§ 2. Простые и сложные вещества. Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Простые и сложные вещества

По элементному составу вещества делят на простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного элемента, сложные — из атомов нескольких элементов.

Из атомов одного и того же элемента может быть образовано несколько различных по свойствам простых веществ. Так, элемент фосфор образует вещества белый фосфор Р₄, красный Р_{красный} и чёрный Р_чёрный, кислород — собственно кислород О₂ и озон О₃. Простые вещества одного и того же химического элемента называют его аллотропными формами (модификациями).

Понятие «простое вещество» нельзя отождествлять с понятием «химический элемент». Свойства простого вещества — плотность, температуры плавления, кипения и др. — относятся к устойчивой системе или совокупности частиц вещества. Химический элемент имеет характеристики отдельного атома — заряд ядра, размеры атома, электроотрицательность, степени окисления и др. Из атомов химических элементов, а не из простых веществ состоят сложные вещества: глюкоза состоит из таких элементов, как водород, кислород, углерод.

Напомним, что и простые вещества, и отдельные атомы, как правило, называются и обозначаются символами так же, как и соответствующий химический элемент. Например, простое вещество медь, химический элемент медь и атом меди обозначаются символом Cu; простое вещество азот N₂, элемент азот N и атом азота N.

При наличии аллотропных модификаций простые вещества могут иметь разные названия. Например, элемент углерод С образует простые вещества с названиями: графит (С_графит), алмаз (С_алмаз), фуллерен (С₆₀).

Состав и простого, и сложного вещества отражает химическая формула — условная запись состава вещества с помощью химических символов и числовых индексов, показывающая качественный и количественный состав вещества. Качественный состав определяется видом атомов элементов, образующих данное вещество, а количественный состав показывает соотношение элементов по числу атомов. Например, химическая формула карбоната кальция СaСO₃ показывает, что вещество сложное, состоит из элементов кальций, углерод и кислород (качественный состав), а соотношение атомов кальция, углерода и кислорода в веществе 1 : 1 : 3 указывает количественный состав.

Количественное соотношение атомов в веществе можно установить различными методами. Так, соотношение атомов углерода и водорода в метане равно 1 : 4 и его химическая формула СН₄, в бензоле это соотношение равно 1 : 1, но, как вам известно, его химическая формула С₆Н₆. Правомерно задать вопрос: почему в химической формуле бензола индексы 6 и 6, а не 1 и 1? Почему в химической формуле простого вещества водород Н₂ индекс 2, а формула меди Сu индексов не содержит? Чтобы найти ответы на эти вопросы, повторим известные вам сведения о строении вещества.

Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Различают вещества молекулярного и немолекулярного строения. Вещества молекулярного строения состоят из молекул, немолекулярного — из ионов или атомов.

Молекула — наименьшая электронейтральная частица вещества, состоящая из химически связанных атомов, способная существовать самостоятельно и сохранять химические свойства всего вещества.

Число атомов в молекуле каждого определённого вещества строго постоянно. Так, различные методы исследования показывают, что в молекуле бензола 12 атомов — 6 углерода и 6 водорода, значит, и химическая формула С₆Н₆. Химическую формулу вещества молекулярного строения называют молекулярной формулой.

Отдельная молекула проявляет определённые химические свойства, то есть способна вступать в химические реакции с образованием других веществ. Молекулы сложных веществ могут распадаться с образованием других молекул. Например, из молекулы этана С₂Н₆ могут образоваться две иные молекулы — водорода Н₂ и этилена С₂Н₄. Но молекула не имеет цвета, температур плавления, кипения и иных физических свойств вещества как устойчивой системы молекул. Вещества молекулярного строения отличаются, как правило, невысокими температурами плавления и кипения. К веществам молекулярного строения относятся все газообразные и жидкие при комнатной температуре неорганические вещества (за исключением ртути), некоторые твёрдые неорганические вещества (например, йод I₂, фосфорная кислота Н₃РО₄) и подавляющее число органических соединений.

Вещества молекулярного строения составляют более 90 % от общего числа известных веществ.

Стоит запомнить химические формулы простых веществ молекулярного строения:

• • с одноатомными молекулами (благородные газы) — He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn;
• • двухатомными молекулами — H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂;
• • бо́льшим числом атомов — O₃, Р₄, S₈.

Вещества немолекулярного строения состоят из химически связанных атомов (алмаз, кварц) либо заряженных ионов (соли, щёлочи). При комнатной температуре они обычно представляют собой твёрдые нелетучие вещества с высокими температурами кипения и плавления. В их составе условно можно выделить многократно повторяющуюся группу атомов или ионов, соответствующую простейшей формуле. Её называют формульной единицей.

