Вещество и его состав

13 заданий

Элемент и простое вещество

Фразы «кислород входит в состав воды» и «кислородом дышат» имеют разный смысл. В первой речь идёт о химическом элементе: атомы кислорода имеют заряд ядра +8 и входят в состав воды, песка и воздуха. Во второй имеется в виду простое вещество \(\ce{O2}\) — газ, который можно собрать в баллон. Цвет, запах и температура кипения характеризуют вещество, а не химический элемент.

bookmarkОпределения

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Простое вещество образовано атомами одного элемента. Сложное вещество, или соединение, образовано химически связанными атомами разных элементов. Смесь состоит из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства.

Один элемент может образовывать несколько простых веществ. Это явление называют аллотропией, а такие вещества — аллотропными модификациями. Модификации различаются составом молекул или строением кристалла:

Молекулы могут содержать разное число атомов, как у кислорода \(\ce{O2}\) и озона \(\ce{O3}\).
Кристаллы могут иметь разное строение. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями в трёхмерный каркас, а в графите атомы образуют слои шестиугольников. Различается и строение белого (β) и серого (α) олова.
Вещества могут состоять из молекул или цепей разного строения. Белый фосфор содержит тетраэдрические молекулы \(\ce{P4}\), красный фосфор имеет полимерное строение. Ромбическая сера содержит кольца \(\ce{S8}\), а пластическая — длинные цепи.

Различия в строении определяют и различия в свойствах аллотропных модификаций.

Элемент	Модификации	Чем различаются
O	\(\ce{O2}\), \(\ce{O3}\)	Озон представляет собой голубоватый ядовитый газ с резким запахом и является одним из сильнейших окислителей.
C	алмаз, графит, фуллерены, графен	Алмаз является самым твёрдым природным веществом и изолятором; графит мягкий и проводит ток.
P	белый, красный, чёрный	Белый фосфор (\(\ce{P4}\)) светится в темноте и легко самовоспламеняется, поэтому его хранят под водой. Красный фосфор устойчив на воздухе.
S	ромбическая, моноклинная, пластическая	Ромбическая сера устойчива ниже ≈ 95 °C, а моноклинная — выше этой температуры, до плавления.
Sn	белое (β), серое (α)	Ниже 13,2 °C белое олово медленно превращается в серый порошок.

Поскольку аллотропные модификации имеют разное строение, переход одной модификации в другую происходит при определённых условиях и сопровождается тепловым эффектом. Например, электрический разряд способствует образованию озона из кислорода, а нагревание без доступа воздуха — превращению белого фосфора в красный. Различие свойств модификаций проявляется и в их реакциях с другими веществами.

scienceПревращения аллотропов

\(\ce{3O2 ->[\text{эл. разряд}] 2O3}\) — озон образуется во время грозы и в озонаторах; реакция является эндотермической.
\(\ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + O2 + 2KOH}\) — озон окисляет иодид, поэтому иодкрахмальная бумага синеет; эту реакцию используют для обнаружения озона. Кислород \(\ce{O2}\) в этих условиях иодид не окисляет.
\(\ce{P_{белый} ->[250-300^\circ C] P_{красный}}\) — при нагревании без доступа воздуха белый фосфор переходит в красный.
\(\ce{C_{графит} ->[5-6\ \text{ГПа},\ 1500^\circ C] C_{алмаз}}\) — при высоком давлении графит превращается в алмаз в присутствии расплава металла-катализатора.
\(\ce{P4 + 5O2 -> P4O10}\) — белый фосфор горит на воздухе уже при слабом нагревании, тогда как 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; прежде это служило пробой на озон.
\(\ce{2O3 ->[MnO2] 3O2}\) — озон распадается самопроизвольно, а катализаторы и нагревание ускоряют его распад.

history_eduОткрытие озона

В 1785 году голландский физик Мартин ван Марум заметил странный запах воздуха возле работающей электрической машины. Лишь в 1840 году базельский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн объяснил его появление: при электрическом разряде образуется новое вещество. Он назвал его озоном — от греческого «озейн», «пахнуть». Состав \(\ce{O3}\) установили в 1860-х годах по изменению объёма газа при озонировании.

auto_awesomeОловянная чума

Ниже 13,2 °C белое олово термодинамически неустойчиво, однако его превращение в серое идёт медленно и ускоряется на морозе. Металл вспучивается и рассыпается в серый порошок, а серые пятна распространяются на соседние участки. С этим явлением связаны легенды о рассыпавшихся пуговицах наполеоновских солдат и о запаянных оловом канистрах экспедиции Скотта; документальных подтверждений этих историй нет. Оловянные трубы органов в неотапливаемых соборах действительно страдали от «оловянной чумы».

