Металлы как простые вещества

Обновлено: 04.10.2024

Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

Таким образом, к металлам, возможно, относится 94 элемента из всех открытых; все остальные являются неметаллами.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия (см. Металличность).

Кроме того, в физике металлам [как проводникам] противоставляется полупроводники и диэлектрики (см. также Полуметалл (спинтроника)).

Слово «металл» заимствовано из немецкого языка. Отмечается в «Травнике» Николая Любчанина, написанном в 1534 году: «…злато и серебро всех металей одолеваетъ». Окончательно усвоено в Петровскую эпоху. Первоначально имело общее значение «минерал, руда, металл»; разграничение этих понятий произошло в эпоху М. В. Ломоносова.

Немецкое слово «metall» заимствовано из латинского языка, где «metallum» — «рудник, металл». Латинское, в свою очередь, заимствовано из греческого языка (μεταλλον — «рудник, копь»).

Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).

Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в организме кальция (в костях) и натрия, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.

Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже в таблице приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например, олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)

С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:

оксид лития

пероксид натрия

надпероксид калия

С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:

С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп, кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:

С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.

С кислотами металлы реагируют по-разному. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду активности металлов (ЭРАМ) до водорода, взаимодействуют практически со всеми кислотами.

2. Немета́ллы — химические элементы с типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний угол Периодической системы. Расположение их в главных подгруппах соответствующих периодов следующее:

Группа	I	III	IV	V	VI	VII	VIII
1-й период	H	He
2-й период	B	C	N	O	F	Ne
3-й период	Si	P	S	Cl	Ar
4-й период	As	Se	Br	Kr
5-й период	Te	I	Xe
6-й период	At	Rn

Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) число электронов на внешнем энергетическом уровне их атомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокой окислительной активности, чем у металлов.

Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательность и высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Благодаря высоким значениям энергии ионизации неметаллов, их атомы могут образовывать ковалентные химические связи с атомами других неметаллов и амфотерных элементов. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичных металлов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.

В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества — фтор, хлор, кислород, азот, водород, инертные газы, твёрдые — иод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существует бром.

У некоторых неметаллов наблюдается проявление аллотропии. Так, для газообразного кислорода характерны две аллотропных модификации — кислород (O2) и озон (O3), у твёрдого углерода множество форм — алмаз, астралены, графен, графит, карбин, лонсдейлит, фуллерены, стеклоуглерод, диуглерод, углеродные наноструктуры (нанопена, наноконусы, нанотрубки, нановолокна) и аморфный углерод уже открыты, а ещё возможны и другие модификации, например, чаоит и металлический углерод.

В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот, кислород и сера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: это вода, минералы, горные породы, различные силикаты, фосфаты, бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются. Наиболее распространёнными являются кислород, кремний, водород; наиболее редкими — мышьяк, селен, иод.

Урок№9. Простые и сложные вещества. Химический элемент. Металлы и неметаллы

В химии кроме терминов “атом” и “молекула” часто употребляется понятие “элемент” .

Химический элемент – это атомы одного и того же вида .

Так, например, атом водорода – это химический элемент водород; атомы кислорода и ртути – соответственно химические элементы кислорода и ртути.

К середине XIX века были открыты 63 химических элемента.

В настоящее время известно 118 химических элементов, т.е. 118 видов атомов.

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 ).

Простые вещества – вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида (атомов одного химического элемента).

Сложные вещества (или химические соединения) – вещества, молекулы которых состоят из атомов разного вида (атомов различных химических элементов).

Химические элементы образуют около 500 простых веществ, которые условно классифицируют на металлы и неметаллы по их основным физическим свойствам.

Различие понятий «химический элемент» и «простое вещество»

Каждое простое вещество характеризуется определенными физическими и химическими свойствами.

Когда какое-нибудь простое вещество вступает в химическую реакцию и образует новое вещество, то оно при этом утрачивает большинство своих свойств.

