Вещество и его состав
Элемент и простое вещество
Фразы «кислород входит в состав воды» и «кислородом дышат» говорят о разном. В первой речь об элементе — виде атомов с зарядом ядра +8, которые есть и в воде, и в песке, и в воздухе. Во второй — о простом веществе \(\ce{O2}\): газе, который можно собрать в баллон. У элемента нет цвета, запаха и температуры кипения — это свойства веществ.
bookmarkОпределения
Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Простое вещество образовано атомами одного элемента, сложное (соединение) — атомами разных элементов, связанными химически. Смесь состоит из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства.
Один элемент может образовывать несколько простых веществ — это аллотропия. Причины разные:
- разное число атомов в молекуле: кислород \(\ce{O2}\) и озон \(\ce{O3}\);
- разное строение кристалла: в алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями в трёхмерный каркас, в графите атомы образуют слои шестиугольников; белое (β) и серое (α) олово;
- разные молекулы и цепи: белый фосфор из тетраэдров \(\ce{P4}\) и полимерный красный фосфор; кольца \(\ce{S8}\) ромбической серы и длинные цепи пластической серы.
| Элемент | Модификации | Чем различаются |
|---|---|---|
| O | \(\ce{O2}\), \(\ce{O3}\) | озон — голубоватый ядовитый газ с резким запахом, один из сильнейших окислителей |
| C | алмаз, графит, фуллерены, графен | алмаз — самое твёрдое природное вещество и изолятор; графит мягкий и проводит ток |
| P | белый, красный, чёрный | белый (\(\ce{P4}\)) светится в темноте и легко самовоспламеняется — его хранят под водой; красный устойчив на воздухе |
| S | ромбическая, моноклинная, пластическая | ромбическая устойчива ниже ≈ 95 °C, моноклинная — выше, до плавления |
| Sn | белое (β), серое (α) | ниже 13,2 °C белое олово медленно превращается в серый порошок |
Аллотропные модификации — разные вещества, поэтому превращение одной в другую — химическая реакция со своим тепловым эффектом и своими условиями.
scienceПревращения аллотропов
- \(\ce{3O2 ->[\text{эл. разряд}] 2O3}\) — озон образуется при грозе и в озонаторах; реакция эндотермична.
- \(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\) — качественная реакция на озон: иодкрахмальная бумага синеет. Кислород \(\ce{O2}\) в этих условиях иодид не окисляет.
- \(\ce{P_{белый} ->[250-300^\circ C] P_{красный}}\) — белый фосфор при нагревании без доступа воздуха переходит в красный.
- \(\ce{C_{графит} ->[5-6\ \text{ГПа},\ 1500^\circ C] C_{алмаз}}\) — графит превращается в алмаз при высоком давлении в присутствии расплава металла-катализатора.
- \(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\) — белый фосфор горит на воздухе уже при слабом нагревании; красный воспламеняется лишь выше 250 °C.
- \(\ce{PbS + 4O3 -> PbSO4 + 4O2}\) — озон окисляет чёрный сульфид свинца до белого сульфата; кислород с \(\ce{PbS}\) на холоду не реагирует.
- \(\ce{Hg + O3 -> HgO + O2}\) — в озоне ртуть теряет блеск и «прилипает» к стеклу: старинная проба на озон.
- \(\ce{2O3 ->[MnO2] 3O2}\) — озон самопроизвольно распадается; катализаторы и нагревание ускоряют распад.
history_eduКак открыли озон
В 1785 году голландский физик Мартин ван Марум заметил, что воздух возле работающей электрической машины приобретает странный запах. Причину понял лишь в 1840 году базельский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн: при электрическом разряде образуется новое вещество, которое он назвал озоном — от греческого «озейн», «пахнуть». Состав \(\ce{O3}\) установили в 1860-х годах по изменению объёма газа при озонировании.
auto_awesome«Оловянная чума»
Белое олово ниже 13,2 °C термодинамически неустойчиво, но переход идёт медленно и ускоряется на морозе: металл вспучивается и рассыпается в серый порошок, а серые пятна «заражают» соседние участки. С этим связывают легенды — о рассыпавшихся пуговицах наполеоновских солдат и о запаянных оловом канистрах экспедиции Скотта; документальных подтверждений у них нет. А вот оловянные трубы органов в неотапливаемых соборах действительно страдали от «чумы».
