Какие простые и какие сложные вещества содержатся в воздухе

§1.3 Атомы и молекулы. Чистые вещества и смеси. Простые и сложные вещества.

Люди давно догадывались о том, что вещества состоят из отдельных мельчайших частиц. Их называют атомами. В подавляющем большинстве случаев атомы не существуют по одиночке, а объединяются в группы — молекулы. Атомы и молекулы чрезвычайно малы: в любом крошечном кусочке вещества, который мы в состоянии разглядеть (например, в пылинке) содержится больше атомов, чем звезд во всей нашей Галактике.

По сравнению с многообразием веществ число атомов весьма ограничено. Атомы могут различным образом соединяться друг с другом. Как из букв алфавита можно составить сотни тысяч слов, так из одних и тех же атомов образуются молекулы или кристаллы огромного количества различных веществ, из которых состоит окружающий мир.

Молекула — это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная к самостоятельному существованию. Молекулы построены из атомов.

Вещество (например, сахар) можно размолоть на самой тонкой мельнице и все равно каждая крупинка будет состоять из огромного количества одинаковых молекул сахара и сохранит все известные нам свойства этого вещества. Даже если раздробить вещество на отдельные молекулы, как это происходит при растворении сахара в воде, то вещество продолжает существовать и проявлять свои свойства (в этом легко убедиться, попробовав раствор на вкус). Значит, самостоятельно существующая молекула сахара — это еще вещество под названием «сахар» (пусть даже очень маленькое количество этого вещества). Но если продолжить дробление дальше, то придется разрушить молекулы. А разрушив молекулы или даже отняв у них по паре атомов (из трех десятков, составляющих молекулу сахара!), мы уже разрушаем само вещество. Конечно, атомы никуда не исчезают — они начинают входить в состав каких-то других молекул. Но сахар как вещество при этом перестает существовать — он превращается в какие-то другие вещества.

Вещества не вечны, потому что не вечны их молекулы. Зато атомы практически вечны. В каждом из нас найдутся атомы, существовавшие еще во времена динозавров. Или участвовавших в походах Александра Македонского, или в плавании Колумба, или побывавших при дворе Ивана Грозного.

Несмотря на то, что молекулы очень малы, их устройство можно выяснить различными физическими и химическими методами. Чистое вещество состоит из молекул одного вида. Если физическое тело содержит молекулы нескольких видов, то мы имеем дело со смесью веществ. Понятия «чистый» в химии и в быту неодинаковы. Например, когда мы говорим: — «Какой чистый воздух!» — то на самом деле вдыхаем сложную смесь нескольких газообразных веществ. Химик скажет о лесном воздухе: «Нужно серьезно поработать, чтобы выделить из этой смеси чистые вещества». Интересно, что в атмосфере любого из них по отдельности человек существовать бы не смог. В таблице 1-1 приведено соотношение этих газообразных веществ в свежем лесном воздухе.

Таблица 1-1. Состав атмосферного воздуха в сосновом лесу.

В таблице 1-1 азот, кислород, аргон и т.д. — это отдельные вещества. Вещество азот состоит из молекул азота, всем известное вещество вода — из молекул воды, терпинеол состоит из молекул терпинеола. Молекулы веществ могут быть очень разными — от простейших, состоящих из двух-трех атомов (азот, кислород, озон, углекислый газ) — до молекул, состоящих из многих атомов (такие молекулы встречаются в живых организмах). Например, терпинеол, который образуется в хвойных деревьях и придает воздуху запах свежести.

Это означает, что веществ, как и видов молекул, может быть бесконечное множество. Никто не может назвать точное число веществ, известных людям сегодня. Можно лишь ориентировочно сказать, что таких веществ — более семи миллионов.

Атомы в молекулах разных веществ связаны друг с другом в строго определенном порядке, установление которого — одно из самых интересных занятий в работе химика. Устройство и состав молекул можно описывать разными способами, например так, как это сделано на рис. 1-1, где атомы имеют вид шариков. Размеры шариков имеют физический смысл и примерно соответствуют относительным размерам атомов. Те же самые вещества могут быть изображены иначе — с помощью химических символов. Издавна за каждым видом атомов в химии закреплен символ из латинских букв. В таблице 1-2 приведены символические записи веществ, изображенных на рис. 1-1. Такие символические записи называются химическими формулами.

Таблица 1-2. Химические формулы веществ из рис. 1-1. Цифра ниже символа показывает, сколько атомов данного вида содержится в молекуле. Эта цифра называется индексом. По традиции индекс «1» никогда не пишут. Например, вместо С

1О2 пишут просто: СО2.

Рис. 1-1. Модели молекул и названия веществ, входящих в состав лесного воздуха: 1 — азот, 2 — кислород, 3 — аргон, 4 — углекислый газ, 5 — вода, 6 — озон, 7 — терпинеол (последние два вещества находятся в воздухе в следовых количествах).

Существует условное деление веществ на простые и сложные. Молекулы простых веществ состоят из атомов одного вида. Примеры: азот, кислород, аргон, озон. Молекулы сложных веществ составлены из атомов двух и более видов: углекислый газ, вода, терпинеол.

Часто физическое тело состоит из молекул нескольких разных веществ. Такое физическое тело называется смесью. Например, воздух — смесь нескольких простых и сложных веществ. Не нужно путать сложное вещество со смесью. Сложное вещество, если оно состоит из молекул только одного вида, смесью не является.

Простое вещество состоит из атомов только одного вида или из молекул, построенных из атомов одного вида.

Сложное вещество состоит из молекул, построенных из атомов разных видов.

Смесью называется вещество, состоящее из молекул (или атомов) двух или нескольких веществ. Вещества, составляющие смесь, могут быть простыми и сложными

.

На Земле пока никто не смог написать такой книги, в которой были бы описаны абсолютно все известные человечеству вещества — от «а» до «я». Впрочем, в этом нет особой необходимости. Чтобы знать химию, не нужно заучивать названия или сведения об огромном количестве веществ — достаточно знать законы, по которым они образуются и взаимодействуют с другими веществами.

Посмотрите простой опыт из «Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов», с помощью которого можно приблизительно определить состав воздуха. Опыт легко проделать даже в домашних условиях.

Задачи.

1.7. Представьте, что у вас в руках волшебная палочка и вы превращаете: а) камень в песок; б) кислород в озон; в) лед в пар. В каком случае вы проводите химические превращения?

1.8. Найдите простые вещества среди перечисленных веществ: воздух, вода, озон, мед, морская вода, кислород, азот.

1.9. Из перечисленных веществ два являются смесями. Найдите их: а) кислород, б) озон, в) вода в реке, г) вода в облаке, д) поваренная соль, е) воздух, ж) сахар.

• В следующий параграф.

_________________

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: водород H2, кислород O2, азот N2, фтор F2, хлор Cl2, бром Br2, йод I2. 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 металлы (железо Fe, медь Сu, натрий Na и т. д.) и некоторые неметаллы (углерод С, кремний Si и др.). Не только названия, но и формулы этих простых веществ совпадают с символами элементов.

Существует также группа простых веществ, которые называются благородными газами. 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 О2 и имеет такое же название, как и элемент— кислород. Другое простое вещество состоит из трехатомных молекул О3 и имеет собственное название — озон.

Кислород О2 и озон О3 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, Н2O, NaCl, СО2, H2SO4 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 Cl2.

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 О2 (21 % по объему), азота N2 (78%), углекислого газа СО2 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:

1. В смесях свойства отдельных веществ (компонентов) сохраняются.
2. Состав смесей не является постоянным.