Сайт учителя биологии и географии Лотоцкой Е. Г.

Блок 1. Вещество

Атомы и молекулы. Химический элемент. Простые и сложные вещества

Химический элемент – это атомы одного и того же вида. Так, например, все атомы водорода – это элемент водород; все атомы кислорода и ртути – соответственно элементы кислород и ртуть.
В настоящее время известно более 107 видов атомов, то есть более 107 химических элементов. Нужно различать понятия "химический элемент”, "атом” и "простое вещество”
Простые и сложные вещества 

По элементному составу различают простые вещества, состоящие из атомов одного элемента (H₂, O₂,Cl₂, P₄, Na, Cu, Au), и сложные вещества, состоящие из атомов разных элементов (H₂O,NH₃, OF₂, H₂SO₄, MgCl₂,K₂SO₄). 

В настоящее время известно 115 химических элементов, которые образуют около 500 простых веществ.

Сложные вещества часто называют химическими соединениями, например оксид ртути(II) HgO (получается путем соединения атомов простых веществ - ртути Hg и кислорода O2), бромид натрия(получается путем соединения атомов простых веществ - натрия Na и брома Br₂). 
Итак, подытожим вышесказанное. Молекулы вещества бывают двух видов: 
1. Простые – молекулы таких веществ состоят из атомов одного вида. В химических реакциях не могут разлагаться с образованием нескольких более простых веществ. 
2. Сложные – молекулы таких веществ состоят из атомов разного вида. В химических реакциях могут разлагаться с образованием более простых веществ.

Различие понятий "химический элемент” и "простое вещество”

Отличить понятия "химический элемент” и "простое вещество” можно при сравнении свойств простых и сложных веществ. Например, простое вещество – кислород – бесцветный газ, необходимый для дыхания, поддерживающий горение. Мельчайшая частица простого вещества кислорода – молекула, которая состоит из двух атомов. Кислород входит также в состав оксида углерода (угарный газ) и воды. Однако, в состав воды и оксида углерода входит химически связанный кислород, который не обладает свойствами простого вещества, в частности он не может быть использован для дыхания. Рыбы, например, дышат не химически связанным кислородом, входящим в состав молекулы воды, а свободным, растворенным в ней. Поэтому, когда речь идет о составе каких – либо химических соединений, следует понимать, что в эти соединения входят не простые вещества, а атомы определенного вида, то есть соответствующие элементы.

При разложении сложных веществ, атомы могут выделяться в свободном состоянии и соединяясь, образовывать простые вещества. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Различие понятий «химический элемент» и «простое вещество» подтверждается и тем, что один и тот же элемент может образовывать несколько простых веществ. Например, атомы элемента кислорода могут образовать двухатомные молекулы кислорода и трехатомные – озона. Кислород и озон – совершенно различные простые вещества. Этим объясняется тот факт, что простых веществ известно гораздо больше, чем химических элементов.
Пользуясь понятием «химический элемент», можно дать такое определение простым и сложным веществам:
Простыми называют такие вещества, которые состоят из атомов одного химического элемента.
Сложными называют такие вещества, которые состоят из атомов разных химических элементов.

Сравнительная характеристика смесей и химических соединений

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА – соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме большинства органических соединений углерода). Делятся по химическому составу:

Металлы (от лат. metallum – шахта, рудник): группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

1. Металлическая кристаллическая решетка – наличие подвижных электронов

2. Металлический блеск  (неметаллы йод и углерод в виде графита) 

Наиболее хорошо: алюминий, серебро, палладий и родий. 

3. Твёрдое состояние  (кроме ртути ).Обладают различной твёрдостью:  

щелочные металлы режутся  ножом, а  ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло.

Ванадий, вольфрам и хром легко царапают самую твёрдую сталь и стекло. 

4. Пластичность - возможность лёгкой механической обработки.

 Самыми пластичными являются золото, серебро и медь , германий и висмут непластичны.

5. Высокая теплопроводность  и  электропроводимость обусловлена наличием  подвижных электронов.

Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность.

