Какие свойства могут характеризовать простое вещество
Все химические элементы разделяют на металлы и неметаллы в зависимости от строения и свойств их атомов. Также на
металлы и неметаллы классифицируют образуемые элементами простые вещества, исходя из их физических и химических свойств.
В Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева неметаллы расположены по диагонали: бор – астат и над ней в главных подгруппах.
Для атомов металлов характерны сравнительно большие радиусы и небольшое число электронов на внешнем уровне от 1 до 3 (исключение: германий, олово свинец – 4;
сурьма и висмут — 5; полоний — 6 электронов).
Атомам неметаллов, наоборот, свойственны небольшие радиусы атомов и число электронов на внешнем уровне от 4 до 8 (исключение бор, у него таких электронов –
три).
Отсюда стремление атомов металлов к отдаче внешних электронов, т.е. восстановительные свойства, а для атомов неметаллов – стремление к приему недостающих до
устойчивого восьмиэлектронного уровня электронов, т.е. окислительные свойства.
В металлах – металлическая связь и металлическая кристаллическая решетка. В узлах решетки находятся положительно заряженные ионы металлов, связанные
посредством обобществленных внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу.
Это обуславливает все важнейшие физические свойства металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность (способность изменять форму под
внешним воздействием) и некоторые другие, характерные для этого класса простых веществ.
Металлы I группы главной подгруппы называют щелочными металлами.
Металлы II группы: кальций, стронций, барий – щелочноземельными.
В химических реакциях металлы проявляют только восстановительные свойства, т.е. их атомы отдают электроны, образуя в результате положительные
ионы.
1. Взаимодействуют с неметаллами:
а) кислородом (с образованием оксидов)
Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются легко при обычных условиях, поэтому их хранят под слоем вазелинового масла или керосина.
4Li + O2 = 2Li2O
2Ca + O2 = 2CaO
Обратите внимание: при взаимодействии натрия – образуется пероксид, калия — надпероксид
2Na + O2 = Na2O2, К + О2 = КО2
а оксиды получают прокаливанием пероксида с соответствующими металлом:
2Na + Na2O2 = 2Na2O
Железо, цинк, медь и другие менее активные металлы медленно окисляются на воздухе и активно при нагревании.
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (смесь двух оксидов: FeO и Fe2O3)
2Zn + O2 = 2ZnO
2Cu + O2 = 2CuO
Золото и платиновые металлы не окисляются кислородом воздуха ни при каких условиях.
б) водородом (с образованием гидридов)
2Na + H2 = 2NaH
Ca + H2 = CaH2
в) хлором (с образованием хлоридов)
2K + Cl2 = 2KCl
Mg + Cl2 = MgCl2
2Al + 3Cl2 =2AlCl3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется хлорид железа (III):
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
г) серой (с образованием сульфидов)
2Na + S = Na2S
Hg + S = HgS
2Al + 3S = Al2S3
Обратите внимание: при взаимодействии железа образуется сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
д) азотом (с образованием нитридов)
6K + N2 = 2K3N
3Mg + N2 = Mg3N2
2Al + N2 = 2AlN
2. Взаимодействуют со сложными веществами:
Необходимо помнить, что по восстановительной способности металлы расположены в ряд, который называют электрохимическим рядом напряжений или активности
металлов (вытеснительный ряд Бекетова Н.Н.):
Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, (H2), Cu, Hg, Ag, Au, Pt
а) водой
Металлы, расположенные в ряду до магния, при обычных условиях вытесняют водород из воды, образуя растворимые основания – щелочи.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Ba + H2O = Ba(OH) 2 + H2↑
Магний взаимодействует с водой при кипячении.
Mg + 2H2O = Mg(OH) 2 + H2↑
Алюминий при удалении оксидной пленки бурно реагирует с водой.
2Al + 6H2O = 2Al(OH) 3 + 3H2↑
Остальные металлы, стоящие в ряду до водорода, при определенных условиях тоже могут вступать в реакцию с водой с выделением водорода и образованием
оксидов.
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
б) растворами кислот
(Кроме концентрированной серной кислоты и азотной кислоты любой концентрации. См. раздел «Окислительно-восстановительные реакции».)
Обратите внимание: не используют для проведения реакций нерастворимую кремниевую кислоту
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Металлы, стоящие в ряду от магния до водорода, вытесняют водород из кислот.
Mg + 2HCl = MgCl2 + H2↑
Обратите внимание: образуются соли двухвалентного железа.
