Простые вещества. Простые и сложные вещества. Номенклатура. Получение и свойства

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.

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.

1. 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.

1. 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.

Органические и неорганические вещества;
> распознавать металлы и неметаллы;
> определять металлические и неметаллические элементы по их расположению в периодической системе Д. И. Менделеева; понять, почему все металлы похожи по свойствам.

Атомы в обычных условиях не могут долго существовать поодиночке. Они способны соединяться с такими же или другими атомами, что обуславливает большое разнообразие в мире веществ.

Вещество, образованное одним химическим элементом, называется простым, а вещество, образованное несколькими элементами, - сложным, или химическим соединением.

Простые вещества

Простые вещества делят на металлы и неметаллы. Такую классификацию простых веществ предложил выдающийся французский ученый A.Л. Лавуазье в конце XVIII в. Химические элементы, от которых происходят металлы, называют металлическими, а те, которые образуют неметаллы, -
неметаллическими. В длинном варианте системы Д. И. Менделеева (форзац II) они разграничены ломаной линией. Металлические элементы находятся слева от нее; их значительно больше, чем неметаллических.

Это интересно

Простые вещества 13 элементов - Au, Ag, Cu, Hg, Pb, Fe, Sn, Pt, S, С, Zn, Sb и As были известны еще в древности.

Каждый из вас может, не задумываясь, назвать несколько металлов (рис. 36). Они отличаются от остальных веществ особым «металлическим» блеском. Эти вещества имеют много общих свойств.

Рис. 36. Металлы

Металлы в обычных условиях являются твердыми веществами (только ртуть - жидкость), хорошо проводят электрическии ток и теплоту, имеют в основном высокие температуры плавления (свыше 500 °С).

Рис. 37. Упрощенная модель внутреннего строения металла

Они пластичны; их можно ковать, вытягивать из них проволоку.

Благодаря своим свойствам металлы уверенно вошли в жизнь людей. Об их огромном значении свидетельствуют названия исторических эпох: медный век, бронзовый1 век, железный век.

Сходство металлов обусловлено их внутренним строением.

Строение металлов. Металлы - кристаллические вещества. Кристаллы в металлах намного мельче, чем кристаллы сахара или поваренной соли, и увидеть их невооруженным глазом невозможно.

Молекула - электронейтральная частица, состоящая из двух или большего числа соединенных атомов.

В каждой молекуле атомы соединены между собой достаточно прочно, а молекулы друг с другом в веществе - очень слабо. Поэтому вещества молекулярного строения имеют невысокие температуры плавления и кипения.

Кислород и озон являются молекулярными веществами. Это простые вещества Оксигена. Молекула кислорода содержит два атома Оксигена, а молекула озона - три (рис. 39).

Рис. 39. Модели молекул

He только Оксиген, но и многие другие элементы образуют по два и более простых веществ. Поэтому простых веществ в несколько раз больше, чем химических элементов .

Названия простых веществ.

Большинство простых веществ называют так, как и соответствующие элементы. Если названия разные, то они приведены в периодической системе, причем название простого вещества расположено ниже названия
элемента (рис. 40).

Назовите простые вещества элементов Гидргена, Лития, Магния, Нитрогена.

1 Термин «молекула» происходит от латинского слова moles (масса), уменьшительного суффикса cula и в переводе означает «маленькая масса».

Названия простых веществ записывают внутри предложения с маленькой буквы.

Рис. 40. Клетка периодической системы

Сложные вещества (химические соединения)

Соединение атомов разных химических элементов порождает множество сложных веществ (их в десятки тысяч раз больше, чем простых).

Существуют сложные вещества с молекулярным, атомным и ионным строением. Поэтому их свойства очень разные.

Молекулярные соединения в основном летучи, нередко имеют запах. Температуры их плавления и кипения значительно ниже, чем соединений с атомным или ионным строением.

Молекулярным веществом является вода. Молекула воды состоит из двух атомов Гидрогена и одного атома Оксигена (рис. 41).

Рис. 41. Модель молекулы воды

Молекулярное строение имеют угарный и углекислый газы , сахар, крахмал, спирт, уксусная кислота и др. Количество атомов в молекулах сложных веществ может быть разным - от двух атомов до сотен и даже тысяч.

Некоторые соединения имеют атомное строение.

Одним из них является минерал кварц, главная составляющая песка. В нем содержатся атомы Силиция и Оксигена (рис. 42).