Например, железо, соединяясь с серой, теряет металлический блеск, ковкость, магнитные свойства и др., следовательно, в сульфиде железа нет железа, каким мы знаем его в виде простого вещества. Но так как из сульфида железа при помощи химических реакций можно снова получить металлическое железо, то химики говорят, что в состав сульфида железа входит элемент железо, понимая под этим тот материал, из которого состоит металлическое железо.

Подобно железу, и сера находится в сульфиде железа не в виде хрупкого желтого горючего вещества серы, а в виде элемента серы.

Точно так же 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.

Если же эти элементы находятся в «свободном состоянии», т. е. не связаны химически ни с каким другим элементом, то они образуют простые вещества.

Химический элемент можно определить, как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств. При соединении друг с другом атомов одного и того же элемента образуются простые вещества, сочетание же атомов различных элементов дает или смесь простых веществ, или сложное вещество.

Различие между простым веществом и элементом становится особенно ясным, когда мы встречаемся с несколькими простыми веществами, состоящими из одного и того же элемента.

Возьмем, например, кусок фосфора. Это — белое, полупрозрачное вещество, очень ядовитое; на воздухе в темноте фосфор светится и может самовоспламеняться. Фосфор - простое вещество, он не может быть разложен на другие вещества. Однако, если нагреть фосфор без доступа воздуха, то через некоторое время его свойства изменятся: фосфор приобретает красно-фиолетовый цвет, перестает светиться в темноте, делается неядовитым и не самовоспламеняется на воздухе, причем эти новые свойства не исчезают по прекращении нагревания. Таким образом, несомненно происходит превращение одного вещества в другое, но превращение особое: взятое нами вещество не разлагается, и к нему ничего не присоединяется. Это заставляет признать оба вещества, как первоначально взятое, так и полученное после нагревания, лишь различными формами существования одного и того же элемента фосфора в свободном состоянии; первое из них называется белым, а второе — красным фосфором.

Доказательством того, что белый и красный фосфор действительно представляют собой различные формы одного и того же элемента и состоят из одинаковых атомов, служит их отношение к кислороду: при нагревании в кислороде как белый, так и красный фосфор взаимодействуют с ним, образуя одно и то же вещество — фосфорный ангидрид. Следовательно, элемент фосфор в свободном состоянии может существовать в виде различных простых веществ.

Подобно фосфору, и многие другие элементы в свободном состоянии существуют в виде нескольких различных простых веществ.

Аллотропия

Способность одного элемента существовать в виде различных простых веществ, отличающихся по свойствам, называется аллотропией .

Углерод – С – алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Кислород – O – кислород (O ₂ ), озон (O ₃ ).

Сера – S – ромбическая, моноклинная, пластическая.

Фосфор – P – белый, красный, чёрный.

Например, аллотропные формы химического элемента углерода – алмаз и графит – отличаются строение их кристаллов.

Виды простых и сложных веществ

В неорганической химии вещества по составу делятся на простые и сложные.

состоят из атомов одного химического элемента: сера S, углерод С, железо Fe, серебро Ag;
подразделяют на металлы и неметаллы (включая благородные газы).

Сложные вещества — соединения:

состоят из атомов двух или более химических элементов: N a 2 O , H C l , C u S O 4 ;
подразделяют на: оксиды, основания, кислоты и соли.

Классификация простых веществ

1. Простые вещества условно делят на две группы: металлы и неметаллы.

Неметаллы в Периодической системе — это все элементы VIII А-группы (благородные газы) и VII А-группы (галогены), элементы VI А-группы (кроме полония), элементы V А-группы: азот, фосфор, мышьяк; углерод, кремний (IV А-группа); бор (III А-группа), а также водород. Остальные элементы относят к металлам.

Отличия свойств металлов и неметаллов приведены в таблице 1:

газообразные: водород H 2 , азот N 2 , фтор F 2 ;
жидкие: только бром B r 2 ;
твёрдые: кремний Si, бор B, мышьяк As.

Амфотерные элементы находятся в А-группах Периодической системы: бериллий Be, алюминий Al, галлий Ga, германий Ge, олово Sn, свинец Pb, сурьма Sb, висмут Bi, полоний Po и др., а также большинство элементов Б-групп: хром Cr, марганец Mn, железо Fe, цинк Zn, кадмий Cd, золото Au и др., проявляют и металлические (оснóвные для соединений), и неметаллические (кислотные для соединений) свойства.

