§ 14. Прості речовини. Метали і неметали металічні і неметалічні елементи

ЯКІ РЕЧОВИНИ НАЛЕЖАТЬ ДО ПРОСТИХ? Особливістю будь-якої науки є те, що досліджувані об’єкти підлягають класифікації*. Хімічна наука не є винятком, адже речовини без належної класифікації вивчати неможливо.

* Класифікація — поділ будь-чого за певними ознаками.

За своїм складом речовини поділяють на прості й складні.

• Прості речовини — це речовини, утворені атомами одного хімічного елемента.

У наведеному переліку формул: Fe, О_2, Н₂О, NaHCO₃, NaCl, H₂SO_4, Ν₂, Al₂O₃, Al, O₃ знайдемо формули простих речовин. Користуючись зазначеним вище визначенням простих речовин, робимо висновок, що це будуть формули: Fe, О₂, N₂, Аl, О₃. Інші формули утворені із символів різних хімічних елементів. Як вам відомо з природознавства, це — складні речовини.

Атоми одного хімічного елемента можуть утворювати кілька простих речовин. Наприклад, з атомів Оксигену складаються молекули кисню О₂ та озону О₃. Їх хімічні формули різняться кількістю атомів Оксигену. Саме це відображено на малюнку 55.

Мал. 55. Моделі молекул кисню (а) та озону (б)

З атомів Карбону утворені найтвердіша природна речовина алмаз і графіт, що залишає написи на папері. Хімічні формули обох цих речовин записують однаково — С. Відмінності у властивостях алмазу й графіту зумовлені не різним кількісним чи якісним складом, а різним просторовим розміщення атомів Карбону в речовині один відносно одного (мал. 56). У графіту вони розміщені шарами, причому відстані між атомами в межах одного шару значно менші, ніж між сусідніми шарами (мал. 56, г.) Тому достатньо злегка натиснути на олівець і цілісність між шарами порушується. В алмазі атоми Карбону розміщені таким чином, що перебувають на однаковій відстані один від одного, а зв’язки між ними спрямовані до вершин тетраедра (мал. 56. б). Це зумовлює високу твердість речовини.

Мал. 56. Алмаз (а) та графіт (в) і моделі їх структури (б, г)

Беручи до уваги наведені приклади, поміркуйте, чого більше — хімічних елементів чи простих речовин.

За сучасною українською хімічною номенклатурою назви деяких простих речовин не збігаються з назвами хімічних елементів, з яких вони утворилися. У таблиці наведено приклади таких речовин. Ознайомтеся з ними.

Знайдіть у таблиці й випишіть у зошит назви й формули простих речовин, що мають двохатомні молекули.

Формули та назви простих речовин

Проста речовина

Назва хімічного елемента

Проста речовина

Назва хімічного елемента

Зверніть увагу! Назви простих речовин пишуть з малої букви, назви хімічних елементів — з великої.

МЕТАЛИ І НЕМЕТАЛИ. Прості речовини поділяють на метали і неметали. До металів належать цинк Ζn, калій К, кальцій Са, магній Mg, олово Sn, свинець Рb, мідь Сu, залізо Fe, алюміній Аl, срібло Ag, золото Au та інші (мал. 57).

Мал. 57. Зразки металів: а — цинк, б — алюміній, в — залізо, г — мідь

Прикладами неметалів є водень Н₂, кисень О₂, озон О₃, азот N₂, гелій Не, неон Nе, аргон Аr, вуглець С (таку спільну назву застосовують до всіх простих речовин Карбону), сірка S, фосфор Р, хлор Сl₂, йод I₂ та інші (мал. 58).

Мал. 58. Зразки неметалів: а — йод, б — сірка, в — фосфор, г — хлор

Серед хімічних елементів переважають металічні. З відомих на сьогодні хімічних елементів неметалічними є лише 22.

У параграфах 6 і 7 було розглянуто основні фізичні властивості речовин. Орієнтуючись на це, складемо характеристики простих речовин металів і неметалів.