Рис. 42. Модель соединения атомного строения (кварца)

Существуют также ионные соединения. Это - поваренная соль, мел, сода, известь, гипс и многие другие. Кристаллы поваренной соли состоят из положительно заряженных ионов Натрия и отрицательно заряженных ионов Хлора (рис. 43). Каждый такой ион образуется из соответствующего атома (§ 6).

Рис. 43. Модель ионного соединения (поваренной соли)

Это интересно

В молекулах органических соединений, кроме атомов Карбона, содержатся, как правило, атомы Гидрогена, нередко - атомы Оксигена, иногда - некоторых других элементов.

Взаимное притяжение многих противоположно заряженных ионов обуславливает существование ионных соединений.

Ион, образовавшийся из одного атома, называют простым, а ион, который образовался из нескольких атомов, - сложным.

Положительно заряженные простые ионы существуют для металлических элементов, а отрицательно заряженные - для неметаллических элементов.

Названия сложных веществ.

В учебнике до сих пор приводились технические или бытовые названия сложных веществ. Кроме того, вещества имеют и химические названия. Например, химическое название поваренной соли - натрий хлорид, а мела - кальций карбонат. Каждое такое название состоит из двух слов. Первым словом является название одного из элементов, которыми образовано вещество (оно пишется с маленькой буквы), а второе происходит от названия другого элемента.

Органические и неорганические вещества.

Раньше органическими веществами называли те вещества, которые содержатся в живых организмах. Это белки, жиры, сахар, крахмал, витамины , соединения, придающие цвет, запах, вкус овощам и фруктам, и др. Co временем ученые начали получать в лабораториях подобные по составу и свойствам вещества, которых нет в природе. Сейчас органическими веществами называют соединения Карбона (за исключением угарного и углекислого газов, мела, соды, некоторых других).

Большинство органических соединений способны гореть, а при нагревании в отсутствие воздуха обугливаются (уголь почти полностью состоит из атомов Карбона).

К неорганическим веществам принадлежат остальные сложные вещества, а также все простые. Они составляют основу минерального мира, т. е. содержатся в почве, минералах, горных породах, воздухе, природной воде. Кроме того, неорганические вещества есть и в живых организмах.

Материал параграфа обобщен в схеме 6.

Лабораторный опыт № 2

Ознакомление с веществами различных типов

Вам выданы такие вещества (вариант укажет учитель):

вариант I - сахар, кальций карбонат (мел), графит, медь;
вариант II - парафин, алюминий, сера, натрий хлорид (поваренная соль).

Вещества находятся в банках с этикетками.

Внимательно рассмотрите вещества, обратите внимание на их названия. Определите среди них простые (металлы, неметаллы) и сложные вещества, а также органические и неорганические.

Внесите в таблицу название каждого вещества и укажите его тип, записав в соответствующих столбцах знак «+».

Выводы

Вещества бывают простыми и сложными, органическими и неорганическими.

Простые вещества делят на металлы и неметаллы, а химические элементы - на металлические и неметаллические.

Металлы имеют немало общих свойств благодаря сходству их внутреннего строения.

Неметаллы состоят из атомов или молекул и по своим свойствам отличаются от металлов.

Сложные вещества (химические соединения) имеют атомное, молекулярное или ионное строение.

Почти все соединения Карбона принадлежат к органическим веществам, а остальные соединения и простые вещества - к неорганическим веществам.

?
56. Какое вещество называют простым, а какое - сложным? Какие ти­пы простых веществ существуют и как называют соответствующие элементы?

57. По каким физическим свойствам металл можно отличить от неметалла?

58. Дайте определение молекулы. Чем отличается молекула простого вещества от молекулы сложного вещества?
59. Заполните пропуски, вставив в соответствующих падежах слова «Нитроген» или «азот», и объясните свой выбор:
а) ... - газ, которого в воздухе содержится наибольшее количество;
б) молекула... состоит из двух атомов...;
в) соединения... попадают в растения из почвы;
г)... плохо растворяется в воде.

60. Заполните пропуски, вставив слова «элемент», «атом» или «молекула» в соответствующем падеже и числе:
а)... белого фосфора содержит четыре... Фосфора;
б) в воздухе есть... углекислого газа;
в) золото - простое вещество... Аурума.

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.

Окружающий мир материален. Материя бывает двух видов: вещество и поле. Объект химии – вещество (в том числе и влияние на вещество различных полей – звуковых, магнитных, электромагнитных и др.)

Вещество - все, что имеет массу покоя (т.е. характеризуется наличием массы тогда, когда не движется) . Так, хотя масса покоя одного электрона (масса не движущегося электрона) очень мала – около 10 -27 г, но даже один электрон – это вещество.