Благородные (инертные) газы (VIII А-группа Периодической системы): гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радиоактивный радон Rn:

обнаруживаются в воздухе, в малых количествах — в воде, горных породах, природных газах;
не имеют цвета, вкуса и запаха;
крайне химически инертны;
используются в источниках света для создания освещения различных цветов (Ne — огненно-красный, Xe— синевато-серый, тусклый, Ar — фиолетово-голубой и др).

2. Сложные соединения и их отличия от простых веществ.

Сложные вещества бывают органические, в основе которых лежит углерод, и неорганические (безуглеродные и некоторые углеродсодержащие соединения: карбиды, карбонаты, оксиды углерода и другие). Неорганические чаще всего подразделяют на оксиды, основания, кислоты и соли.

Главные отличия сложных неорганических веществ:

Свойства элементов, входящих в соединение, не сохраняются. Например, металл кальций Ca и неметалл хлор C l 2 . Каждому из этих простых веществ присущи свои характеристики. А соль C a C l 2 имеет новые, отличные от характеристик простых веществ, свойства, сходные со свойствами класса солей.
В ходе химических реакций сложное вещество может быть получено или разложено на составные части.
Количественный состав сложного соединения всегда одинаков, независимо от места нахождения и способа получения (для веществ молекулярного состава).

Классификация неорганических соединений и их основные свойства приведены в таблице 2.

газы: N O , C O 2
жидкости: H 2 O
твёрдые: C u O , S i O 2

газы: H 2 S , H C l
жидкости: H N O 3 , H 2 S O 4
твёрдые: H 3 P O 4 , H 3 B O 3

оксиды металлов (оснóвные): K 2 O , CaO;
оксиды неметаллов (кислотные): N 2 O 5 , S O 3 ;
амфотерные: ZnO, A l 2 O 3 .

оснóвные: LiOH, C a ( O H ) 2 ;
амфотерные: B e ( O H ) 2 , C r ( O H ) 3 .

кислородсодержащие: H 2 S O 4 , H N O 3 ;
бескислородные: H J , H 2 S .

средние: N a 3 ( P O 4 ) 2 , C a C l 2 ;
кислые: K H C O 3 , N a 2 H P O 4 ;
оснóвные: Mg(OH)Cl, C u 2 ( O H ) 2 C O 3 ;
комплексные: K 2 [ B e ( C O 3 ) 2 ] .

Классы и номенклатура неорганических веществ

Номенклатура — способ называния веществ.

Химическая формула — представление состава вещества с использованием символов химических элементов, числовых индексов и других знаков. Химическое название определяется составом вещества и изображается с помощью слова или группы слов. Названия строятся по номенклатурным правилам, с использованием русских названий элементов, кроме случаев, когда традиционно употребляются латинские корни (таблица 3):

Ag — аргент	C — карб, карбон	H — гидр, гидроген	N — нитр	Pb — плюмб,	Si — сил, силик, силиц
As — арс, арсен	Cu — купр	Hg — меркур	Ni — никкол	S — сульф	Sn -станн
Au — аур	Fe — ферр	Mn — манган	O — окс, оксиген	Sb — стиб
Например, оксид натрия N a 2 O , карбонат кальция C a C O 3 , перманганат калия K M n O 4

Названия простых веществ чаще всего совпадают с русскими названиями соответствующих химических элементов. По необходимости к ним добавляется числовая греческая приставка: моно — 1, ди (латинский) — 2, три — 3, тетра — 4, пента — 5, гекса — 6, гепта — 7, окта — 8, нона (латинский) — 9, дека — 10. Например, (моно) кальций Ca, (моно) медь Cu, дикислород O 2 , трикислород O 3 , тетрафосфор P 4 . Исключение: аллотропные модификации: углерода С — графит, сажа, алмаз; кислорода — озон O3.
Названия сложных веществ составляют по химической формуле справа налево. Для каждого класса веществ существуют свои правила составления формул и названий:

формула оксидов: ЭnOm, где n и m — числовые индексы, определяющиеся степенями окисления элементов. Например,

Li+1 и O-2→ L i 2 O ; Al+3 и O-2→ A l 2 O 3 ; N+5 и O-2→ N 2 O 5 .