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑
Образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции. Например, свинец практически не реагирует с раствором серной кислоты из-за образования на
поверхности нерастворимого сульфата свинца.
Металлы, стоящие в ряду после водорода, НЕ вытесняют водород.
в) растворами солей
Металлы, стоящие в ряду до магния и активно реагирующие с водой, не используют для проведения таких реакций.
Для остальных металлов выполняется правило:
Каждый металл вытесняет из растворов солей другие металлы, расположенные в ряду правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее
него.
Cu + HgCl2 = Hg + CuCl2
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
Как и в случае с растворами кислот, образование нерастворимой соли препятствует протеканию реакции.
г) растворами щелочей
Взаимодействуют металлы, гидроксиды которых амфотерны.
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [Zn(OH) 4] + H2↑
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH) 4] + 3H2↑
д) с органическими веществами
Щелочные металлы со спиртами и фенолом.
2C2H5OH + 2Na = 2C2H5ONa + H2↑
2C6H5OH + 2Na = 2C6H5ONa + H2↑
Металлы участвуют в реакциях с галогеналканами, которые используют для получения низших циклоалканов и для синтезов, в ходе которых происходит усложнение
углеродного скелета молекулы (реакция А.Вюрца):
CH2Cl-CH2-CH2Cl + Zn = C3H6(циклопропан) + ZnCl2
2CH2Cl + 2Na = C2H6(этан) + 2NaCl
В простых веществах атомы неметаллов связаны ковалентной неполярной связью. При этом образуются одинарные (в молекулах H2, F2,
Cl2, Br2, I2), двойные (в молекулах О2), тройные (в молекулах N2) ковалентные связи.
1. молекулярное
При обычных условиях большинство таких веществ представляют собой газы (Н2, N2, O2, O3, F2,
Cl2) или твердые вещества (I2, P4, S8) и лишь единственный бром (Br2) является жидкостью. Все эти вещества молекулярного строения, поэтому
летучи. В твердом состоянии они легкоплавки из-за слабого межмолекулярного взаимодействия, удерживающего их молекулы в кристалле, и способны к возгонке.
2. атомное
Эти вещества образованы кристаллами, в узлах которых находятся атомы: (Bn, Сn, Sin, Gen, Sen, Ten). Из-за большой прочности ковалентных связей они, как правило, имеют высокую твердость, и любые изменения, связанные с разрушением
ковалентной связи в их кристаллах (плавление, испарение), совершаются с большой затратой энергии. Многие такие вещества имеют высокие температуры плавления и кипения, а летучесть их весьма
мала.
Многие элементы – неметаллы образуют несколько простых веществ – аллотропных модификаций. Аллотропия может быть связана с разным составом молекул: кислород
О2 и озон О3 и с разным строением кристаллов: аллотропными модификациями углерода являются графит, алмаз, карбин, фуллерен. Элементы – неметаллы, имеющие аллотропные
модификации: углерод, кремний, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур.
У атомов неметаллов преобладают окислительные свойства, то есть способность присоединять электроны. Эту способность характеризует значение
электроотрицательности. В ряду неметаллов
At, B, Te, H, As, I, Si, P, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F
электроотрицательность возрастает и усиливаются окислительные свойства.
Отсюда следует, что для простых веществ – неметаллов будут характерны как окислительные, так и восстановительные свойства, за исключением фтора – самого
сильного окислителя.
1. Окислительные свойства
а) в реакциях с металлами (металлы всегда восстановители)
2Na + S = Na2S (сульфид натрия)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитрид магния)
б) в реакциях с неметаллами, расположенными левее данного, то есть с меньшим значением электроотрицательности. Например, при взаимодействии фосфора и серы
окислителем будет сера, так как фосфор имеет меньшее значение электроотрицательности:
2P + 5S = P2S5 (сульфид фосфора V)
Большинство неметаллов будут окислителями в реакциях с водородом:
H2 + S = H2S
H2 + Cl2 = 2HCl
3H2 + N2 = 2NH3
в) в реакциях с некоторыми сложными веществами
Окислитель – кислород, реакции горения
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
2SO2 + O2 = 2SO3
Окислитель – хлор
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
2KI + Cl2 = 2KCl + I2
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
Ch2=CH2 + Br2 = CH2Br-CH2Br
2. Восстановительные свойства
а) в реакциях с фтором
S + 3F2 = SF6
H2 + F2 = 2HF
Si + 2F2 = SiF4
б) в реакциях с кислородом (кроме фтора)
S + O2 = SO2
N2 + O2 = 2NO
4P + 5O2 = 2P2O5
C + O2 = CO2
в) в реакциях со сложными веществами – окислителями
H2 + CuO = Cu + H2O
6P + 5KClO3 = 5KCl + 3P2O5
C + 4HNO3 = CO2 + 4NO2 + 2H2O
H2C=O + H2 = CH3OH
3. Реакции диспропорционирования: один и тот же неметалл является и окислителем и восстановителем
Cl2 + H2O = HCl + HClO
3Cl2 + 6KOH = 5KCl + KClO3 + 3H2O
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 О2 или вещество кислород – прозрачного цвета, без запаха и вкуса. Если же объединятся три атома, то получится озон или О3 – 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 (F2) 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.
