Простые и сложные вещества. Химический элемент
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.
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.
При изучении материала предыдущих параграфов, вы уже познакомились с некоторыми веществами. Так, например, молекула газа водорода, состоит из двух атомов химического элемента водорода – Н + Н = Н2.
Простые вещества – вещества, в состав которых входят атомы одного вида
К простым веществам, из числа известных вам веществ, относят: кислород, графит, серу, азот, все металлы: железо, медь, алюминий, золото и т.д. Сера состоит только из атомов химического элемента серы, а графит состоит из атомов химического элемента углерода.
Нужно четко различать понятия «химический элемент» и «простое вещество» . Например, алмаз и углерод – не одно и тоже. Углерод – химический элемент, а алмаз – простое вещество, образованное химическим элементов углеродом. В данном случае химический элемент (углерод) и простое вещество (алмаз) называются по-разному. Часто химический элемент и отвечающее ему простое вещество называются одинаково. Например, элементу кислороду, соответствует простое вещество – кислород.
Различать, где идет речь об элементе, а где о веществе, необходимо научиться! Например, когда говорят, что кислород входит в состав воды – речь идет об элементе кислороде. Когда говорят, что кислород – это газ, необходимый для дыхания – здесь идет речь о простом веществе кислороде.
Простые вещества химических элементов подразделяют на две группы – металлы и неметаллы.
Металлы и неметаллы кардинально отличаются по своим физическим свойствам. Все металлы при нормальных условиях твердые вещества, исключение составляет ртуть – единственный жидкий металл . Металлы непрозрачны, обладают характерным металлическим блеском. Металлы пластичны, хорошо проводят тепло и электрический ток.
Неметаллы не похожи друг на друга по физическим свойствам. Так, водород, кислород, азот – газы, кремний, сера, фосфор – твердые вещества. Единственный жидкий неметалл – бром – жидкость коричнево-красного цвета.
Если провести условную линию от химического элемента бора к химическому элементу астату, то в длинном варианте Периодической Системы над линией расположены неметаллические элементы, а под ней – металлические . В коротком варианте Периодической Системы под этой линией расположены неметаллические элементы, а над ней – как металлические, так и неметаллические элементы. Значит, определять, является элемент металлическим или неметаллическим, удобнее по длинному варианту Периодической Системы. Это деление условное, поскольку все элементы так или иначе проявляют как металлические, так и неметаллические свойства, но в большинстве случаев такое распределение соответствует действительности.
Сложные вещества и их классификация
Если в состав простых веществ входят атомы только одного вида, несложно догадаться, что в состав сложных веществ будут входить несколько видов различных атомов, как минимум двух. Примером сложного вещества является вода, ее химическая формула вам известна – Н2О . Молекулы воды состоят из двух видов атомов: водорода и кислорода.
Сложные вещества – вещества, в состав которых входят атомы различных видов
Проведем следующий эксперимент. Смешаем порошки серы и цинка. Поместим смесь на металлический лист и подожжем при помощи деревянной лучины. Смесь загорается и быстро сгорает ярким пламенем. После завершения химической реакции образовалось новое вещество, в состав которого входят атомы серы и цинка. Свойства этого вещества совершенно другие, нежели свойства исходных веществ – серы и цинка.
Сложные вещества принято делить на две группы: неорганические вещества и их производные и органические вещества и их производные. Например, каменная соль – это неорганическое вещество, а крахмал, содержащийся в картофеле – органическое вещество.
Типы строения веществ
По типу частиц, входящих в состав веществ, вещества делят на вещества молекулярного и немолекулярного строения.
В состав вещества могут входить различные структурные частицы, такие как атомы, молекулы, ионы. Следовательно, существует три типа веществ: вещества атомного, ионного и молекулярного строения. Вещества различного типа строения будут иметь различные свойства.