Смеси и их разделение
Смесь отличается от соединения тем, что её компоненты сохраняют свои свойства и могут быть взяты в любых соотношениях. Классический опыт: смесь порошков железа и серы разделяется магнитом, но после нагревания получается сульфид железа(II) — магнит его уже не отделяет, а кислота выделяет не водород, а сероводород:
Смеси бывают гетерогенными (есть граница раздела фаз: взвесь, эмульсия, пена) и гомогенными (растворы, газовые смеси, многие сплавы). Физические способы разделения используют различие свойств: фильтрование и отстаивание — размер частиц и плотность, перегонка — температуры кипения, кристаллизация — растворимость, возгонка — летучесть (так очищают иод). Олимпиадные задачи чаще проверяют химические способы: один компонент связывают реакцией, а остальные проходят дальше.
scienceКак поглощают отдельные газы
- \(\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — щёлочь поглощает кислотные газы (\(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{H2S}\), \(\ce{Cl2}\)), но не \(\ce{CO}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{H2}\).
- \(\ce{CuSO4 + H2S -> CuS v + H2SO4}\) — редкий случай, когда слабая кислота «вытесняет» сильную: сульфид меди настолько малорастворим, что не растворяется и в разбавленной серной кислоте.
- \(\ce{2Cu + O2 ->[t] 2CuO}\) — раскалённая медь удаляет следы кислорода из азота или аргона.
- \(\ce{CuO + H2 ->[t] Cu + H2O}\), \(\ce{CuO + CO ->[t] Cu + CO2}\) — раскалённый оксид меди «дожигает» горючие газы; образовавшиеся воду и углекислый газ поглощают отдельно.
Особый случай — осушка газов. Осушитель должен поглощать воду, но не реагировать с самим газом.
| Осушитель | Можно сушить | Нельзя сушить |
|---|---|---|
| конц. \(\ce{H2SO4}\) | \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{HCl}\) | \(\ce{NH3}\) (основание), \(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\) (окисляются) |
| \(\ce{P4O10}\) | большинство кислотных и нейтральных газов | \(\ce{NH3}\) |
| безводный \(\ce{CaCl2}\) | \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{HCl}\) | \(\ce{NH3}\) — образует аммиакат \(\ce{CaCl2*8NH3}\) |
| твёрдые \(\ce{KOH}\), \(\ce{CaO}\) | \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\) | кислотные газы: \(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{Cl2}\) |
Почему серная кислота не годится для бромоводорода и иодоводорода: она их окисляет, и вместо сухого газа получаются галоген и продукты восстановления серы:
boltОсушитель за две секунды
Кислотный осушитель — для кислотных и нейтральных газов, основный — для основных и нейтральных. Аммиак сушат только основными веществами (\(\ce{CaO}\), \(\ce{KOH}\), натронная известь). Сильные восстановители (\(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\)) нельзя сушить окислителем — концентрированной серной кислотой.
Постоянный и переменный состав
В начале XIX века химиков разделил спор. Жозеф Луи Пруст утверждал, что любое чистое соединение, как бы его ни получили, имеет один и тот же состав — закон постоянства состава. Клод Луи Бертолле возражал: состав может плавно меняться в зависимости от условий. Спор выиграл Пруст — многие «переменные составы» Бертолле оказались смесями.
history_eduСпор Пруста и Бертолле
Пруст анализировал карбонат меди — природный и полученный в лаборатории — и каждый раз находил одно и то же соотношение меди, углерода и кислорода. Спор с Бертолле шёл несколько лет на страницах журналов, в подчёркнуто вежливом тоне, и стал образцом научной дискуссии. Через сто лет Николай Семёнович Курнаков показал, что отчасти прав был и Бертолле: в 1912–1914 годах он назвал соединения постоянного состава дальтонидами (в честь Джона Дальтона), а переменного — бертоллидами.