Название оксида: слово «оксид» в именительном падеже + название элемента Э в родительном падеже: оксид лития L i 2 O , оксид алюминия A l 2 O 3 .

Если элемент образует несколько оксидов, то в конце добавляют степень окисления римскими цифрами, заключая их в скобки:

P 2 O 5 — пентаоксид (ди)фосфора или оксид фосфора (V), читается: «оксид фосфора пять»;
F e 2 O 3 — триоксид (ди)железа или оксид железа (III), читается: «оксид железа три».

Оксиды, которым соответствуют кислоты, также называют ангидридами: серный ангидрид S O 3 , азотный ангидрид N 2 O 5 и др.

формула оснований: Me+n(OH-)n, где нижний индекс n — количество гидроксид-анионов OH-.

K+1 и OH- → KOH, Mg+2 и OH- → M g ( O H ) 2 .

Название: слово «гидроксид» в именительном падеже + название элемента в родительном падеже: гидроксид калия, гидроксид магния.

Если элемент образует несколько гидроксидов, то в конце добавляют степень окисления римскими цифрами, заключая их в скобки:

F e ( O H ) 2 — гидроксид железа (II), C r ( O H ) 3 — гидроксид хрома (III).

формула кислот HnК, где K — кислотный остаток.

Названия бескислородных кислот: корень русского названия элемента, образующего кислоту + суффикс «о» + «-водородная кислота», например: HBr — бромоводородная кислота, HCl — хлороводородная кислота, H 2 S — сероводородная кислота.

Названия кислородсодержащих кислот: русское название образующего элемента + «кислота», с учетом правил:

Если элемент находится в высшей степени окисления, то окончание будет «-ная» или «-овая»: H 2 S O 4 — серная кислота, H 3 A s O 4 — мышьяковая кислота. Окончание меняется с понижением степени окисления в последовательности: «-оватая» ( H C l O 3 — хлорноватая кислота), «-истая» ( H C l O 2 — хлористая кислота), «-оватистая» (HClO— хлорноватистая кислота).
Если оксиду соответствует не одна кислота, то к названию кислоты с минимальным числом атомов кислорода, добавляется приставка «мета», а к названию кислоты с максимальным числом атомов кислорода — «орто», например, H P O 3 — метафосфорная кислота, H 3 P O 4 — ортофосфорная кислота.

Названия наиболее распространенных кислот и их остатков приведены в таблице 4:

Формула и название кислоты	Название кислотного остатка, образующего соль
H A l O 2 метаалюминиевая	метаалюминат
H 3 A l O 3 ортоалюминиевая	ортоалюминат
H A s O 3 метамышьяковая	метаарсенат
H 3 A s O 4 ортомышьяковая	ортоарсенат
H 3 B O 3 ортоборная	ортоборат
HBr бромоводородная	бромид
HBrO бромноватистая	гипобромит
H B r O 3 бромноватая	бромат
HCN циановодородная	цианид
H 2 C O 3 угольная	карбонат
HCl хлороводородная	хлорид
HClO хлорноватистая	гипохлорит
H C l O 2 хлористая	хлорит
H C l O 3 хлорноватая	хлорат
H C l O 4 хлорная	перхлорат
HF фтороводородная	фторид
HJ йодоводородная	йодид
H M n O 4 марганцовая	перманганат
H N O 2 азотистая	нитрит
H N O 3 азотная	нитрат
H P O 3 метафосфорная	метафосфат
H 3 P O 4 ортофосфорная	ортофосфат
H 2 S сероводородная	сульфид
H 2 S O 3 сернистая	сульфит
H 2 S O 4 серная	сульфат
H 2 S i O 3 метакремниевая	метасиликат
H 3 S i O 4 ортокремниевая	ортосиликат

Название образуется в зависимости от типа соли.