6. Высокая плотность 

Металлы делят на:

1) лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) . Самый лёгкий  литий (плотность 0.53 г/см³). 

2) тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³).  Самые тяжёлые металлы осмий и иридий (около 22.6 г/см³). 

7. Температура плавления  лежит в диапазоне от −39 °C (ртуть) до  3410 °C (вольфрам). 

В РЕАКЦИЯХ  ВСЕГДА  ЯВЛЯЮТСЯ  ВОССТАНОВИТЕЛЯМИ

Атомы металлов легко отдают электроны внешнего (а некоторые – и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы

ВОЗМОЖНЫЕ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ Ме

Низшая 0,+1,+2,+3

Высшая +4,+5,+6,+7,+8

МЕТАЛЛЫ I ГРУППЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ (А) (ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ)

литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций

Мягкие металлы, легко режутся ножом. 

На срезе белого цвета с блеском, исчезающим на воздух

МЕТАЛЛЫ II ГРУППЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ (А)

бериллий, магний, щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий) и радий

АЛЮМИНИЙ И ЭЛЕМЕНТЫ III-A ГРУППЫ

Алюминий - серебристо-белый легкий металл. 

Отличительные особенности алюминия - высокая электропроводимость, теплопроводность, коррозионная стойкость, малая плотность и отличная обрабатываемость давлением в холодном состоянии.

Цинк — элемент побочной подгруппы второй группы (В), четвёртого периода

Хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). 

Медь - тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий.

Железу  присущи все металлические свойства:

• пластичность
• электро- и теплопроводность
• характерный металлический блеск.

Металл обладает магнитными свойствами.

НЕМЕТАЛЛЫ

Из 109 химических элементов 22 неметаллы, расположены в правом верхнем углу ПСХЭ, из них 6 – инертные газы (8A). Элементы с неметаллическими свойствами находятся в IIIA-VIIA - группах Периодической системы:

Особенности атомного строения неметаллов:

1. Небольшой атомный радиус

2. На внешнем уровне 4-8 электронов (исключение водород – 1 электрон, гелий – 2 электрона)

3. Располагаются только в главных подгруппах

4. Характерно высокое значение ЭО

5. Степени окисления от -4 до +8

Химические связь ковалентная неполярная или вещества атомарного строения

АТОМАРНОЕ СОСТОЯНИЕ

Инертные или благородные газы  не образуют молекул и существуют в атомарном состоянии (не образуют решеток)

He –гелий,  Ne-неон ,  Ar-аргон ,  Kr-криптон ,  Xe-ксенон ,   Rn-радон

АТОМНЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ РЕШЁТКИ: алмаз (С) и кремний (Si)

3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ НЕПОЛЯРНАЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА

Многие неметаллы образуют молекулу, состоящую из двух атомов ( H₂ , O₂ ,  N₂ , F₂, Cl₂ , Br₂, I₂), при этом  образуется очень непрочная связь.

При обычной температуре неметаллы могут быть в разном агрегатном состоянии

1. Газообразные - O₂ - кислород ,  H₂ -  водород,  N₂ - азот , Cl₂ - хлор,  F₂ - фтор.

2. Жидкие  -   Br₂ - бром 

3. Твердые –  S –сера,   P-фосфор, I₂ –йод,  C–-алмаз и графит

Многие не проводят электрический ток (кроме графита и кремния).

Не проводят тепло.

В твердом состоянии -  хрупкие

Не имеют металлического блеска (кроме  иода-I₂ , графита-C и кремния Si)

Цвет охватывает все цвета спектра: красный-красный фосфор, желтый –сера, зеленый-хлор, фиолетовый –пары иода.

Температура плавления изменяется в огромном интервале: tпл (N₂)= -210⁰C  , а tпл (Алмаз) =3730⁰С 

АЛЛОТРОПИЯ

Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ называется аллотропией, а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями, или модификациями.

 КИСЛОРОД

Кислород образует две аллотропные модификации  (причина- строение молекулы)

КИСЛОРОД   O₂: Газ без цвета и запаха  Входит в состав воздуха (21% по объему). Не ядовит!