Спільними властивостями всіх металів є висока теплопровідність й електропровідність; сірий, сріблясто-сірий колір (приклади винятків: золото — жовте, мідь — цегляно-червона); відсутність запаху; пластичність — їх легко кувати, витягувати в дріт, прокатувати в листи. Усі метали за кімнатної температури перебувають у твердому агрегатному стані, окрім ртуті (рідина).

Перелічені властивості металів не характерні для неметалів. Тому про них можна сказати, що це прості речовини, які не мають металічних властивостей. Так, неметали не проводять чи погано проводять тепло й електричний струм, є крихкими, а не пластичними. Водень, кисень, азот, фтор, хлор, гелій, аргон та інші за кімнатної температури перебувають у газоподібному агрегатному стані. Фосфор, вуглець, сірка, йод є твердими речовинами, бром — рідина. У неметалів спостерігається більше відмінностей за кольором, ніж у металів. Так, кисень та водень безбарвні, сірка — жовта, хлор — жовто-зелений, бром — темно-бурий.

Слід наголосити, що поділ простих речовин лише за фізичними властивостями на метали і неметали є неточним. Наприклад, неметал йод має металічний блиск, а неметалу графіту властива висока електропровідність. У наступних класах ви розширите знання про поділ простих речовин на метали і неметали на основі відмінностей будови їхніх атомів та хімічних властивостей.

РОЗМІЩЕННЯ МЕТАЛІЧНИХ І НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ. Хімічні елементи, з атомів яких утворені прості речовини — метали, називають металічними, а хімічні елементи, з атомів яких утворені прості речовини — неметали, — неметалічними.

У параграфі 12 ви вперше ознайомилися з періодичною системою хімічних елементів. Відтепер вам відомо, що хімічні елементи розміщено за збільшенням заряду ядер атомів і що за кожним елементом незмінно закріплена одна клітинка. А чи існує якась закономірність у розміщенні металічних та неметалічних елементів у періодичній системі? Щоб одержати відповідь на це запитання, попрацюємо з таблицею. Оберемо для розгляду 1-й, 2-й і 3-й періоди. У першому періоді металічних елементів немає. Другий період розпочинається металічним елементом Літієм Li. Наступний елемент Берилій Be теж належить до металічних. Решта елементів цього періоду є неметалічними.

Третій період також розпочинається металічним елементом Натрієм Na, після якого розміщені ще два металічних елементи — Магній Mg та Алюміній Аl. Далі, як і в другому періоді, розміщені неметалічні елементи.

Прочитайте вголос назви елементів 1-го, 2-го і 3-го періодів.

Дещо по-іншому розміщені металічні й неметалічні елементи у вертикальних стовпчиках таблиці — групах, що пронумеровані римськими цифрами від І до VIII. Так, усі клітинки І і II груп (окрім першої у І групі) заповнені металічними елементами. На початку решти груп розміщені неметалічні елементи, а в кінці — металічні.

Знайдіть з учителем і прочитайте вголос назви неметалічних елементів, якими розпочинаються III—VIII групи.

Розглянуті приклади ілюструють загальне правило розміщення металічних і неметалічних елементів у періодах і групах періодичної системи:

• Металічні елементи розміщені у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва на початку періодів і в кінці груп, а неметалічні — у кінці періодів і на початку груп.

ПОШИРЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ У ПРИРОДІ. У природі у складі різних речовин трапляються 92 хімічних елементи. Поширені вони в літосфері, гідросфері та верхніх шарах атмосфери нерівномірно. Є елементи-лідери, а є такі, вміст яких дуже малий.

Мал. 59. Поширення хімічних елементів у земній корі (за масою)

Пригадайте з географії, які оболонки Землі називають літосферою, атмосферою, гідросферою.

За малюнком 59 з’ясуйте, які три металічних і три неметалічних елементи найпоширеніші на Землі. Металічні чи неметалічні хімічні елементи переважають у складі речовин на планеті Земля?