Средние соли — наименование кислотного остатка в именительном падеже + наименование катиона в родительном падеже, если необходимо, добавляется степень окисления: хлорид натрия NaCl, сульфат меди (II) C u S O 4 и т.д.
Кислые (только для многоосновных кислот) — приставка «гидро», при необходимости добавляется числовое значение (ди—, три—, тетра— и т.д.) + название кислотного остатка + название катиона: гидрокарбонат натрия N a H C O 3 , дигидроортофосфат бария B a ( H 2 P O 4 ) 2 .
Оснóвные — приставка «гидроксо» с числовым значением, если необходимо + название кислотного остатка + название катиона: гидроксохлорид магния MgOHCl, дигидроксохлорид железа (III) F e ( O H ) 2 C l .
Двойные — анион в именительном падеже + катионы через дефис в родительном падеже: ортофосфат аммония—магния N H 4 M g P O 4 метасиликат алюминия—лития L i A l ( S i O 3 ) 2 .
Смешанные — название анионов через дефис в именительном падеже + название катиона в родительном падеже: хлорид-гипохлорит кальция Ca(ClO)Cl; нитрат-йодат натрия N a 2 I O 3 ( N O 3 ) .
Комплексные — название катиона в именительном падеже + название аниона в родительном падеже: хлорид диамминсеребра (I) [ A g ( N H 3 ) 2 ] C l ; тетрагидроксоалюминат натрия N a [ A l ( O H ) 4 ] .

номенклатура бинарных соединений.

Бинарные соединения — сложные вещества, состоящие из двух элементов. В таких соединениях встречается два типа химической связи: ковалентная полярная (для неметаллов и некоторых амфотерных элементов) или ионная (для солей бескислородных кислот).

Названия строятся по схеме: к корню более электроотрицательного элемента добавляется окончание -ид (оксид, гидрид, карбид и т.д.) в именительном падеже + название второго элемента в родительном падеже, при необходимости добавляется числовое значение степени окисления: C S 2 — дисульфид углерода или сульфид углерода (IV), M n F 4 — тетрафторид марганца или фторид марганца (IV).

Для некоторых есть тривиальные названия: N H 3 — аммиак, S i Н 4 — силан, P H 3 — фосфин и др.

Строение и химические свойства

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента:

одноатомные: благородные газы — гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn;
двухатомные: водород H 2 , кислород O 2 , азот N 2 и галогены: хлор C l 2 , йод J 2 , бром B r 2 ;
трех и более атомные: озон O 3 , белый фосфор P 4 , кристаллическая (ромбическая и моноклинная) сера S 8 .

Порядок соединения атомов при образовании из них веществ обусловливает особенности строения веществ. Различают вещества молекулярного и немолекулярного строения. Немолекулярное строение имеют все металлы и большинство их соединений, графит, красный фосфор, алмаз, кремний Si и др. Большинство неметаллов и их соединений состоят из молекул, т. е. имеют молекулярное строение.

Химические свойства металлов и неметаллов

1. Химические свойства металлов определяются способностью отдавать свободные электроны с внешнего уровня. Они являются восстановителями. Взаимодействие идет с:

неметаллами:
+кислород O 2 (кроме золота и металлов группы платины) → оксиды: 2 C a + O 2 → 2 C a O ;
+галогены ( F 2 , C l 2 , B r 2 ) → галогениды (фторид, хлорид, бромид и т.д.): C u + B r 2 → C u B 2 ;
+азот, фосфор, сера, водород → нитриды, фосфиды, сульфиды, гидриды: 3 C a + N 2 → C a 3 N 2 .
водой (только щелочные и щелочно-земельные металлы) → гидроксиды: 2 N a + 2 H 2 O → 2 N a O H + H 2 ↑ ;
кислотами (металлы, стоящие в ряду активности до водорода) → соль: M g + 2 H C l → M g C l 2 + H 2 ↑ ;
растворами солей менее активных металлов: F e + C u S O 4 → F e S O 4 + C u , при следующих условиях:
соли, вступающие в реакцию и получающиеся в ходе нее, должны быть растворимы;
металл вытесняет из соли другой металл, если находится левее в ряду активности;
щелочные и щелочно-земельные металлы в данном случае будут вступать в реакцию с водой, а не с солью.
оксидами (более активный металл вытесняет менее активный): F e 2 O 3 + 2 A l → A l 2 O 3 + 2 F e .

