Вещества простые и сложные. Химические элементы. Аллотропия. Химические соединения и смеси
Об атомах и химических элементах
Другого ничего в природе нет
ни здесь, ни там, в космических глубинах:
все - от песчинок малых до планет -
из элементов состоит единых.
С. П. Щипачев, «Читая Менделеева».
В химии кроме терминов “атом” и “молекула” часто употребляется понятие “элемент” . Что общего и чем эти понятия различаются?
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 (H 2 , O 2 ,Cl 2 , P 4 , Na, Cu, Au), и сложные вещества , состоящие из атомов разных элементов (H 2 O,NH 3 , OF 2 , H 2 SO 4 , MgCl 2 ,K 2 SO 4).
В настоящее
время известно 115 химических элементов, которые образуют около 500простых
веществ.
Самородное золото - простое вещество.
Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией .Например, элемент кислород O имеет две аллотропные формы - дикислород O 2 и озон O 3 с различным числом атомов в молекулах.
Аллотропные формы элемента углерод C - алмаз и графит - отличаются строение их кристаллов.Существуют и другие причины аллотропии.
химическими соединениями , например оксид ртути(II) HgO (получается путем соединения атомов простых веществ - ртути Hg и кислорода O 2), бромид натрия(получается путем соединения атомов простых веществ - натрия Na и брома Br 2).
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 всостав 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.
Отличие понятий «смесь» и «химическое соединение»
Сложные вещества часто называют химическими соединениями.
Попробуйте ответить на вопросы:
1.Чем отличаются по составу смеси от химических соединений?
2. Сопоставьте свойства смесей и химических соединений?
3. Какими способами можно разделить на составляющие компоненты смеси и химического соединения?
4. Можно ли судить по внешним признакам об образовании смеси и химического соединения?
Сравнительная характеристика смесей и химических
|
Вопросы для сопоставления смесей с химическими соединениями |
Сопоставление |
|
|
Смеси |
||
|
Чем отличаются по составу смеси от химических соединений? |
Вещества можно смешивать в любых соотношениях, т.е. состав смесей переменный |
Состав химических соединений постоянный. |
|
Сопоставьте свойства смесей и химических соединений? |
Вещества в составе смесей сохраняют свои свойства |
Вещества, образующие соединения, свои свойства не сохраняют, так как образуется химическое соединений с другими свойствами |
|
Какими способами можно разделить на составляющие компоненты смеси и химического соединения? |
Вещества можно разделить физическими способами |
Химические соединения можно разложить только с помощью химических реакций |
|
Можно ли судить по внешним признакам об образовании смеси и химического соединения? |
Механическое смешивание не сопровождается выделением теплоты или другими признаками химических реакций |
Об образовании химического соединения можно судить по признакам химических реакций |
Задания для закрепления
I. Поработайте с тренажёрами
II. Решите задание
NaCl, H 2 SO 4 , K, S 8 , CO 2 , O 3 , H 3 PO 4 , N 2 , Fe.
Объясните ваш выбор, в каждом из случаев.
III. Ответьте на вопросы
№1
Сколько
простых веществ записано в ряду формул:
H 2 O, N 2 , O 3 , HNO 3 , P 2 O 5 ,
S, Fe, CO 2 , KOH.
№2
К
сложным относятся оба вещества:
А) С (уголь) и S (сера);
Б) CO 2 (углекислый газ)и H 2 O (вода);
В) Fe (железо) и CH 4 (метан);
Г) H 2 SO 4 (серная кислота) и H 2 (водород).
№3
Выберите
правильное утверждение:
Простые вещества состоят из атомов одного вида.
А) Верно
Б) Неверно
№4
Для
смесей характерно то, что
А) Они имеют постоянный состав;
Б) Вещества в составе "смеси" не сохраняют свои индивидуальные
свойства;
В) Вещества в "смесях" можно разделить физическими свойствами;
Г) Вещества в "смесях" можно разделить при помощи химической реакции.
№5
Для
"химических соединений" характерно следующее:
А) Переменный состав;
Б) Вещества, в составе "химического соединения"можно разделить
физическими способами;
В) Об образовании химического соединения можно судить по признакам химических
реакций;
Г) Постоянный состав.
№6
В каком
случае идёт речь о железе
как о химическом элементе
?
А) Железо - это металл, который притягивается магнитом;
Б) Железо входит с состав ржавчины;
В) Для железа характерен металлический блеск;
Г) В состав сульфида железа входит один атом железа.
№7
В каком
случае идёт речь о кислороде как о простом веществе?
А) Кислород - это газ, поддерживает дыхание и горение;
Б) Рыбы дышат кислородом, растворённым в воде;
В) Атом кислород входит в состав молекулы воды;
Г) Кислород входит в состав воздуха.