ОЗОН   O₃: Газ бледно-фиолетового цвета с резким запахом свежести. 

Обладает  бактерицидными свойствами, способен удерживать ультрафиолетовые лучи.

СЕРА

Твердое кристаллическое вещество желтого цвета, нерастворима в воде, водой не смачивается (плавает на поверхности), t кип = 445 °С 

Возможные валентности: II, IV, VI. Степени окисления:   -2, 0, +4, +6

У серы можно выделить три аллотропных модификации: кристаллическая(ромбическая),моноклинная и пластическая.

Переход из кристаллической в пластическую происходит при нагревании до температуры кипения при последующем быстром охлаждении.

АЗОТ 

 Азот – газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде. Азот является основной частью воздуха (79% по объѐму). 

ФОСФОР

Образует семь аллотропных модификаций, причиной является строение кристаллической решётки. 

Фосфор белый  P₄( молекулярная кристаллическая  решётка )

Мягкое, бесцветное вещество. В темноте светится. Ядовит!

Фосфор красный  Pn ( атомная кристаллическая решётка) аморфное  

полимерное вещество(порошок).  в темноте не светится, ядовит 

УГЛЕРОД

образует две аллотропные формы (причина – строение кристаллической решётки)

Алмаз: Тетраэдрическая кристаллическая решетка 

Бесцветные кристаллы. Самое твердое вещество в природе .  tпл=3730ºC

Графит: Кристаллическая решетка напоминает соты

Слоистое кристаллическое вещество, жирное на ощупь , непрозрачное ,серого цвета. 

ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА.

Простые вещества состоят из атомов одного ХЭ,  сложные вещества - из атомов двух и более ХЭ.

БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ:

а) галогениды: OF₂,  KBr,  NH₄Cl, BrF₃

б) хальгогениды :  Na₂S, ZnS,  K₂Se, NiSe

в) нитриды: Li₃N, Mg₃N₂,  Si₃N₄

г) карбиды:  Al₄C₃, CaC₂, Fe₃C

д) силициды: Li₄Si, Mg₂Si, ThSi₂

е) гидриды: LiH, CaH₂,  SiH₄

ж) пероксиды. H₂O₂, Na₂O₂, СаO₂

з) надпероксиды: HO₂, КO₂, Ва(O₂)₂

ОКСИДЫ

бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления − 2, в котором сам кислород связан только с менее электроотрицательным элементом. 

В соответствии с номенклатурой ИЮПАК (систематической), оксиды называют словом «оксид», после которого следует наименование химического элемента в родительном падеже, 

например: Na2O — оксид натрия, Al2O3 — оксид алюминия. 

Если элемент имеет переменную степень окисления, то в названии оксида указывается его степень окисления римской цифрой (валентность) в скобках сразу после названия (без пробела). 

Например: Cu₂О — оксид меди(I), CuO — оксид меди(II), FeO — оксид железа(II), Fe₂О₃ — оксид железа(III), Cl₂O₇ — оксид хлора(VII).

Классификация оксидов (по агрегатному состоянию)

Классификация оксидов по составу

НЕСОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ ОКСИДЫ – оксиды неметаллов, не вступающие в реакции солеобразования (отличие от основных, кислотных и амфотерных оксидов), 

например: СО, NO, N₂O «веселящий газ», SiO, S₂O.

СОЛЕОБРАЗУЮЩИМИ называются такие оксиды, которые  взаимодействуют с кислотами или основаниями и образуют при этом соль и воду.

СОЛЕОБРАЗУЮЩИЕ  ДЕЛЯТСЯ НА основные, кислотные, амфотерные.

ОСНÓВНЫЕ ОКСИДЫ  - СООТВЕТСТВУЮТ ОСНОВАНИЯ.

Образованы металлами в низших степенях окисления (+1, +2).Исключение: оксиды бериллия, цинка

КИСЛОТНЫЕ ОКСИДЫ – СООТВЕТСТВУЮТ  КИСЛОТЫ.