2. Химические свойства неметаллов обусловлены свободными электронами (от 3 до 7) на внешнем электронном уровне.

окислительные свойства наиболее характерны (стремятся присоединять электроны) в реакциях с:
металлами: O 2 + 2 M g → 2 M g O ; S + 2 N a → N a 2 S ;
неметаллами:
кислород O 2 (из галогенов реагирует только фтор): S + O 2 → S O 2 ;
водород H 2 (кроме кремния, фосфора и бора) : С + 2 H 2 → C 4 ;
неметалл c меньшей электроотрицательностью: 3 S + 2 P → P 2 S 3 (нагревание без доступа воздуха, сера — окислитель);
солями (вытесняют менее активные неметаллы): C l 2 + 2 N a B r → 2 N a C l + B r 2 .
восстановительные свойства (исключение: фтор F — всегда окислитель) в некоторых реакциях с:
неметаллами, электроотрицательность которых ниже: C + O 2 → C O 2 (углерод — восстановитель);
сложными веществами — окислителями ( C u O , H N O 3 ) : S + 6 H N O 3 → H 2 S O 4 + 6 N O 2 ↑ + 2 H 2 O .
и окислительные, и восстановительные свойства проявляют хлор, сера, фосфор, йод и бром в реакциях диспропорционирования:
C l 2 0 + H 2 O → H C l - 1 + H C l + 1 O ;
3 S 0 + 6 N a O H → 2 N a 2 S - 2 + N a 2 S + 6 O 3 + 3 H 2 O .

Химические свойства благородных газов

плохо растворяются в воде и вступают в реакции с другими веществами только в специально созданных условиях;
не горят; вытесняют кислород из воздуха, снижая его содержание до критически низких показателей, приводящих к смерти.

Строение и основные химические свойства сложных веществ

Сложные соединения имеют ионную или ковалентную связь между атомами.

оснóвные + кислоты → соли: C a O + 2 H C l → C a C l 2 + H 2 O ;
кислотные + основания → соли: S O 3 + 2 N a O H → N a 2 S O 4 + H 2 O ;
амфотерные реагируют и с кислотами, и с основаниями → соли:

Z n O + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 О ,

Z n O + 2 N a O H + H 2 O → N a 2 [ Z n ( O H ) 4 ] .

Все основания реагируют с кислотами (реакция нейтрализации):

K O H + 2 H C l → K C l + H 2 O ;
2 F e ( O H ) 3 + 3 H 2 S O 4 → F e 2 ( S O 4 ) 3 + 6 H 2 O .

1. Щелочи взаимодействуют с:

неметаллами: 6 K O H + 3 S → K 2 S O 3 + 2 K 2 S + 3 H 2 O ;
кислотными оксидами: 2 N a O H + N O 2 → N a N O 2 + N a N O 3 + H 2 O .

2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании: C u ( O H ) 2 → C u O + H 2 O .

+ основания (реакция нейтрализации): 2 F e ( O H ) 3 + 3 H 2 S O 4 → F e 2 ( S O 4 ) 3 + 6 H 2 O ;
+ металлы, стоящие левее водорода в ряду активности: M g + 2 H C l → M g C l 2 + H 2 ↑ ;
+ основные и амфотерные оксиды: C a O + H 2 S O 4 → C a S O 4 + H 2 O ; Z n O + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 O ;
+ соли: B a C l 2 + H 2 S O 4 → B a S O 4 + 2 H C l .

+ кислоты (сильные): N a 2 S i O 3 + 2 H C l → H 2 S i O 3 ↓ + 2 N a C l ;
+ щёлочи, если образуется нерастворимое основание: F e C l 3 + 3 N a O H → F e ( O H ) 3 ↓ + 3 N a C l ;
+ металлы: Z n + P b ( N O 3 ) 2 → P b ↓ + Z n ( N O 3 ) 2 ;
+ соли при условии необратимости реакции: N a 2 C O 3 + C a ( N O 3 ) 2 → C a C O 3 ↓ + 2 N a N O 3 .