Скарбничка ерудита

Серед простих речовин є свої «чемпіони» з тих чи інших фізичних властивостей. Так, алмаз має найвищу твердість, метал вольфрам — найбільш тугоплавкий. Найлегшим металом є літій, а найлегшим неметалом — водень. Серед металів найвищу теплопровідність мають срібло, мідь, алюміній. Низька теплопровідність у вісмуту й ртуті. Існують м’які метали, які можна різати ножем, наприклад, натрій, калій, кальцій, а найбільшу твердість серед металів має хром — ним можна різати скло. Висока пластичність у золота. Це дає змогу виготовляти з нього плівку всього лише 0,003 мм завтовшки.

1. Які речовини називають простими? Наведіть приклади.

2. На які групи поділяють прості речовини? Представників якої групи існує більше?

3. Назвіть спільні фізичні властивості металів.

4. Що вам відомо про розташування металічних і неметалічних елементів у періодичній системі?

5. Яким металічним елементом розпочинається 4-й період?

6. Яким неметалічним елементом розпочинається V група?

7. Назвіть по три найпоширеніші на Землі неметалічні і металічні хімічні елементи.

8. З переліку хімічних елементів виберіть неметалічні та розмістіть їх у порядку збільшення відносної атомної маси: Магній, Оксиген, Гідроген, Ферум, Нітроген, Хлор.

9. Користуючись періодичною системою хімічних елементів, назвіть хімічний елемент, який розміщений у 3-му періоді й VIII групі. До металічних чи неметалічних елементів він належить? Скільки протонів та електронів у складі його атома?

10. Заповніть пропуски в наведених реченнях словами «металічним», «неметалічним» та назвами відповідних елементів:

Другий період періодичної системи розпочинається ____ елементом ____, а закінчується ____ елементом ____.

Шоста група періодичної системи розпочинається ____ елементом ____, а закінчується ____ елементом ____.

11*. Укажіть якомога більше ознак, за якими укладено переліки простих речовин:

Виконайте і презентуйте навчальний проект на тему «Хімічні елементи в складі різних небесних тіл», наприклад, планет, Сонця, Місяця, метеоритів

§ 15. Періодична система хімічних елементів з позиції теорії будови атома

Вивчаючи будову атома, вам неодноразово доводилося звертатись за тією чи іншою інформацією до періодичної системи хімічних елементів. Адже ви знаєте, що кожний елемент у періодичній системі займає постійне, чітко визначене місце. За ним можна безпомилково дізнатися про: а) заряд ядра атома; б) кількість електронів в електронній оболонці атома; в) кількість енергетичних рівнів для кожного хімічного елемента.

ПОРЯДКОВИЙ НОМЕР ЕЛЕМЕНТА В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ТА БУДОВА АТОМА. Порядковий номер має однакове значення з протонним числом. Отже, який порядковий номер хімічного елемента, стільки й протонів міститься в ядрі атома.

Величина позитивного заряду ядра атома однакова з порядковим номером хімічного елемента в періодичній системі. Кількість електронів в електронній оболонці атома теж дорівнює порядковому номеру.

Тобто алгебраїчна сума зарядів протонів й електронів в атомі дорівнює нулю. Саме тому атом — електронейтральна частинка.

НОМЕР ПЕРІОДУ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента в періоді періодичної системи визначає кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома.

Кількість енергетичних рівнів (електронних шарів) в електронній оболонці атома завжди дорівнює номеру періоду, в якому розташований хімічний елемент.

Це означає, що в усіх елементів одного періоду кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атомів однакова. Переконаємося в цьому на прикладі будови електронних оболонок атомів Літію, Карбону, Неону (схема 11).

Схема 11. Будова електронних оболонок атомів

Як бачимо, атоми кожного з розглянутих хімічних елементів мають по два енергетичні рівні, незважаючи на різну кількість електронів в електронній оболонці атома та на зовнішньому енергетичному рівні. Приклад 1 ілюструє практичне застосування знань про взаємозв’язок номера періоду з будовою атома.