Билет 1:
Химия - это наука о веществах,их строении и свойствах, а также превращении одних веществ в другие. Химический элемент -это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра. Химический элемент существует в виде трех форм: 1) одиночный атом; 2) простые вещества;3) сложные вещества или химические соединения. Вещества,образованные одним химическим элементом,называются простыми. Вещества,образованные несколькими химическими элементами,называются сложными
Билет 2:
Жизнь человека зависит от химии - процессы расщепления еды в организме - это сплошная химическая реакция. Ну и всё, что мы носим, в чем ездим, на что смотрим так или иначе проходит через определенные этапы химической обработки - будь то покраска, изготовление сплавов разных и прочего. Химия играет большую роль промышленности. Как тяжелой, так и легкой. Например: без химии человек бы не смог получить лекарства и некоторые пищевые продукты неприродного происхождения (уксус). По большому счету - химия внутри и вокруг нас. Химическая промышленность - одна из наиболее бурно развивающихся отраслей. Она относится к отраслям, составляющим базу современного научно-технического прогресса (пластмасс, химические волокна, красители, фармацевтические препараты, моющие и косметические средства). В результате хозяйственной деятельности человека изменяется газовый состав и запыленность нижних слоев атмосферы. В результате это может вызвать эффект отдаленного влияния на человека: хронические воспалительные заболевания различных органов, изменения нервной системы, действие на внутриутробное развитие плода, приводящее к различным отклонениям у новорожденных. Экологические проблемы возможно решить лишь при стабилизации экономического положения и создании такого экономического механизма природопользования, когда плата за загрязнение окружающей среды будет соответствовать затратам на ее полную очистку.
Билет 3:
Наиболее известные:
Дмитрий Иванович Менделеев конечно же, со своей известной переодической системой химических элементов.
КУЧЕРОВ МИХАИЛ ГРИГОРЬЕВИЧ - русский химик-органик, открыл реакцию каталитической гидратации ацетиленовых УВ с образованием карбонилсодержащих соединений, в частности, превращение ацетилена в уксусный альдегид в присутствии солей ртути.
КОНОВАЛОВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ - русский химик-органик, открыл нитрующее действие слабого раствора азотной кислоты на предельные УВ, разработал методы выделения и очистки нафтенов.
ЛЕБЕДЕВ СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - русский химик, впервые получил образец синтетичесого бутадиенового каучука, получил синтетический каучук полимеризацией бутадиена под действием металлического натрия. Благодаря Лебедеву с 1932 г в нашей стране начала создаваться отечественная промышленность синтетического каучука.
Билет 4: Тип элемента, какой элемент, информация о нем (кол-во электроных слоёв, кол-во электронов на внешнем уровне, степень оисления, кол-во протонов/нейтронов/электронов, относительная масса, группа элемента, конфигурация внешнего слоя) , реакция - взаимодействие элементов, веществ, формулы - вещества и классы веществ.
Билет 5: Атом состоит из атомного ядра и частиц (электронов, протонов, нейтронов) находящихся на периферии. Протоны и нейтроны составляют ядро атома, которое несёт почти всю массу атома. Электроны составляют электронную оболочку атома, которая делится на энергитические уровни (1,2,3 и тд), уровни делятся на подуровни (обозначаются буквами s, p, d, f).Подуровни состоят из атомных орбиталей, т.е. областей пространства, где вероятно пребывание электронов. Орбитали обозначаются как 1s(орбиталь первого уровня, s-подуровня)Заполнение атомных орбиталей происходит в соответсвии с тремя условиями: 1) Принцип минимума энергии
2)Правило запрета, ну или принцип Паули
3)Принцип максимальной мультиплетности, правило Хунда.
Изотопы - это атомы одного элемента, различающиеся числом нейтронов в ядре.
Так например наиболее ярким примером могут быть изотопы водорода:
1H - протий с одним протоном в ядре и 1 электроном в оболочке
2H - дейтерий с одним протоном и одним нейтроном в ядре и одним электроном в оболочке
3H - тритий с одним протоном и двумя нейтронов в ядре и одним электроном в оболочке
Билет 6:
1. H)1
2. He)2
3. Li)2)1
4. Be)2)2
5. B)2)3
6. C)2)2
7. N)2)5
8. O)2)6
9. F)2)7
10. Ne)2)8
11. Na)2)8)1
12. Mg)2)8)2
13. Al)2)8)3
14. Si)2)8)4
15. P)2)8)5
16. S)2)8)6
17. Cl)2)8)7
18. Ar)2)8)8
19. K)2)8)8)1
20. Ca)2)8)8)8
На внешнем уровне если 2 или 8 электронов - завершенный, а если другое количество - не завершенный.
Билет 8:
Ионная связь это: типичный металл + типичный неметалл. Пример: NaCl, AlBr3. Ковалентная полярная это: неметалл + неметалл (разные). Пример: H2O, HCl.Ковалентная неполярная это: неметалл + неметалл (одинаковые). Пример: H2, Cl2, O2, O3.А металлическая когда металл + металл Li, Na, K
Билет 11:
Сложные вещества состоят из органических и неорганических веществ.
Неорганические вещества: Оксиды, гидроксиды, соли
Органические вещества: кислоты, основания.
Ну, дружище, с чем смог - помог.)
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.
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.