Формульная единица — группа атомов или ионов, состав которой соответствует химической (простейшей) формуле вещества немолекулярного строения.

Например, химическая формула хлорида кальция CaCl₂ — вещества немолекулярного строения — показывает как состав формульной единицы, так и простейшее соотношение числа атомов химических элементов в веществе в целом (1 : 2).

Химические формулы простых веществ немолекулярного строения выражаются знаками соответствующих элементов без числовых индексов — Fe, Мg, B, C, Si.

Более детально вопросы строения вещества мы рассмотрим в главе «Химическая связь и строение вещества».

Относительная молекулярная (формульная) масса

Масса любой молекулы равна сумме масс образующих её атомов, а значит, и относительная молекулярная масса (М_r) равна сумме относительных атомных масс:

Аналогично рассчитывается относительная формульная масса веществ немолекулярного строения:

Относительной молекулярной (формульной) массой вещества M_r называется безразмерная физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса молекулы (формульной единицы) больше единицы атомной массы m_u.

По химической формуле можно рассчитать массовые доли элементов в веществе: , где х — число атомов элемента Э. Например, массовая доля серы в пирите:

Вопросы, задания, задачи

1. Выпишите химические формулы простых веществ: H₂S, N, N₂, CO₂, F₂, Fe, CaCl₂, Cu, H, Br₂, I₂, СаСО₃, НNO₃, S₈.

2. Укажите, качественный или количественный состав характеризует утверждение:

• а) в состав молекулы ацетона входят атомы углерода, водорода и кислорода;
• б) медь, углерод, кислород и водород входят в состав малахита;
• в) в кальцинированной соде на два атома натрия приходится один атом углерода и три атома кислорода;
• г) массовая доля алюминия в его оксиде равна 53 %.

3. Определите, молекулярное или немолекулярное строение имеет каждое из перечисленных веществ:

• А — t_пл. 801 °С;
• Б — плотность 0,76 г/дм³ (н. у.);
• В — t_кип. 15 °С;
• Г — t_пл. 1492 °С.

4. Рассчитайте относительную молекулярную (формульную) массу веществ, химические формулы которых:

• а) NH₃, CH₃COOH;
• б) Ca₃(PO₄)₂, CuSO₄ · 5H₂O.

5. Опишите качественный и количественный состав фосфата кальция Ca₃(PO₄)₂.

6. Рассчитайте массовую долю металла в веществе, химическая формула которого:

• а) Al₂(SO₄)₃;
• б) FeSO₄ · 7H₂O.

7. Заполните таблицу, сравнивая вещества молекулярного и немолекулярного строения по следующим параметрам:

• 1) наименьшая структурная единица вещества;
• 2) прочность связи между частицами (низкая, высокая);
• 3) агрегатное состояние при комнатной температуре;
• 4) летучесть (способность к испарению);
• 5) температура плавления и кипения (низкая, высокая);
• 6) примеры веществ.

8. Относительная формульная масса соли состава Э₂(SO₄)₃ равна 392. Определите химический элемент, укажите, какое из четырёх значений температуры плавления соответствует его простому веществу: –259 °С, –85,6 °С, 0 °С, 1890 °С. Объясните ваш выбор.

9. Определите массовую долю азота в смеси, содержащей 10 г мочевины (NH₂)₂CO и столько же хлорида калия.

10. Руда содержит минералы FeS₂ (массовая доля 92 %), FeAsS (массовая доля 6 %) и примеси, не содержащие серу. Рассчитайте массу серы, содержащейся в 1 кг такой руды.

*Самоконтроль

1. К сложным веществам относятся:

• а) N₂;
• б) H₂O₂;
• в) P₄;
• г) H₃PO₄.

2. Молекулярное строение имеют вещества, для которых:

• а) t_кип. 195,8 °С;
• б) t_пл. –78 °С;
• в) плотность 22,6 г/см³;
• г) плотность 1,4 г/дм³.

3. К веществам немолекулярного строения относятся вещества, химические формулы которых:

• а) N₂;
• б) Zn;
• в) FeSO₄;
• г) H₂О.

4. Относительную молекулярную массу 30 имеют вещества, формулы которых:

• а) NО;
• б) HCl;
• в) P₄;
• г) С₂Н₆.

5. Относительная молекулярная масса смеси, в которой на одну молекулу метана приходится две молекулы кислорода, равна:

• а) 26,7;
• б) 24;
• в) 16;
• г) 8.