Приклад 1. Електронна оболонка атома якого з елементів — Аргентуму Ag, Стронцію Sr чи Кальцію Са — має найменшу кількість енергетичних рівнів?

1. Встановимо розташування зазначених хімічних елементів у періодах періодичної системи:

Аргентум під порядковим номером 47 розташований у 5 періоді. Стронцій (порядковий номер 38) теж елемент 5 періоду. Кальцій розміщено в 4 періоді.

2. Знаючи, що кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома збігається з номером періоду, робимо висновок, що електронні оболонки атомів Аргентуму та Стронцію мають по 5 енергетичних рівнів, а Кальцію — чотири.

Відповідь: найменша кількість енергетичних рівнів в електронній оболонці атома Кальцію.

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА БУДОВА АТОМА. Положення хімічного елемента у групі періодичної системи тісно пов’язане з будовою електронних оболонок атомів. Так, в елементів головних підгруп короткоперіодної системи та групах А довгоперіодної системи номер групи збігається з кількістю електронів на зовнішньому енергетичному рівні електронної оболонки атома. Тобто валентні електрони в атомах елементів цих підгруп розташовані на зовнішньому енергетичному рівні.

В елементів побічних підгруп короткоперіодної системи та груп Б довгоперіодної системи номер групи збігається з максимальною валентністю атомів елемента у сполуках з Оксигеном (оксидах). Валентні електрони таких атомів розташовані не лише на зовнішньому енергетичному рівні, а й на попередньому енергетичному рівні.

Валентність елементів зі сталою валентністю і, як правило, максимальна валентність елементів зі змінною валентністю збігаються з номером групи.

Знаючи це, ви зможете легко визначати валентність хімічного елемента за його місцем у групі періодичної системи.

Приклад 2. Чому неметалічний елемент Хлор і металічний елемент Манган належать до однієї групи? Складіть формули оксидів з максимальною валентністю цих елементів.

1. З’ясуємо, про яку групу йдеться в умові завдання.

Періодична система свідчить про те, що обидва елементи розташовані в VII групі, але Хлор — у головній підгрупі, а Манган — у побічній.

2. За номером групи робимо висновок про те, що кожен з атомів має по сім валентних електронів. У неметалічного елемента головної підгрупи Хлору вони розташовані на зовнішньому енергетичному рівні. У металічного елемента побічної підгрупи Мангану два з них (як у переважної більшості металічних елементів побічних підгруп) розміщені на останньому (зовнішньому) енергетичному рівні. Ще п’ять він використовує з тих, що перебувають на передостанньому рівні на підрівні d.

3. Розглянуті елементи можуть утворювати оксиди з максимальною валентністю VII.

НОМЕР ГРУПИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ТА ЛЕТКІ СПОЛУКИ ЕЛЕМЕНТА З ГІДРОГЕНОМ. Номер групи дозволяє визначити валентність неметалічного елемента в його леткій сполуці з Гідрогеном. Валентність дорівнює різниці між числом 8 і числом, що позначає номер групи.

Приклад 3. Складіть формулу леткої сполуки з Гідрогеном та вищого оксиду неметалічного елемента з порядковим номером 52.

1. З’ясовуємо, який елемент розташований у періодичній системі під номером 52 та до якої групи і підгрупи він належить.

Це елемент VI групи головної підгрупи Телур Те.

2. Визначаємо його валентність у леткій сполуці з Гідрогеном.

3. Складаємо формулу леткої сполуки Телуру з Гідрогеном за валентністю.

4. Складаємо формулу оксиду з найвищою валентністю Телуру. Номер групи свідчить про те, що в такому оксиді Телур виявляє валентність VI.

Зверніть увагу на те, що сума валентностей неметалічного елемента Телуру в його вищому оксиді й леткій сполуці з Гідрогеном дорівнює 8. Це поширюється й на інші неметалічні елементи, які утворюють сполуки з Гідрогеном та Оксигеном.

Попрацюйте групами

Уважно прочитайте сформульовані в параграфі правила й до кожного з них наведіть і запишіть конкретні приклади.