Также о химических свойствах неорганических соединений можно почитать в статье «Классы неорганических соединений».

1. Общая характеристика элементов металлов

Из \(118\) известных на данный момент химических элементов \(96\) образуют простые вещества с металлическими свойствами, поэтому их называют металлическими элементами .

Металлические химические элементы в природе могут встречаться как в виде простых веществ, так и в виде соединений. То, в каком виде встречаются металлические элементы в природе, зависит от химической активности образуемых ими металлов.

Металлические элементы, образующие химически активные металлы ( Li–Mg ), в природе чаще всего встречаются в виде солей (хлоридов, фторидов, сульфатов, фосфатов и других).

Соли, образуемые этими металлами, являются главной составной частью распространённых в земной коре минералов и горных пород.

В растворённом виде соли натрия, кальция и магния содержатся в природных водах. Кроме того, соли активных металлов — важная составная часть живых организмов. Например, фосфат кальция Ca 3 ( P O 4 ) 2 является главной минеральной составной частью костной ткани.

Металлические химические элементы, образующие металлы средней активности ( Al–Pb ), в природе чаще всего встречаются в виде оксидов и сульфидов.

Металлические элементы, образующие химически неактивные металлы ( Cu–Au ), в природе чаще всего встречаются в виде простых веществ.


Рис. \(7\). Самородное золото Au	Рис. \(8\). Самородное серебро Ag	Рис. \(9\). Самородная платина Pt

Исключение составляют медь и ртуть, которые в природе встречаются также в виде химических соединений.

В Периодической системе химических элементов металлы занимают левый нижний угол и находятся в главных (А) и побочных (Б) группах.

Рис. \(13\). Положение металлов в Периодической системе. Знаки металлических химических элементов расположены ниже ломаной линии B — Si — As — Te

В электронной оболочке атомов металлов на внешнем энергетическом уровне, как правило, содержится от \(1\) до \(3\) электронов. Исключение составляют только металлы \(IV\)А, \(V\)А и \(VI\)А группы, у которых на наружном энергетическом уровне находятся соответственно четыре, пять или шесть электронов.

В атомах металлов главных подгрупп валентные электроны располагаются на внешнем энергетическом уровне, а у металлов побочных подгрупп — ещё и на предвнешнем энергетическом уровне.

Радиусы атомов металлов больше, чем у атомов неметаллов того же периода. В силу отдалённости положительно заряженного ядра атомы металлов слабо удерживают свои валентные электроны.

Рис. \(14\). Характер изменения радиусов атомов химических элементов в периодах и в группах. Радиусы атомов металлов существенно больше, чем радиусы атомов неметаллов, находящихся в том же периоде

Главное отличительное свойство металлов — это их сравнительно невысокая электроотрицательность (ЭО) по сравнению с неметаллами.

Рис. \(15\). Величины относительных электроотрицательностей (ОЭО) некоторых химических элементов (по Л. Полингу). ОЭО металлических химических элементов уступает соответствующей величине неметаллических химических элементов

Атомы металлов, вступая в химические реакции, способны только отдавать электроны, то есть окисляться, следовательно, в ходе превращений могут проявлять себя в качестве восстановителей .

Урок 3. Молекулы и простые вещества

В уроке 3 «Молекулы и простые вещества» из курса «Химия для чайников» рассмотрим, что такое молекулы, простые вещества, а также металлы и неметаллы. Напоминаю, что в прошлом уроке «Относительная атомная масса химических элементов» мы рассмотрели разные способы выражения массы химических элементов.

Атомы химических элементов существуют в природе как в свободном, так и в связанном состоянии. Например, благородные газы — гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe — находятся в воздухе в виде одиночных атомов. Атомы всех остальных элементов в природе не существуют изолированно друг от друга. Они всегда стремятся соединиться, связаться с другими атомами за счет особых сил. Почему? Так они достигают более устойчивого состояния. Это одна из иллюстраций всеобщего принципа природы — стремления к максимально устойчивому состоянию.