Образованы металлами и неметаллами любой степени окисления

( валентность V – VI), степень окисления от +5 до +7

АМФОТЕРНЫЕ ОКСИДЫ – соответствуют  амфотерные гидроксиды (двойственная природа).

Образованы амфотерными металлами  (валентность II – IV): BeO, Cr₂O₃, ZnO, Al₂O₃, Fe₂O₃

ОСНОВАНИЯ 

Вещества, состоящие из атомов металла (NH₄⁻ - иона аммония) и одной или нескольких  гидроксогрупп ОН

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО РАСТВОРИМОСТИ В ВОДЕ (таблица растворимости)

1. Растворимые основания - щелочи: 

гидроксид натрия NaOH, гидроксид кали KOH, гидроксид бария  Ba(OH)₂, гидроксид стронция Sr(OH)₂, гидроксид цезия CsOH, гидроксид рубидия RbOH,гидроксид кальция Ca(OH)₂

2. Нерастворимые основания - все остальные: 

Например: Mg(OH)₂, Ca(OH)₂, Zn(OH)₂, Cu(OH)₂, Al(OH)₃, Fe(OH)₃, Be(OH)₂ .

Другие основания: NH₃·H₂O

Названия гидроксидов составляются из слова «гидроксид» и названия металла в родительном падеже. Если металл образует несколько оснований, то в названиях указывается степень его окисления римской цифрой (валентность) в скобках сразу после названия элемента.

Например: 
NaOH – гидроксид натрия;

Fe(OH)₃ – гидроксид железа (III);

Ca(OH)₂ – гидроксид кальция;

CuOH – гидроксид меди (I).

В русском языке применяются традиционные названия для некоторых важных и часто применяемых соединений.

Например:

 NaOH – едкий натр, каустическая сода;

Ca(OH)₂ – известковая вода (раствор Ca(OH)₂ в воде), гашеная известь, известковое молочко;

KOH – едкое кали;

Ba(OH)₂ – баритовая вода (раствор Ba(OH)₂ в воде) и др.

АМФОТЕРНЫЕ ГИДРОКСИДЫ

Амфотерные гидроксиды образованы элементами с амфотерными свойствами, т. е. проявляют свойства кислот и оснований.

Типичные амфотерные гидроксиды: Be(OH)₂,  Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Cr(OH)₃,  Fe(OH)₃

КИСЛОТЫ

Кислоты состоят из атомов водорода и кислотного остатка.

КЛАССИФИКАЦИЯ КИСЛОТ ПО СОСТАВУ

КЛАССИФИКАЦИЯ КИСЛОТ ПО ЧИСЛУ АТОМОВ ВОДОРОДА

КЛАССИФИКАЦИЯ КИСЛОТ ПО СИЛЕ

CОЛИ

Выделяют несколько групп солей: средние, кислые, основные, комплексные.

Средние соли

Соединения, состоящие из катионов металла (NH₄⁺)  и анионов  кислотных остатков. 
Названия средних солей состоят из двух частей: названия аниона (кислотного остатка) в именительном падеже и катиона в родительном. 

Число катионов и анионов, как правило, не указывается. Если один и тот же металл проявляет различную степень окисления, то её указывают в скобках римской цифрой.

   Например,    CuSO₄ – сульфат меди (II); NaCl – хлорид натрия.

Кислые соли

Названия кислых солей образуются добавлением к аниону приставки гидро-, и, если необходимо, то с соответствующим числительным.

Например, NaHSO₄ – гидросульфат натрия; KH₂PO₄ – дигидрофосфат калия.

Основные соли

Названия основных солей образуются добавлением к аниону приставки гидроксо-, и, если необходимо, то с соответствующим числительным.

Например,    AlOHSO₄ – гидроксосульфат алюминия; Fe(OH)₂Cl – дигидроксохлорид железа (III).

Комплексные соли

Содержат сложный комплексный анион (или реже катион), состоящий из металла-комплексообразователя и нескольких лигандов (отрицательно заряженные ионы или молекулы аммиака или воды).

Например:  Na[Al(OH)₄] – тетрагидроксоалюминат натрия

Тривиальные названия некоторых солей