Смеси и их разделение

В отличие от соединения, смесь можно составить в любых соотношениях, и каждый её компонент сохраняет свои свойства. Это показывает опыт с железом и серой: из смеси их порошков железо извлекают магнитом. После нагревания образуется новое вещество — сульфид железа(II). Магнит уже не позволяет отделить от него железо, а при действии кислоты выделяется сероводород, а не водород:

\[\ce{Fe + S ->[t] FeS}\qquad \ce{FeS + 2HCl -> FeCl2 + H2S ^}\]

Для выбора способа разделения важно знать, однородна ли смесь. Гетерогенная смесь имеет границы раздела фаз; к таким смесям относятся взвеси, эмульсии и пены. Гомогенная смесь выглядит однородной; примерами служат растворы, газовые смеси и многие сплавы. Физические способы разделения основаны на различии свойств компонентов: при фильтровании используют размер частиц, при отстаивании — плотность, при перегонке — температуры кипения, при кристаллизации — растворимость, а при возгонке — летучесть. Например, возгонкой очищают иод.

В олимпиадных задачах часто требуется химическое разделение. Для него подбирают реагент, который вступает в реакцию с одним компонентом смеси, но не с остальными. Так можно последовательно удалять из смеси отдельные газы.

scienceПоглощение отдельных газов

\(\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — щёлочь поглощает кислотные газы (\(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{H2S}\)) и реагирует с \(\ce{Cl2}\), но не поглощает \(\ce{CO}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\) и \(\ce{H2}\).
\(\ce{CuSO4 + H2S -> CuS v + H2SO4}\) — слабая кислота реагирует с солью сильной кислоты, поскольку образующийся 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 окисляет горючие газы; образовавшиеся воду и углекислый газ затем поглощают отдельно.

Особая задача — осушка газов, то есть удаление из них водяного пара. Осушитель должен поглощать воду, но не должен реагировать с газом, который требуется осушить.

Осушитель	Можно сушить	Нельзя сушить
конц. \(\ce{H2SO4}\)	Подходят \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{SO2}\) и \(\ce{HCl}\).	\(\ce{NH3}\) реагирует как основание; \(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\) и \(\ce{HI}\) окисляются.
\(\ce{P4O10}\)	Подходит большинство кислотных и нейтральных газов.	\(\ce{NH3}\) реагирует с осушителем.
безводный \(\ce{CaCl2}\)	Подходят \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO2}\) и \(\ce{HCl}\).	\(\ce{NH3}\) образует аммиакат \(\ce{CaCl2*8NH3}\).
твёрдые \(\ce{KOH}\), \(\ce{CaO}\)	Подходят \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\) и \(\ce{O2}\).	Кислотные газы \(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\) и \(\ce{HCl}\), а также \(\ce{Cl2}\) реагируют с осушителями.

Концентрированная серная кислота не годится для осушки бромоводорода и иодоводорода, поскольку окисляет их. В результате вместо сухого газа образуются галоген и продукты восстановления серы:

\[\ce{2HBr + H2SO4 -> Br2 + SO2 ^ + 2H2O}\qquad \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S ^ + 4H2O}\]

boltВыбор осушителя

При выборе осушителя сначала сопоставляют его кислотно-основные свойства со свойствами газа: кислотные осушители подходят для кислотных и нейтральных газов, а основные — для основных и нейтральных. Для аммиака подходят основные осушители, например \(\ce{CaO}\), \(\ce{KOH}\) и натронная известь. Затем проверяют, не вступят ли вещества в окислительно-восстановительную реакцию: сильные восстановители \(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\) и \(\ce{HI}\) нельзя сушить концентрированной серной кислотой, которая является окислителем.

Постоянный и переменный состав

В начале XIX века химики спорили о том, всегда ли чистое соединение имеет один и тот же состав. Жозеф Луи Пруст утверждал, что состав не зависит от способа получения вещества. Это положение получило название закона постоянства состава. Клод Луи Бертолле возражал: по его мнению, состав соединения может плавно меняться в зависимости от условий. В том споре прав оказался Пруст: многие вещества, которым Бертолле приписывал переменный состав, были смесями.

history_eduСпор Пруста и Бертолле

Пруст анализировал природный и полученный в лаборатории карбонат меди и каждый раз находил одно и то же соотношение меди, углерода и кислорода. Его спор с Бертолле несколько лет продолжался 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 Курнаков назвал соединения постоянного состава дальтонидами — в честь Джона Дальтона, а соединения переменного состава — бертоллидами.

Причину различий позволяет понять строение вещества. Молекулярные вещества (\(\ce{H2O}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{NH3}\)) имеют постоянный состав, поскольку каждая их молекула содержит определённое число атомов каждого элемента. У немолекулярных кристаллов — ионных, металлических и каркасных — состав может меняться в некоторой области. Например, в ионном кристалле часть мест в решётке может оставаться незанятой, а возникающее изменение заряда компенсируется изменением степени окисления других ионов.

Наиболее известный пример соединения переменного состава — вюстит, оксид железа(II). Стехиометрического \(\ce{FeO}\) при обычном давлении в равновесии не бывает: реальный состав выражают формулой \(\ce{Fe_{1-x}O}\), где \(x\) ≈ 0,05–0,15. На каждую вакансию железа приходятся два иона \(\ce{Fe^3+}\) вместо \(\ce{Fe^2+}\); благодаря этому 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_noteСодержание железа(III) в вюстите \(\ce{Fe_{0{,}90}O}\)

Пусть на один атом кислорода приходится \(a\) ионов \(\ce{Fe^2+}\) и \(b\) ионов \(\ce{Fe^3+}\). По числу атомов железа получаем \(a + b = 0{,}90\). Из условия электронейтральности следует \(2a + 3b = 2\). Вычитая из второго уравнения удвоенное первое, находим \(b = 2 - 1{,}80 = 0{,}20\) и \(a = 0{,}70\). Следовательно, доля железа(III) составляет \(0{,}20/0{,}90 = 22\) %.

Постоянство или переменность состава — не единственный вопрос, на который нужно ответить при чтении формулы. Важно также понять, описывает ли она отдельную молекулу. Например, формула \(\ce{NaCl}\) обозначает формульную единицу, то есть соотношение ионов в кристалле, а не молекулу. Каждый ион в этом кристалле окружён шестью ионами противоположного знака, поэтому отдельных молекул там нет. У молекулярных веществ привычная запись тоже может выражать лишь простейшее соотношение атомов, а не состав реальной молекулы.

Привычная запись	Реальные частицы	Как это установили
\(\ce{P2O5}\)	Вещество содержит молекулы \(\ce{P4O10}\).	Использовали плотность пара и рентгеноструктурный анализ.
\(\ce{AlCl3}\) (пар)	При умеренных температурах существуют димеры \(\ce{Al2Cl6}\).	Плотность пара оказалась вдвое больше расчётной.
\(\ce{HgCl}\)	Реальные частицы имеют состав \(\ce{Hg2Cl2}\) и связь Hg–Hg.	Вещество диамагнитно; ион \(\ce{Hg2^2+}\) обнаруживают в кристалле.
\(\ce{BH3}\)	Вещество содержит \(\ce{B2H6}\), или диборан.	Определили плотность газа.
\(\ce{S}\)	Вещество содержит кольца \(\ce{S8}\).	Определили молярную массу в растворе и провели рентгеноструктурный анализ.

boltПризнаки образования димеров

Если бы частица с простейшей формулой имела неспаренный электрон, как \(\ce{HgCl}\) или \(\ce{NO2}\), либо недостроенную электронную оболочку, как \(\ce{BH3}\) или \(\ce{AlCl3}\), проверьте возможность образования димера. Например, \(\ce{NO2}\) частично димеризуется по уравнению \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\), поэтому бурый газ при охлаждении светлеет.

push_pinГлавное

Химический элемент объединяет атомы с одинаковым зарядом ядра, а простое вещество состоит из атомов одного элемента. Один элемент может образовывать несколько простых веществ: примерами аллотропии служат \(\ce{O2}\) и \(\ce{O3}\), алмаз и графит, белый и красный фосфор. Компоненты смеси разделяют по различию физических свойств или с помощью реакции, в которую вступает один из них; при осушке газов осушитель не должен реагировать с самим газом. Молекулярные вещества имеют постоянный состав, тогда как состав немолекулярного кристалла может меняться, как у \(\ce{Fe_{1-x}O}\). Наконец, формула не всегда описывает молекулу: \(\ce{P2O5}\) выражает простейшее соотношение атомов, а реальные молекулы имеют состав \(\ce{P4O10}\).

Закрепите теорию: 13 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.