Вещества простые и сложные. Химические элементы. Аллотропия. Химические соединения и смеси

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.

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.

Простые и сложные вещества. Химический элемент

Об атомах и химических элементах

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 (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.

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 O2 и озон O3с различным числом атомов в молекулах.

Аллотропные формы элемента углерод C - алмаз и графит - отличаются строение их кристаллов.Существуют и другие причины аллотропии.

Аллотропные формы углерода:

графит:

алмаз:

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 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.

Осуществите переход по ссылке и просмотрите опыт взаимодействия простых веществ железа и серы.

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 соединений

Задания для закрепления

I. Поработайте с тренажёрами

Тренажёр №1

Тренажёр №2

Тренажёр №3

II. Решите задание

Из предложенного списка веществ выпишите отдельно простые и сложные вещества:

NaCl, H2SO4, K, S8, CO2, O3, H3PO4, N2, Fe.

Объясните ваш выбор, в каждом из случаев.

III. Ответьте на вопросы

№1

Сколько простых веществ записано в ряду формул:

H2O, N2, O3, HNO3, P2O5, S, Fe, CO2, KOH.

№2

К сложным относятся оба вещества:

А) С (уголь) и S (сера);

Б) CO2 (углекислый газ)и H2O (вода);

В) Fe (железо) и CH4 (метан);

Г) H2SO4 (серная кислота) и H2 (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.

Главное отличие между ними - в их составе. Так, простые вещества включают атомы одного элемента. Их (простых веществ) кристаллы можно синтезировать в лабораторных, а иногда и в домашних условиях. Однако часто для хранения полученных кристаллов необходимо создавать определенные условия.

Существует пять классов, на которые разделены простые вещества: металлы, полуметаллы, неметаллы, интерметаллиды и галогены (не встречающиеся в природе). Они могут быть представлены атомарными (Ar, Не) или молекулярными (О2, Н2, О3) газами.

В качестве примера можно взять простое вещество кислород. Оно включает молекулы, состоящие из двух атомов элемента Кислород. Или, например, вещество железо состоит из кристаллов, включающих только атомы элемента Железо. Исторически принято называть простое вещество по названию элемента, атомы которого входят в его состав. Строение этих соединений может быть молекулярным и немолекулярным.

Сложные вещества включают атомы различного вида и при разложении могут образовывать два (или больше) соединения. Например, вода при расщеплении формирует кислород и водород. При этом не каждое соединение можно разложить на простые вещества. Например, сульфид железа, сформированный атомами серы и железа, не поддается расщеплению. В этом случае, для того чтобы доказать, что соединение является сложным и включает разнородные атомы, применяют принцип обратной реакции. Другими словами, при помощи исходных компонентов получают сульфид железа.

Простые вещества являются формами химических элементов, существующих в свободном виде. Сегодня науке известно более четырехсот видов этих элементов.

В отличие от сложных веществ, простые нельзя получить из других простых веществ. Их также нельзя разложить на другие соединения.

Все аллотропные модификации обладают свойством переходить друг в друга. Разные типы простых веществ, сформированные одним химическим элементом, могут иметь разные и разный уровень химической активности. Так, например, кислород проявляет меньшую, чем озон, активность, а температура плавления фуллерена, например, меньше, чем у алмаза.

В нормальных условиях для одиннадцати элементов простые вещества будут представлять собой газы (Ar, Xe, Rn, N, H, Ne, O, F, Kr, Cl, He,), для двух жидкости (Br, Hg), а для прочих элементов - твердые тела.

При температуре, приближенной к комнатной, пять металлов будут принимать жидкое или полужидкое состояние. Это связано с тем, что температура их плавления почти равна Так, ртуть и рубидий плавятся при 39 градусах, франций - при 27, цезий - при 28, а галлий при 30 градусах.

Следует отметить, что понятия "химический элемент", "атом", "простое вещество" смешивать не следует. Так, например, атом имеет определенное, конкретное значение и существует реально. Определение "химический элемент" является в целом абстрактным, собирательным. В природе элементы присутствуют в форме атомов свободных или химически связанных. При этом характеристики простых веществ (совокупности частиц) и химических элементов (изолированных атомов конкретного вида) имеют свои особенности.