Сегодня граница проведена чётко. Молекулярные вещества (\(\ce{H2O}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{NH3}\)) всегда имеют постоянный состав: молекула либо есть, либо её нет. У немолекулярных кристаллов (ионных, металлических, каркасных) состав может меняться в некоторой области, если часть мест в решётке пустует, а заряд компенсируется изменением степени окисления соседних ионов.
Самый известный пример — вюстит, оксид железа(II). Стехиометрического \(\ce{FeO}\) при обычном давлении в равновесии не бывает: реальный состав \(\ce{Fe_{1-x}O}\), где \(x\) ≈ 0,05–0,15. На каждую вакансию железа приходятся два иона \(\ce{Fe^3+}\) вместо \(\ce{Fe^2+}\) — так кристалл остаётся электронейтральным. Переменный состав имеют также оксид титана \(\ce{TiO_{x}}\) (примерно от \(\ce{TiO_{0{,}7}}\) до \(\ce{TiO_{1{,}3}}\)), диоксид урана \(\ce{UO_{2+x}}\) и многие сульфиды.
edit_noteСколько железа(III) в вюстите \(\ce{Fe_{0{,}90}O}\)?
Пусть на один атом кислорода приходится \(a\) ионов \(\ce{Fe^2+}\) и \(b\) ионов \(\ce{Fe^3+}\). Атомы: \(a + b = 0{,}90\). Заряд: \(2a + 3b = 2\). Вычитаем из второго уравнения удвоенное первое: \(b = 2 - 1{,}80 = 0{,}20\), \(a = 0{,}70\). Доля железа(III) — \(0{,}20/0{,}90 = 22\) %.
Вторая тонкость — формула и молекула. Формула \(\ce{NaCl}\) описывает не молекулу, а формульную единицу: в кристалле каждый ион окружён шестью ионами противоположного знака, и отдельных молекул там нет. А у молекулярных веществ привычная формула может оказаться лишь простейшей.
| Привычная запись | Реальные частицы | Как это установили |
|---|---|---|
| \(\ce{P2O5}\) | молекулы \(\ce{P4O10}\) | плотность пара, рентгеноструктурный анализ |
| \(\ce{AlCl3}\) (пар) | димеры \(\ce{Al2Cl6}\) при умеренных температурах | плотность пара вдвое больше расчётной |
| \(\ce{HgCl}\) | \(\ce{Hg2Cl2}\) со связью Hg–Hg | вещество диамагнитно; ион \(\ce{Hg2^2+}\) виден в кристалле |
| \(\ce{BH3}\) | \(\ce{B2H6}\) (диборан) | плотность газа |
| \(\ce{S}\) | кольца \(\ce{S8}\) | молярная масса в растворе, рентгеноструктурный анализ |
boltКогда формулу надо удвоить
Если частица с простейшей формулой имела бы неспаренный электрон (\(\ce{HgCl}\), \(\ce{NO2}\)) или недостроенную электронную оболочку (\(\ce{BH3}\), \(\ce{AlCl3}\)), ищите димер. \(\ce{NO2}\) и правда частично димеризуется: \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\) — бурый газ при охлаждении светлеет.
push_pinГлавное
Элемент — вид атомов с одним зарядом ядра, простое вещество — форма его существования; у одного элемента их может быть несколько (аллотропия: \(\ce{O2}\) и \(\ce{O3}\), алмаз и графит, белый и красный фосфор). Смесь разделяют физически или связывают один компонент реакцией; осушитель не должен реагировать с газом. Молекулярные вещества имеют постоянный состав, а в немолекулярных кристаллах он может меняться (\(\ce{Fe_{1-x}O}\)). \(\ce{P2O5}\) — простейшая формула, реальные молекулы — \(\ce{P4O10}\).
Закрепите теорию: 13 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.