В предыдущей главе было сказано, что образовывать связи друг с другом могут не только атомы одного химического элемента, но также атомы разных элементов. Вещества, образованные атомами одного химического элемента, называют простыми веществами, а вещества, образованные атомами разных химических элементов, — сложными. Некоторые простые вещества имеют молекулярное строение, т.е. состоят из молекул. Например, молекулярное строение имеют такие вещества, как кислород, азот, водород, фтор, хлор, бром, йод. Каждое из этих веществ образовано двухатомными молекулами, поэтому их формулы можно записать как O 2 , N 2 , H 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 и I 2 соответственно. Как можно заметить, простые вещества могут иметь одинаковое название с элементами, их образующими. Поэтому следует четко различать ситуации, когда речь идет о химическом элементе, а когда о простом веществе.
Нередко простые вещества имеют не молекулярное, а атомное строение. В таких веществах атомы могут образовывать друг с другом связи различных типов, которые подробно будут рассмотрены чуть позже. Веществами подобного строения являются все металлы, например, железо, медь, никель, а также некоторые неметаллы — алмаз, кремний, графит и т.д. Для данных веществ обычно характерно не только совпадение названия химического элемента с названием им образованного вещества, но также идентичны запись формулы вещества и обозначения химического элемента. Например, химические элементы железо, медь и кремний, имеющие обозначения Fe, Cu и Si, образуют простые вещества, формулы которых Fe, Cu и Si соответственно. Существует также небольшая группа простых веществ, состоящих из разрозненных атомов, никак не связанных между собой. Такие вещества являются газами, которые называют, ввиду их крайне низкой химической активности, благородными. К ним относятся гелий (Не), неон (Ne), аргон (Аr), криптон (Кr), ксенон (Хе), радон (Rn).
Поскольку только известных простых веществ насчитывается около 500, то логично вытекает вывод о том, что для многих химических элементов характерно явление, называемое аллотропией.
Аллотропия – явление, когда один химический элемент может образовывать несколько простых веществ. Разные химические вещества, образованные одним химическим элементом, называют аллотропными модификациями или аллотропами.
Так, например, химический элемент кислород может образовывать два простых вещества, одно и которых имеет название химического элемента – кислород. Кислород как вещество состоит из двухатомных молекул, т.е. формула его O 2 . Именно данное соединение входит в состав жизненно необходимого нам воздуха. Другой аллотропной модификацией кислорода является трехатомный газ озон, формула которого O 3 . Несмотря на то что и озон, и кислород образованы одним химическим элементом, их химическое поведение весьма различно: озон отличается намного большей активностью по сравнению с кислородом в реакциях с теми же веществами. Кроме того, данные вещества отличаются друг от друга по физическим свойствам уже как минимум из-за того, что молекулярная масса озона больше, чем у кислорода в 1,5 раза. Это приводит к тому, что его плотность в газообразном состоянии также больше в 1,5 раза.
Многие химические элементы склонны образовывать аллотропные модификации, отличающиеся друг от друга особенностями строения кристаллической решетки. Так, например, на рисунке 5, вы можете видеть схематичные изображения фрагментов кристаллических решеток алмаза и графита, которые являются аллотропными модификациями углерода.
Рисунок 5. Фрагменты кристаллических решеток алмаза (а) и графита (б)
Кроме того, углерод может иметь и молекулярное строение: такая структура наблюдается у такого типа веществ, как фуллерены. Вещества данного типа образованы молекулами углерода сферической формы. На рисунке 6 представлены 3D модели молекулы фуллерена с60 и футбольного мяча для сравнения. Обратите внимание на их интересное сходство.
Рисунок 6. Молекула фуллерена С60 (а) и футбольный мяч (б)
Сложные вещества - это вещества, которые состоят из атомов разных элементов. Они так же, как и простые вещества, могут иметь молекулярное и немолекулярное строение. Немолекулярный тип строения сложных веществ может быть более разнообразен, нежели у простых. Любые сложные химические вещества могут быть получены либо прямым взаимодействием простых веществ, либо последовательностью их взаимодействий друг с другом. Важно осознавать один факт, который заключается в том, что свойства сложных вещества как физические, так и химические сильно отличаются от свойств простых веществ, из которых они получены. Например, поваренная соль, имеющая форуму NaCl и представляющая собой бесцветные прозрачные кристаллы, может быть получена взаимодействием натрия, являющегося металлом с характерными для металлов свойствами (блеск и электропроводность), с хлором Cl 2 — газом желто-зеленого цвета.
Серная кислота H 2 SO 4 может быть образована серией последовательных превращений из простых веществ — водорода H 2 , серы S и кислорода O 2 . Водород — газ легче воздуха, образующий с воздухом взрывчатые смеси, сера — твердое вещество желтого цвета, способное гореть, и кислород — газ чуть тяжелее воздуха, в котором могут гореть многие вещества. Серная кислота, которая может быть получена из данных простых веществ, представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, обладающая сильными водоотнимающими свойствами, из-за которых обугливает многие вещества органического происхождения.
Очевидно, что помимо индивидуальных химических веществ, бывают также и их смеси. Преимущественно именно смесями различных веществ образован мир вокруг нас: сплавы металлов, продукты питания, напитки, различные материалы, из которых состоят окружающие нас предметы.
Например, воздух, которым мы дышим, состоит в основном из азота N 2 (78%), жизненно необходимого нам кислорода (21%), оставшийся же 1% приходится на примеси других газов (углекислый газ, благородные газы и др.).
Смеси веществ разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенными смесями называют такие смеси, у которых нет границ раздела фаз. Гомогенными смесями являются смесь спирта и воды, сплавы металлов, раствор соли и сахара в воде, смеси газов и т.д. Гетерогенными смесями называют такие смеси, у которых имеется граница раздела фаз. К смесям такого типа можно отнести смесь песка и воды, сахара и соли, смесь масла и воды и др.
Вещества, из которых состоят смеси, называют компонентами.
Смеси простых веществ в отличие от химических соединений, которые могут быть получены из этих простых веществ, сохраняют свойства каждого компонента.
Все вокруг нас состоит из каких-либо веществ. В зависимости от своего состава, они могут быть простыми и сложными. Но что это означает? Что такое простые вещества? Какими свойствами они обладают? Давайте это выясним.
Что такое простое вещество?
Разъяснения о веществах лучше всего начинать с понятия «атом». Это микроскопическая частица, обладающая конкретным размером, массой и другими свойствами. Каждый вид атома представляет определенный химический элемент. Но сами по себе они не могут существовать в природе и обязательно объединяются с другими атомами, формируя вещества.
Что такое простые вещества? Это структуры, образованные атомами одного вида элемента. При нормальных условиях они чаще всего являются твердыми, однако 11 из них пребывают в газообразном состоянии, а два - в жидком. В зависимости от того, какой тип связи образовался между атомами, их разделяют на две большие группы: металлы и неметаллы.
Понять, что такое простые вещества, иногда бывает затруднительно, ведь их названия могут совпадать с названиями химических элементов. Одинаково именуются: кислород, железо, медь, сера, фосфор и другие.
Свойства простых веществ
Основные качества, по которым характеризуют вещества:
- цвет;
- запах;
- твердость/мягкость;
- вязкость;
- растворимость;
- тепло- и электропроводность;
- магнитные свойства;
- температуры плавления и кипения и т. д.
Многие свойства веществ зависят от того, как и в каком количестве соединены их атомы. При этом может возникать аллотропия. Это явление, при котором одно простое химическое вещество существует в нескольких формах или модификациях. Так, атомы кислорода (О), объединяясь в пару, образуют О 2 или вещество кислород - прозрачного цвета, без запаха и вкуса. Если же объединятся три атома, то получится озон или О 3 - голубой газ с резким специфическим запахом.
Аллотропные модификации есть у селена, фосфора, водорода, кремния, сурьмы, олова, железа и других веществ. Формы могут переходить друг в друга при изменении температуры или давления. При этом существуют переходы обратимые, в которых вещество может вернуться к прежнему состоянию, и необратимые, в которых возврат уже невозможен.
Металлы
Простые вещества металлы характеризуются целым рядом общих свойств. Они в той или иной степени пластичны, а значит, поддаются ковке, растягиванию и сгибанию, не разрываясь и ломаясь. Самыми пластичными считаются золото, медь, серебро. А вот марганец, цинк или висмут сразу же ломаются при механическом воздействии.
Металлы хорошо проводят тепло и электричество. Наилучшим в этой области является серебро, хуже всего себя проявляет ртуть и висмут. Кстати, ртуть - единственный металл, который при нормальных условиях не твердый. Застывает она только при температуре -39 °C.
Другие представители этой группы простых веществ изначально твердые. Они переходят в жидкое состояние (плавятся) при определенных температурах, как правило, высоких. Так, франций плавится при 27 °C, свинец - при 1170 °C, алюминий - при 1554 °C, индий - при 156,6 °C , а вольфраму нужно целых 3410 °C.
Практически все металлы обладают блеском и серой окраской. Отличаются лишь их оттенки: у одних он темный и практически матовый, у других серебристо-белый и очень блестящий. Есть, конечно, и исключения. Например, золото и цезий окрашены в желтый, медь - в красноватый.
Неметаллы
Простых веществ неметаллов гораздо меньше. Их 118 известных элементов их образует только 22. Сходных черт между этими веществами тоже немного. Объединяет их в основном то, что они не принадлежат к металлам и не обладают характерным для них блеском (кроме йода и графита).
Все они имеют либо молекулярное, либо атомное строение. В первом случае неметаллы могут быть газами (хлор, азот, водород, кислород), твердыми телами (сера, фосфор, йод) или жидкостями (бром). Их атомы связаны тесно, а вот молекулы - нет. Поэтому такие вещества летучи, в твердом состоянии легко плавятся и крошатся.
Во втором случае они образованы длинными цепочками атомов. Их частицы связаны между собой очень тесно, поэтому вещества обладает твердостью, слабой пластичностью и летучестью, высокими температурами плавления и кипения. Графит, например, плавится только при 3800 °C, что выше, чем у самого тугоплавкого металла.
Фтор
Фтор - химический элемент под номером 9. В качестве простого вещества он является двухатомным газом (F 2) желтоватого оттенка. Он имеет ярко выраженный запах, который немного напоминает хлор.
Фтор является самым активным неметаллом. Он вступает в реакцию со всеми элементами, кроме неона и гелия. Он также реагирует с большинством существующих веществ, которые при этом загораются или взрываются. Даже вода в атмосфере наполненной фтором начинает гореть. Водород, соединяясь с фтором, взрывается и при минусовых температурах.
Элемент фтор содержится в зубной эмали и костях нашего организма. Он необходим нам ежедневно в количестве 2,5—3,5 мг. Вместе с тем газ фтор очень токсичен и агрессивен. Он способен вызывать раздражение слизистых и ожоги II степени.
Сера
Химический элемент сера как простое вещество тоже проявляет неметаллические свойства. Он образует огромное количество аллотропных модификаций, основные из которых это: моноклинная, ромбическая, пластическая.
В природе встречается в свободном виде, поэтому человек знаком с ней давно. В таком состоянии она часто образуется в местах вулканических извержений и геотермальных источников. Кроме того, входит в состав многих минералов, например, пиритов.
Многим сера известна как вещество светло-желтого цвета с жирным блеском и высокой хрупкостью. Это моноклинная сера, которую часто производят в виде порошка. При нагревании такого порошка до 160 °C он расплавляется и приобретает темно-коричневый цвет. Остывая, он вновь становится желтого цвета.
Если расплавленную коричневую массу опустить в воду, то образуется пластическая сера. Она похожа на резину или пластилин. В таком виде она отлично растягивается и формируется. Однако через несколько дней опять превращается в моноклинную серу, обладающую хрупкостью.
При высоких вулканических температурах вещество образует красивые полупрозрачные кристаллы. На их образования уходят несколько тысяч лет, поэтому в природе они встречаются нечасто.
При сильной влажности измельченная сера может самовозгораться. С хлоратами, нитратами, маслами и жирами она реагирует очень бурно, возгораясь или взрываясь. Сера хорошо горит на воздухе, образуя бесцветный сернистый газ, обладающий резким запахом.
Химия относится к естественным наукам. Она изучает состав, строение, свойства и превращения веществ, а также явления, сопровождающие эти превращения.
Вещество является одной из основных форм существования материи. Вещество как форма материи состоит из отдельных частиц различной степени сложности и обладает собственной массой, так н а з ы в а е м о й
массой покоя.
Простые и сложные вещества. Аллотропия.
Все вещества можно разделить на простые и сложные .
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, сложные - из атомов нескольких химических элементов.
Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Следовательно, атом - это мельчайшая частица химического элемента.
Понятие простое вещество нельзя отождествлять с понятием
химический элемент . Химический элемент характеризуется определенным положительным зарядом ядра атома, изотопным составом, химическими свойствами. Свойства элементов относятся к его отдельным атомам. Простое вещество характеризуется определенной плотностью, растворимостью, температурами плавления и кипения и т.п. Эти свойства относятся к совокупности атомов и для разных простых веществ они различны.
Простое вещество - это форма существования химического элемента в свободном состоянии. Многие химические элементы образуют несколько простых веществ, различных по строению и свойствам. Это явление называется аллотропией , а образующие вещества - аллотропными видоизменениями . Так, элемент кислород образует две аллотропные модификации - кислород и озон, элемент углерод - алмаз, графит, карбин, фуллерен.
Явление аллотропии вызывается двумя причинами: различным числом атомов в молекуле (например, кислород О 2 и азон О 3 ) либо образованием различных кристаллических форм (например, углерод образует следующие аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин, фуллерен), карбин был открыт в 1968г (А.Сладков, Россия), а фуллерен в 1973 г теоретически (Д.Бочвар, Россия), а в 1985г - экспериментально (Г.Крото и Р.Смолли, США).
Сложные вещества состоят не из простых веществ, а из химических элементов. Так водород и кислород, входящие в состав воды, содержатся в воде не в виде газообразных водорода и кислорода с их характерными свойствами, а в виде элементов - водорода и кислорода.
Мельчайшей частицей веществ, имеющих молекулярную структуру, является молекула, которая сохраняет химические свойства данного вещества. Согласно современным представлениям из молекул состоят в основном вещества, находящиеся в жидком и газообразном состоянии. Большинство же твердых веществ (в основном неорганических) состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, металлы и пр.
Относительная атомная масса
Современные методы исследования позволяют определить чрезвычайно малые массы атомов с большей точностью. Так, например, масса атома водорода составляет 1,674 10 -27 кг, углерода – 1,993 10 -26 кг.
В химии традиционно используются не абсолютные значения атомных масс, а относительные. В 1961г за единицу атомной массы принята атомная единица массы (сокращенно а.е.м.), которая представляет собой 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12 С .
Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой (изотопы). Поэтому относительной атомной массой (или просто атомной массой) А r химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома элемента к 1/12 массы атома углерода 12 С.
Атомные массы элементов обозначают А r , где индекс r – начальная буква английского слова relative – относительный. Записи A r (H), A r (O), A r (C) означают: относительная атомная масса водорода, относительная атомная масса кислорода, относительная атомная масса углерода.
Относительная атомная масса – одна из основных характеристик химического элемента.
Простое вещество - форма существования химического элемента в свободном виде. Подавляющее большинство элементов, содержащихся в природных объектах, выделены в виде простых веществ. Даже многие элементы, синтезированные с помощью ядерных реакций (технеций, прометий, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний), были получены в металлическом виде.
Ученые долгое время не могли провести четкого различия между элементами и простыми веществами. Это различие впервые с полной определенностью установил Д. И. Менделеев, указавший, что «простые тела суть вещества, содержащие только один какой-нибудь элемент...», и периодическая система относится именно к элементам, а не к простым веществам.
Число простых веществ значительно превышает число известных химических элементов (простых веществ известно ныне более 400). Многие элементы образуют несколько простых веществ, называемых аллотропическими модификациями (см. Аллотропия). Например, углерод в свободном виде существует в трех модификациях - алмаза, графита, карбина.
При обычных условиях большинство простых веществ - твердые тела. Водород, гелий, азот, кислород (и его аллотропическая модификация - озон), фтор, неон, хлор, аргон, криптон, ксенон и радон - газы. И только два элемента - бром и ртуть - при обычных условиях существуют в виде жидких простых веществ.
Подразделение простых веществ на металлы и неметаллы (или металлоиды) основано на специфике их физических и химических свойств. Металлов значительно больше. С точки зрения электронных конфигураций атомов к металлическим элементам относятся все те, в атомах которых заполняются электронами s-, d- или f-подоболочки. (Исключение составляют лишь водород и гелий). К металлам относятся также некоторые р-элементы (алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, висмут, полонийвсе прочие р-элементы - неметаллы или же проявляют металлические свойства в слабой степени (сурьма, иод, астат).
С химической точки зрения четкую границу между металлами и неметаллами провести нельзя, поскольку есть несколько металлов, соединения которых обладают резко выраженными амфотерными свойствами, т. е. свойствами и металлов, и неметаллов (см. Ам-фотерность). Физики считают металлами вещества, отличающиеся хорошей тепло- и электропроводностью, характерным металлическим блеском (хотя такие свойства присущи и некоторым неметаллам). При очень высоком давлении все неметаллы, по-видимому, могут быть переведены в металлическое состояние.
То, что называют физическими свойствами элементов,- в значительной степени свойства соответствующих простых веществ, и эти свойства очень разнообразны, в особенности для металлов. Если говорить о плотности, то самым легким металлом является литий (0,53 г/см3), а самым тяжелым - осмий (22,6 г/см3). Наиболее легкоплавка ртуть (-38,9° С), труднее всего расплавить вольфрам (3410° С).
Наинизшая температура кипения характерна для ртути (357,25° С), а наивысшая - для вольфрама (5700° С).
Свойства простых веществ находятся в зависимости от порядковых номеров элементов в периодической системе. Однако эта зависимость достаточно сложна и далеко не всегда линейна. Для примера рассмотрим зависимость температур плавления простых веществ от атомного номера (заряда ядра Z). Элемент, которым начинается каждый период системы элементов, является простым веществом с низкой температурой плавления (щелочные металлы). По мере роста Z температура плавления растет, проходит через один или несколько максимумов и достигает минимума в конце периодов (инертные газы). В малых периодах (второй и третий) высшие точки плавления приходятся на углерод и кремний (элементы IVa-подгруппы), в больших (четвертый - шестой) - на хром, молибден и вольфрам (элементы VIb-под-группы). Таким образом, кривая температур плавления простых веществ также обнаруживает периодический характер.
Хорошей иллюстрацией периодической зависимости свойств простых веществ от атомного номера служит кривая атомных объемов (атомный объем - частное от деления атомной массы на плотность), показанная на рисунке. Максимальные значения атомных объемов - у щелочных металлов, тогда как минимумы приходятся на элементы, располагающиеся в середине периодов. Кривая атомных объемов впервые предложена немецким ученым Л. Мейером в 1870 г.
Все вещества, о которых мы говорим в школьном курсе химии, принято делить на простые и сложные. Простые вещества - это такие вещества, в состав молекул которых входят атомы одного и того же элемента. Атомарный кислород (O), молекулярный кислород (O2) или просто кислород, озон (O3), графит, алмаз - это примеры простых веществ, которые образуют химические элементы кислород и углерод. Сложные вещества делятся на органические и неорганические. Среди неорганических веществ, прежде всего выделяют следующие четыре класса: окислы (или оксиды), кислоты (кислродные и безкислородные), основания (растворимые в воде основания называются щелочами) и соли. Соединения неметаллов (исключая кислород и водород) не входят в эти четыре класса, мы будем их называть условно "и другие сложные вещества".
Простые вещества принято делить на металлы, неметаллы и инертные газы. К металлам относятся все химические элементы, у которых идет заполнение d- и f-подуровней, это в 4-ом периоде элементы: Sc - Zn, в 5-ом периоде: Y - Cd, в 6-ом периоде: La - Hg, Ce - Lu, в 7 периоде Ac - Th - Lr. Если теперь среди оставшихся элементов провести линию от Be к At, то слева и внизу от нее будут расположены металлы, а справа и вверху - неметаллы. В 8 группе Периодической системы расположены инертные газы. Элементы, расположенные на диагонали: Al, Ge, Sb, Po (и некоторые другие. Например, Zn) в свободном состоянии обладают свойствами металлов, а гидроксиды обладают свойствами и оснований, и кислот, т.е. являются амфотерными гидроксидами. Поэтому эти элементы можно считать металло-неметаллами, занимающими промежуточное положение между металлами и неметаллами. Таким образом, классификация химических элементов зависит от того, какими свойствами будут обладать их гидроксиды: основными - значит это металл, кислотными - неметалл, и теми и другими (в зависимости от условий) - металло-неметалл. Один и тот же химический элемент в соединениях с низшей положительной степенью окисления (Mn+2, Cr+2) проявляет ярко выраженные "металлические" свойства, а в соединениях с максимальной положительной степенью окисления (Mn+7, Cr+6) проявляет свойства типичного неметалла. Чтобы увидеть взаимосвязь простых веществ, оксидов, гидроксидов и солей приведем сводную таблицу.