24.1. Характеристика элемента и простого вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Отдельный атом — только одна частица этого вида, а элемент объединяет множество одинаковых по ядерному заряду атомов. Это различие нужно, чтобы не путать характеристику атомов с характеристикой вещества.

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, молекула O₂ состоит только из атомов кислорода, но само O₂ является конкретным веществом с определёнными свойствами. Одному элементу могут соответствовать разные простые вещества, если их частицы устроены неодинаково.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Так, кислород образует O₂ и озон O₃, а углерод — алмаз и графит. Понятие помогает объяснить, почему разные свойства не всегда означают разные элементы.

Характеристика элемента и простого вещества — последовательное описание положения элемента, строения его атомов и свойств образованных им простых веществ. Сначала устанавливают общие сведения об элементе, затем переходят к конкретному веществу. Такой порядок связывает положение в периодической системе с наблюдаемыми свойствами.

Как это устроено

Начинать характеристику элемента следует с положения в периодической системе, потому что оно задаёт исходные сведения об атоме. Порядковый номер равен заряду ядра, то есть числу протонов, а в нейтральном атоме — ещё и числу электронов. Номер периода показывает число занятых электронных слоёв, а группа помогает определить особенности внешнего слоя. Поэтому по положению можно перейти к электронной конфигурации и предположить химическое поведение элемента.

Электронное строение атома позволяет объяснить типичные валентности и степени окисления. Валентность показывает способность атома образовывать определённое число связей, а степень окисления — условный заряд атома в соединении. Внешние электроны участвуют в связях, поэтому их число и возможность перехода между уровнями влияют на состав соединений. Однако конкретную степень окисления определяют с учётом формулы вещества, а не только положения элемента в таблице.

Металлический или неметаллический характер связан с тем, как атом взаимодействует с электронами. Металлы сравнительно легко отдают внешние электроны, образуя положительно заряженные ионы, тогда как неметаллы чаще принимают электроны или обобществляют их. В периоде слева направо обычно усиливается способность притягивать электроны, а в группе сверху вниз металлические свойства возрастают. Поэтому положение элемента помогает объяснить типичные реакции, но свойства уточняют по строению конкретного атома.

При характеристике простого вещества отдельно рассматривают состав, строение и свойства, поскольку эти сведения относятся к веществу, а не непосредственно к элементу. Формула показывает, какие атомы и в каком соотношении входят в частицы, а строение объясняет физические и химические свойства. Если один элемент образует аллотропные модификации, сравнивают их частицы или кристаллические структуры, агрегатное состояние, цвет, прочность, реакционную способность. Различия возникают из-за строения и не означают появления новых химических элементов.

План характеристики химического элемента и простого вещества

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала устанавливают общие сведения об элементе, затем описывают атом и переходят к конкретному простому веществу. В правой колонке не следует записывать свойства элемента вместо свойств вещества. Если существуют аллотропные модификации, сведения о каждой из них сравнивают отдельно.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Составьте краткую характеристику элемента серы по её положению в периодической системе: укажите порядковый номер, период, группу и число электронов в нейтральном атоме. Сначала нужно найти серу в таблице, а затем связать найденные данные со строением атома. Это позволяет не заучивать число электронов отдельно.

1. У серы порядковый номер 16. Значит, заряд её ядра равен +16 условных единиц, а ядро содержит 16 протонов.
2. Сера расположена в 3-м периоде, поэтому её атом имеет три занятых электронных слоя.
3. Сера находится в 16-й группе, или группе VIA в старой нумерации.
4. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов и порядковому номеру: 16.

Ответ. Сера: Z = 16, 3-й период, 16-я группа, 16 электронов в нейтральном атоме.

Задача 2

Условие. Для элемента с порядковым номером 17 запишите электронное строение атома, определите число электронов на внешнем уровне и укажите, металл это или неметалл. Номер сразу сообщает количество электронов нейтрального атома, но их нужно распределить по уровням. По заполнению внешнего уровня затем определяют тип элемента.

1. Элемент с Z = 17 — хлор, поэтому нейтральный атом содержит 17 электронов.
2. Распределяем электроны по уровням: 2, 8, 7. В подуровневой записи конфигурация имеет вид 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵.
3. На внешнем, третьем, уровне находится 7 электронов. До устойчивой оболочки не хватает одного электрона.
4. Такое строение характерно для неметалла: хлор обычно принимает электрон или образует ковалентные связи.

Ответ. Хлор: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵, на внешнем уровне 7 электронов, это неметалл.

Задача 3

Условие. Сравните простые вещества кислорода O₂ и озона O₃: объясните, почему это разные вещества одного элемента, и укажите, какие пункты их характеристики нужно сопоставить. Нельзя ограничиваться подсчётом атомов: нужно установить, к какому элементу они относятся и как устроены частицы. После этого сравнивают свойства.

1. В обеих формулах присутствует только химический элемент кислород, поэтому O₂ и O₃ являются простыми веществами.
2. Их молекулы имеют разное число атомов и различное строение: одна молекула O₂ содержит два атома, а молекула O₃ — три.
3. Из-за различного строения вещества обладают неодинаковыми физическими и химическими свойствами. Это пример аллотропии кислорода.
4. Сопоставляют состав и формулу, строение частиц, физические свойства, химическую активность и условия превращений.

Ответ. O₂ и O₃ — разные простые вещества одного элемента, кислорода; они являются его аллотропными модификациями.

Типичные ошибки

Называть химический элемент простым веществом — значит смешивать вид атомов и конкретную форму их существования. Ошибку допускают, когда говорят «кислород» без уточнения, имеют ли в виду элемент или газ O₂. Проверка проста: спросите себя, описывается ли объект зарядом ядра или формулой и свойствами вещества.

Считать, что одному элементу соответствует только одно простое вещество, нельзя из-за явления аллотропии. Обычно так рассуждают по одному знакомому примеру и не учитывают различия строения. Проверьте, не существуют ли у элемента другие модификации, например O₂ и O₃.

Переносить свойства простого вещества на элемент или наоборот — неточно, потому что свойства вещества зависят от состава и строения его частиц. Например, способность озона вступать в реакции нельзя автоматически приписывать любому проявлению элемента кислорода. Нужно разделять сведения об атоме, простом веществе и его конкретной модификации.

Определять валентность или степень окисления только по номеру группы ошибочно, поскольку эти характеристики зависят от конкретного соединения. Номер группы помогает предположить типичные значения, но не заменяет анализ формулы. Для проверки составьте соединение и определите степень окисления по сумме зарядов.

Связь с другими темами

Для темы нужны устройство периодической таблицы, смысл порядкового номера и правила распределения электронов по уровням и подуровням. Она опирается на понятия атома, химического элемента, простого вещества, валентности и степени окисления. План характеристики пригодится при изучении химических свойств элементов и их соединений, а также при сравнении простых веществ и аллотропных модификаций.

Что запомнить

• Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Порядковый номер элемента равен заряду ядра атома.
• Строение атома помогает объяснить химические свойства элемента.
• Свойства простого вещества зависят от его состава и строения.
• Аллотропные модификации — разные простые вещества одного элемента.