Просты́е вещества́ — химические вещества, состоящие исключительно из атомов одного химического элемента (из гомоядерных молекул)[1][2], в отличие от сложных веществ. Являются формой существования химических элементов в свободном виде[1][3]; или, иначе говоря, химические элементы, не связанные химически ни с каким другим элементом, образуют простые вещества[3]. Известно свыше 400 разновидностей простых веществ[2].
В зависимости от типа химической связи между атомами простые вещества могут быть металлами (Na, Mg, Al, Bi и др.) и неметаллами (H2, N2, Br2, Si и др.)[2].
Примеры простых веществ: молекулярные (O2, O3, H2, Cl2) и атомарные (He, Ar) газы; различные формы углерода, иод (I2), металлы (не в виде сплавов).
Аллотропные модификации[править | править код]
Один и тот же химический элемент зачастую может образовывать несколько типов простых веществ (аллотропия), называемых аллотропными модификациями. Явление аллотропии может быть обусловлено либо различным составом молекул данного элемента (аллотропия состава), либо различным строением молекул и способом размещения молекул (атомов) в кристаллах (аллотропия формы). Способность элемента к образованию соответствующих аллотропных модификаций обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов[2].
Различные аллотропные модификации могут переходить друг в друга. Для данного химического элемента его аллотропные модификации всегда различаются по физическим свойствам и химической активности (например, озон активнее кислорода, температура плавления алмаза больше, чем фуллерена)[4].
Агрегатное состояние[править | править код]
При нормальных условиях соответствующие простые вещества для 11 элементов являются газами (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn), для 2 — жидкостями (Br, Hg), для остальных элементов — твёрдыми телами.
При комнатной температуре (либо близкой к ней) 5 металлов находятся в жидком либо полужидком состоянии, так как их температура плавления близка к комнатной:
- Ртуть (−39 °C)
- Франций (27 °C)
- Цезий (28 °C)
- Галлий (30 °C)
- Рубидий (39 °C)
Отношение понятий[править | править код]
Понятия «атом», «химический элемент» и «простое вещество» имеют каждый своё индивидуальное смысловое значение. Применение этих понятий возможно только в учебных целях. В научной и практической работе эта информация крайне недостаточна.
В таблице приведена классификация материальных объектов, в части масса-габаритных размеров и их вероятные соответствующие характеристики, см. таблицу ниже[4]:
Широта и правильность применения этих понятий базируется на знании русского языка и предмета Вашего изучения.
См. также[править | править код]
- Сложные вещества
Примечания[править | править код]
- ↑ 1 2 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1987. — Т. 1. — С. 361. — 623 с. — 100 000 экз.
- ↑ 1 2 3 4 Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 4 изд., испр. — М.: Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — С. 253-269. — 743 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-06-003363-5, ISBN 5-7695-0704-7.
- ↑ 1 2 Глинка Н. Л. Общая химия. — 24 изд., испр. — Л.: Химия, 1985. — С. 18-19. — 702 с.
- ↑ 1 2 Врублевский А. И. Химия: базовый школьный курс. — Мн.: Юнипресс, 2009. — С. 11-12. — 576 с. — 3100 экз. — ISBN 978-985-507-813-6.
Литература[править | править код]
- Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — 4 изд., испр. — М.: Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — 743 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-06-003363-5, ISBN 5-7695-0704-7.
- Врублевский А. И. Химия: базовый школьный курс. — Мн.: Юнипресс, 2009. — 576 с. — 3 100 экз. — ISBN 978-985-507-813-6.
Ссылки[править | править код]
- Простые и сложные вещества. Аллотропия