Что такое молекула?

Из курса физики вы уже немного знаете о молекулах — частицах вещества, состоящих обычно из двух и более атомов. Что же такое молекула?

Молекула — наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.

Молекулы благородных газов одноатомны, а молекулы таких веществ, как кислород, водород, азот, хлор, бром, состоят из двух атомов (рис. 34). Молекула фосфора содержит четыре атома, а серы — восемь (рис. 35).

Простые вещества

Если вещества состоят из атомов одного вида, то они относятся к простым веществам.

Простыми называются вещества, которые образованы атомами одного химического элемента.

Простые вещества — одна из форм существования химических элементов в природе. Простые вещества, состоящие из молекул, относятся к веществам молекулярного строения. При обычных условиях среди них есть газы (водород, кислород, азот, фтор, хлор, благородные газы), жидкости (бром) и твердые вещества (сера, иод, фосфор).

Элемент кислород существует в виде двух простых веществ молекулярного строения: одно из них (просто кислород) состоит из двухатомных молекул, а второе (озон) — из трехатомных.

Связываясь друг с другом, атомы образуют не только молекулы. Гораздо больше простых веществ, которые имеют немолекулярное строение. Они обычно представляют собой твердые кристаллические вещества, построенные из атомов, например кристаллы алмаза, графита, меди, железа (рис. 36).

Металлы и неметаллы

Простые вещества по их свойствам делят на металлы и неметаллы.

Все металлы при комнатной температуре являются твердыми веществами (за исключением ртути), которые проводят электрический ток и теплоту, имеют характерный металлический блеск. Многие из металлов пластичны, т. е. меняют свою форму при механическом воздействии. Благодаря этому свойству металлы можно ковать, расплющивать, вытягивать в проволоку.

Большинство простых веществ — металлы, и все они имеют немолекулярное строение.

Хотя простых веществ неметаллов гораздо меньше, по своим свойствам они различаются между собой значительно сильнее, чем металлы. Почти все они плохо проводят электрический ток и теплоту. Многие из неметаллов при обычных условиях являются хрупкими твердыми веществами (рис. 37), другие — газами (рис. 38), а бром — жидкостью (рис. 39). Большинство неметаллов существует в виде молекул, но некоторые имеют немолекулярное строение, например бор, углерод, кремний.

Алмаз и графит — это простые вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента — углерода. Хотя они оба имеют немолекулярное строение, свойства этих веществ сильно отличаются: алмаз — прозрачное, самое твердое в природе вещество, а графит — темно-серое, непрозрачное, мягкое вещество (рис. 40). Их свойства различны потому, что различно строение их кристаллов, хотя состоят эти кристаллы из одних и тех же атомов — атомов углерода.

Названия простых веществ

В настоящее время известно более 400 простых веществ, хотя элементов пока открыто только 118. Названия большинства простых веществ такие же, как и названия соответствующих химических элементов. Только у элемента углерода простые вещества (как вы уже знаете) имеют собственные названия, да еще у элемента кислорода есть простое вещество озон.

Необходимо различать понятия простое вещество и химический элемент, поскольку в большинстве случаев их названия совпадают.

Химический элемент — это определенный вид атомов. Поэтому название химического элемента — это то, что объединяет атомы данного вида. У всех таких атомов есть общие черты. Каждый химический элемент обозначается с помощью соответствующего химического знака.

В то же время понятие простое вещество обозначает конкретное химическое вещество, образованное атомами одного вида. Оно характеризуется определенными составом, строением, физическими и химическими свойствами.

Например, если говорят о том, что в состав какого-то вещества входит азот, то имеют в виду атомы этого химического элемента, а когда говорят об азоте, который входит в состав воздуха, то, конечно, речь идет о простом веществе.

Более подробно о различии понятий «простое вещество» и «химический элемент» вы узнаете в главах 2, 3.

Краткие выводы урока:

Молекула — наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства.
Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента.
Простые вещества имеют молекулярное или немолекулярное строение.
Простые вещества делят на металлы и неметаллы.

Надеюсь урок 3 «Молекулы и простые вещества» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Читайте также: