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 вещества делятся на простые и сложные.
Простые вещества - это вещества, которые состоят из атомов одного элемента.
В некоторых простых веществах атомы одного элемента соединяются друг с другом и образуют молекулы. Такие простые вещества имеют молекулярное строение . К ним относятся: , . Все эти вещества состоят из двухатомных молекул. (Обратите внимание, что названия простых веществ совпадают с названиями элементов!)
Другие простые вещества имеют атомное строение , т. е. состоят из атомов, между которыми существуют определенные связи. Примерами таких простых веществ являются все ( , и т. д.) и некоторые ( , и др.). Не только названия, но и формулы этих простых веществ совпадают с символами элементов.
Существует также группа простых веществ, которые называются . К ним относятся: гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Kr, ксенон Хе, радон Rn. Эти простые вещества состоят из не связанных друг с другом атомов.
Каждый элемент образует как минимум одно простое вещество. Некоторые элементы могут образовывать не одно, а два или несколько простых веществ. Это явление называется аллотропией.
Аллотропия - это явление образования нескольких простых веществ одним элементом.
Разные простые вещества, которые образуются одним и тем же химическим элементом, называются аллотропными видоизменениями (модификациями).
Аллотропные модификации могут отличаться друг от друга составом молекул. Например, элемент кислород образует два простых вещества. Одно из них состоит из двухатомных молекул О 2 и имеет такое же название, как и элемент- . Другое простое вещество состоит из трехатомных молекул О 3 и имеет собственное название - озон.
Кислород О 2 и озон О 3 имеют различные физические и химические свойства.
Аллотропные модификации могут представлять собой твердые вещества, которые имеют различное строение кристаллов. Примером являются аллотропные модификации углерода С - алмаз и графит.
Число известных простых веществ (примерно 400) значительно больше, чем число химических элементов, так как многие элементы могут образовывать две или несколько аллотропных модификаций.
Сложные вещества - это вещества, которые состоят из атомов разных элементов.
Примеры сложных веществ: НCl, Н 2 O, NaCl, СО 2 , H 2 SO 4 и т. д.
Сложные вещества часто называют химическими соединениями. В химических соединениях свойства простых веществ, из которых образуются эти соединения, не сохраняются. Свойства сложного вещества отличаются от свойств простых веществ, из которых оно образуется.
Например, хлорид натрия NaCl может образоваться из простых веществ - металлического натрия Na и газообразного хлора Сl Физические и химические свойства NaCl отличаются от свойств Na и Cl 2 .
В природе, как правило, встречаются не чистые вещества, а смеси веществ. В практической деятельности мы также обычно используем смеси веществ. Любая смесь состоит из двух или большего числа веществ, которые называются компонентами смеси .
Например, воздух представляет собой смесь нескольких газообразных веществ: кислорода О 2 (21 % по объему), (78%), и др. Смесями являются растворы многих веществ, сплавы некоторых металлов и т. д.
Смеси веществ бывают гомогенными (однородными) и гетерогенными (неоднородными).
Гомогенные смеси - это смеси, в которых между компонентами нет поверхности раздела.
Гомогенными являются смеси газов (в частности, воздух), жидкие растворы (например, раствор сахара в воде).
Гетерогенные смеси - это смеси, в которых компоненты разделяются поверхностью раздела.
К гетерогенным относятся смеси твердых веществ (песок + порошок мела), смеси нерастворимых друг в друге жидкостей (вода + масло), смеси жидкостей и нерастворимых в нем твердых веществ (вода + мел).
Важнейшие отличия смесей от химических соединений:
- В смесях свойства отдельных веществ (компонентов) сохраняются.
- Состав смесей не является постоянным.
Под химическим элементом понимают совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра и с определенным набором свойств. Атомы одного и того же химического элемента, соединяясь, образуют простое вещество . При сочетании атомов разных химических элементов возникают сложные вещества (химические соединения) или смеси . Отличие химических соединений от смесей состоит в том, что:
Они обладают новыми свойствами, которых не было у простых веществ, из которых они были получены;
Их невозможно механически разделить на составные части;
Химические элементы в их составе могут быть только в строго определенных количественных соотношениях.
Некоторые химические элементы (углерод, кислород, фосфор, сера) способны существовать в виде нескольких простых веществ. Это явление носит название аллотропии , а разновидности простых веществ одного и того же химического элемента называются его аллотропными модификациями (видоизменениями).
Задачи
1.1. Чего больше существует в природе: химических элементов или простых веществ? Почему?
1.2. Верно ли утверждение, что сера и железо в состав сульфида железа входят как вещества? Если нет, то каков правильный ответ?
1.3. Назовите аллотропные модификации кислорода. Отличаются ли они по своим свойствам? Если да, то как?
1.4. Какая из аллотропных модификаций кислорода химически более активна и почему?
1.5. Простыми веществами или химическими элементами являются цинк, сера и кислород в следующих реакциях:
1) СuSО 4 + Zn = ZnSO 4 + Cu;
2) S + O 2 = SO 2 ;
3) Zn + 2HC1 = ZnCl 2 + H 2 ;
4) Zn + S = ZnS;
5) 2H 2 0 = 2H 2 + O 2 .
1.6. Можно ли из одного простого вещества получить другое простое вещество? Дать мотивированный ответ.
1.7. При сгорании некоторого вещества в кислороде получаются оксид серы (IV), азот и вода. Какие химические элементы образуют исходное вещество?
1.8. Указать, к простым или сложным веществам относятся: Н 2 О, С1 2 , NaOH, O 2 , HNO 3 , Fe, S, ZnSO 4 , N 2 , AgCl, I 2 , A1 2 O 3 , O 3 ?
1.9. Для каких химических элементов известны аллотропные модификации? Назовите эти модификации.
1.10. Возможен ли переход химического элемента из одной аллотропной модификации в другую? Привести примеры.
1.11. Какие химические элементы имеют в виду, когда говорят об алмазе, озоне?
1.12. Какие из веществ являются химическими соединениями, а какие - смесями:
2) воздух;
4) серная кислота;
1.13. Как доказать, что хлорид натрия относится к сложным веществам?
1.14. Назовите три аллотропные модификации углерода.
1.15. Как называются и чем отличаются друг от друга аллотропные модификации фосфора?
1.16. Как называются и чем отличаются друг от друга аллотропные модификации серы?
1.17. Указать, какое из утверждений верно и почему - в состав сульфата бария входят:
1) простые вещества барий, сера, кислород;
2) химические элементы барий, сера, кислород.
1.18. Сколько литров аммиака может быть получено из смеси 10 литров азота и 30 литров водорода?
1.19. Сколько литров водяного пара образуется из смеси 10 литров водорода и 4 литров кислорода? Какой газ и в каком объёме останется в избытке?
1.20. Сколько граммов сульфида цинка (ZnS) может образоваться из смеси 130 г цинка и 48 г серы?
1.22. Чем является раствор спирта в воде – смесью или химическим соединением?
1.23. Может ли сложное вещество состоять из атомов одного вида?
1.24. Какие из нижеперечисленных веществ являются смесями и какие химическими соединениями:
1) бронза;
2) нихром;
3) керосин;
4) калийная селитра:
5) канифоль;
6) суперфосфат.
1.25. Дана смесь Cl 2 + HCl + CaCl 2 + H 2 O.
1) Сколько в смеси различных веществ;
2) Сколько в смеси молекул хлора;
3) Сколько в смеси атомов хлора;
4)Сколько молекул различных веществ содержится в смеси.
Главное отличие между ними - в их составе. Так, простые вещества включают атомы одного элемента. Их (простых веществ) кристаллы можно синтезировать в лабораторных, а иногда и в домашних условиях. Однако часто для хранения полученных кристаллов необходимо создавать определенные условия.
Существует пять классов, на которые разделены простые вещества: металлы, полуметаллы, неметаллы, интерметаллиды и галогены (не встречающиеся в природе). Они могут быть представлены атомарными (Ar, Не) или молекулярными (О2, Н2, О3) газами.
В качестве примера можно взять простое вещество кислород. Оно включает молекулы, состоящие из двух атомов элемента Кислород. Или, например, вещество железо состоит из кристаллов, включающих только атомы элемента Железо. Исторически принято называть простое вещество по названию элемента, атомы которого входят в его состав. Строение этих соединений может быть молекулярным и немолекулярным.
Сложные вещества включают атомы различного вида и при разложении могут образовывать два (или больше) соединения. Например, вода при расщеплении формирует кислород и водород. При этом не каждое соединение можно разложить на простые вещества. Например, сульфид железа, сформированный атомами серы и железа, не поддается расщеплению. В этом случае, для того чтобы доказать, что соединение является сложным и включает разнородные атомы, применяют принцип обратной реакции. Другими словами, при помощи исходных компонентов получают сульфид железа.
Простые вещества являются формами химических элементов, существующих в свободном виде. Сегодня науке известно более четырехсот видов этих элементов.
В отличие от сложных веществ, простые нельзя получить из других простых веществ. Их также нельзя разложить на другие соединения.
Все аллотропные модификации обладают свойством переходить друг в друга. Разные типы простых веществ, сформированные одним химическим элементом, могут иметь разные и разный уровень химической активности. Так, например, кислород проявляет меньшую, чем озон, активность, а температура плавления фуллерена, например, меньше, чем у алмаза.
В нормальных условиях для одиннадцати элементов простые вещества будут представлять собой газы (Ar, Xe, Rn, N, H, Ne, O, F, Kr, Cl, He,), для двух жидкости (Br, Hg), а для прочих элементов - твердые тела.
При температуре, приближенной к комнатной, пять металлов будут принимать жидкое или полужидкое состояние. Это связано с тем, что температура их плавления почти равна Так, ртуть и рубидий плавятся при 39 градусах, франций - при 27, цезий - при 28, а галлий при 30 градусах.
Следует отметить, что понятия "химический элемент", "атом", "простое вещество" смешивать не следует. Так, например, атом имеет определенное, конкретное значение и существует реально. Определение "химический элемент" является в целом абстрактным, собирательным. В природе элементы присутствуют в форме атомов свободных или химически связанных. При этом характеристики простых веществ (совокупности частиц) и химических элементов (изолированных атомов конкретного вида) имеют свои особенности.
