Периодической системе связано со строением его электронной оболочки.
• Электронное строение внешнего уровня помогает предсказывать химические свойства элемента.
• Один элемент может образовывать несколько аллотропных простых веществ.
• Характеристику нужно составлять отдельно для элемента и для соответствующего простого вещества.