Вещества атомного строения
Примером веществ атомного строения могут быть вещества, образованные элементом углеродом: графит и алмаз . В состав этих веществ входят только атомы углерода, но свойства этих веществ очень сильно отличаются. Графит – хрупкое, легко расслаивающееся вещество серо-черного цвета. Алмаз – прозрачный, один из самых твердых на планете, минерал. Почему вещества, состоящие из одного типа атомов, имеют различные свойства? Все дело в строении этих веществ. Атомы углерода в графите и алмазе соединяются различным способом. Вещества атомного строения имеют высокие температуры кипения и плавления, как правило, нерастворимы в воде, нелетучи.
Кристаллическая решетка – вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла
Вещества молекулярного строения
Вещества молекулярного строения – это практически все жидкости и большинство газообразных веществ. Существуют и кристаллические вещества, в состав кристаллической решетки которых входят молекулы. Вода – вещество молекулярного строения. Лед также имеет молекулярное строение, но в отличие от жидкой воды, имеет кристаллическую решетку, где все молекулы строго упорядочены. Вещества молекулярного строения имеют невысокие температуры кипения и плавления, как правило хрупкие, не проводят электрический ток.
Вещества ионного строения
Вещества ионного строения – это твердые кристаллические вещества. Примером вещества ионного соединения может быть поваренная соль. Ее химическая формула NaCl. Как видим, NaCl состоит из ионов Na+ и Cl⎺, чередующихся в определенных местах (узлах) кристаллической решетки. Вещества ионного строения имеют высокие температуры плавления и кипения, хрупкие, как правило, хорошо растворимы в воде, не проводят электрический ток.
Понятия «атом», «химический элемент» и «простое вещество» не следует смешивать.
- «Атом» – конкретное понятие, так как атомы существуют реально.
- «Химический элемент» – это собирательное, абстрактное понятие; в природе химический элемент существует в виде свободных или химически связанных атомов, то есть простых и сложных веществ.
Названия химических элементов и соответствующих простых веществ совпадают в большинстве случаев.
Когда мы говорим о материале или компоненте смеси – например, колба наполнена газообразным хлором, водный раствор брома, возьмём кусочек фосфора, – мы говорим о простом веществе. Если же мы говорим, что в атоме хлора содержится 17 электронов, вещество содержит фосфор, молекула состоит из двух атомов брома, то имеем в виду химический элемент.
Нужно различать свойства (характеристики) простого вещества (совокупности частиц) и свойства (характеристики) химического элемента (изолированного атома определенного вида), см. таблицу ниже:
Сложные вещества необходимо отличать от смесей , которые тоже состоят из разных элементов.
Количественное соотношение компонентов смеси может быть переменным, а химические соединения имеют постоянный состав.
Например, в стакан чая вы можете внести одну ложку сахара, или несколько, а молекулы сахарозы С12Н22О11 содержит точно 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода.
Таким образом, состав соединений можно описать одной химической формулой, а состав смеси – нет.
Компоненты смеси сохраняют свои физические и химические свойства. Например, если смешать железный порошок с серой, то образуется смесь двух веществ. И сера, и железо в этой смеси сохраняют свои свойства: железо притягивается магнитом, а сера не смачивается водой и плавает по ее поверхности.
Если же сера и железо прореагируют друг с другом, образуется новое соединение с формулой FeS , не имеющее свойств ни железа, ни серы, но обладающее набором собственных свойств. В соединении FeS железо и сера связаны друг с другом, и разделить их методами, которыми разделяют смеси, нельзя.
Таким образом, вещества можно классифицировать по нескольким параметрам:
Выводы из статьи по теме Простые и сложные вещества
- Простые вещества – вещества, в состав которых входят атомы одного вида
- Простые вещества делят на металлы и неметаллы
- Сложные вещества – вещества, в состав которых входят атомы различных видов
- Сложные вещества делят на органические и неорганические
- Существуют вещества атомного, молекулярного и ионного строения, их свойства различны
- Кристаллическая решетка – вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла
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.