Вещество бывает в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Есть еще одно состояние вещества – плазма (например, плазма есть в грозовой и шаровой молнии), но в школьном курсе химию плазмы почти не рассматривают.

Вещества могут быть чистыми, очень чистыми (нужными, например, для создания волоконной оптики), могут содержать заметные количества примесей, могут быть смесями.

Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Вещества, состоящие из атомов одного вида (из атомов одного элемента), называют простыми (например, древесный уголь, кислород, азот, серебро и др.). Вещества, которые содержат связанные между собой атомы разных элементов, называют сложными.

Если в веществе (например, в воздухе) присутствуют два или большее число простых веществ, и их атомы не связаны между собой, то его называют не сложным, а смесью простых веществ. Число простых веществ сравнительно невелико (около пятисот), а число сложных веществ огромно. К настоящему времени известны десятки миллионов разных сложных веществ.

Химические превращения

Вещества способны вступать между собой во взаимодействие, причем возникают новые вещества. Такие превращения называют химическими . Например, простое вещество уголь взаимодействует (химики говорят – реагирует) с другим простым веществом – кислородом, в результате образуется сложное вещество – углекислый газ, в котором атомы углерода и кислорода связаны между собой. Такие превращения одних веществ в другие называют химическими. Химические превращения – это химические реакции. Так, при нагревании сахара на воздухе сложное сладкое вещество – сахароза (из которого состоит сахар) – превращается в простое вещество – уголь и сложное вещество – воду.

Химия изучает превращения одних веществ в другие. Задача химии – выяснить, с какими именно веществами может при данных условиях взаимодействовать (реагировать) то или иное вещество, что при этом образуется. Кроме того, важно выяснить, при каких именно условиях может протекать то или иное превращение и можно получить нужное вещество.

Физические свойства веществ

Каждое вещество характеризуется совокупностью физических и химических свойств. Физические свойства – это свойства, которые можно охарактеризовать с помощью физических приборов . Например, с помощью термометра можно определить температуру плавления и кипения воды. Физическими методами можно охарактеризовать способность вещества проводить электрический ток, определить плотность вещества, его твердость и т.д. При физических процессах вещества остаются неизменными по составу.

Физические свойства веществ подразделяют на счислимые (те, которые можно охарактеризовать с помощью тех или иных физических приборов числом, например, указанием плотности, температур плавления и кипения, растворимости в воде и др.) и несчислимые (те, которые охарактеризовать числом нельзя или очень трудно – такие, как цвет, запах, вкус и др.).

Химические свойства веществ

Химические свойства вещества – это совокупность сведений о том, с какими другими веществами и при каких условиях вступает в химические взаимодействия данное вещество . Важнейшая задача химии – выявление химических свойств веществ.

В химических превращениях участвуют мельчайшие частицы веществ – атомы. При химических превращениях из одних веществ образуются другие вещества, и исходные вещества исчезают, а вместо них образуются новые вещества (продукты реакции). А атомы при всех химических превращениях сохраняются . Происходит их перегруппировка, при химических превращениях старые связи между атомами разрушаются и возникают новые связи.

Химический элемент

Число различных веществ огромно (и у каждого из них своя совокупность физических и химических свойств). Атомов, отличающихся друг от друга по важнейшим характеристикам, в окружающем нас материальном мире сравнительно невелико – около ста. Каждому виду атомов отвечает свой химический элемент. Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковыми или близкими характеристиками . В природе встречается около 90 различных химических элементов. К настоящему времени физики научились создавать новые, отсутствующие на Земле виды атомов. Такие атомы (и, соответственно, такие химические элементы) называют искусственными (по-английски – man-made elements). Искусственно полученных элементов к настоящему времени синтезировано более двух десятков.

Каждый элемент имеет латинское название и одно- или двух-буквенный символ. В русскоязычной химической литературе нет четких правил произношения символов химических элементов. Одни произносят так: называют элемент по-русски (символы натрия, магния и др.), другие – по латинским буквам (символы углерода, фосфора, серы), третьи – как звучит название элемента по-латыни (железо, серебро, золото, ртуть). Символ элемента водорода Н у нас принято произносить так, как эту букву произносят по-французски.

Сравнение важнейших характеристик химических элементов и простых веществ приведено в таблице ниже. Одному элементу может отвечать несколько простых веществ (явление аллотропии: углерод, кислород и др.), а может – и одно (аргон и др. инертные газы).