Пересвідчіться, що періодична система відображає будову атомів хімічних елементів.

РОЗТАШУВАННЯ В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ ЛАНТАНОЇДІВ ТА АКТИНОЇДІВ ІЗ ПОЗИЦІЇ ТЕОРІЇ БУДОВИ АТОМА. У параграфі 8 ішлося про те, що властивості сполук металічних елементів лантаноїдів багато в чому подібні. Те саме можна сказати і про сполуки актиноїдів. Виявляється, що це зумовлюється однаковою будовою зовнішнього енергетичного рівня електронної оболонки атомів і заповнення електронами 4 f-підрівнів (лантаноїди) і 5 f-підрівнів (актиноїди). Тому їх називають f-елементами.

МІСЦЕ МЕТАЛІЧНИХ І НЕМЕТАЛІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ З ПОЗИЦІЇ БУДОВИ ЕЛЕКТРОННИХ ОБОЛОНОК АТОМА. Розглянемо, як узгоджується з будовою електронних оболонок атомів місце металічних і неметалічних хімічних елементів у періодичній системі на прикладі елементів третього періоду. Ви вже знаєте, що періоди починаються (виняток становить перший період) металічним елементом. Закінчуються періоди інертними елементами (окрім сьомого), яким передують представники родини неметалічних елементів галогенів. Подана в таблиці 10 інформація переконує в тому, що в межах третього періоду зі збільшенням порядкового номера хімічного елемента збільшується загальна кількість електронів в електронній оболонці та на її зовнішньому енергетичному рівні. Отже, така будова електронних оболонок атомів елементів одного періоду обумовлює розташування металічних елементів на початку періодів, а неметалічних — у кінці. У таблиці 10 ви бачите, що Натрій, Магній, Алюміній — металічні елементи, а Силіцій, Фосфор, Сульфур, Хлор, Аргон — неметалічні.

Порівняння елементів третього періоду та їх деяких сполук

Ознаки порівняння

Елементи третього періоду

§ 9. Характеристика хімічного елемента

Зрозумівши суть періодичного закону, знаючи, яка інформація про хімічні елементи міститься у періодичній системі, і спираючись на електронну будову атома, ви можете скласти характеристику елемента. Пропонуємо це робити за таким планом:

1. Назва і символ елемента, його місце в періодичній системі (номер періоду, номер групи, головна чи побічна підгрупа). Назва простої речовини.

3. Склад атома, тобто кількість у ньому протонів, нейтронів (якщо елемент належить до двадцяти елементів, які мають по одному природному нукліду) й електронів.

4. Електронна будова атома, тобто розміщення електронів на енергетичних рівнях і підрівнях.

5. Тип елемента (s-, р-, d-, f-), його хімічний характер (металічним чи неметалічним є елемент).

6. Максимальне і мінімальне значення валентності (за номером групи періодичної системи, у якій міститься елемент).

7. Тип простої речовини, утвореної елементом (метал чи неметал).

ВПРАВА. Скласти характеристику Фосфору.

1. Елемент Фосфор міститься в 3-му періоді, у V групі, головній підгрупі. Символ елемента — Р. Оскільки назви простої речовини у клітинці періодичної системи немає (мал. 24), то вона така сама, як і назва елемента. Зауважимо, що елемент утворює кілька простих речовин. Найважливіші серед них — червоний і білий фосфор.

Мал. 24. Клітинка Фосфору в періодичній системі

2. Відносна атомна маса елемента — 30,974.

3. Порядковий номер елемента (протонне число) — 15. Це число вказує на те, що до складу атома Фосфору входять 15 протонів і 15 електронів.

Фосфор є одним із двадцяти елементів (с. 23), які мають по одному природному нукліду. Нуклонне число для цього нукліда отримуємо, округлюючи значення відносної атомної маси Фосфору до цілого числа: 30,974 ≈ 31. Позначення нукліда — 3 1 P. Кількість нейтронів у ядрі нукліда дорівнює різниці між нуклонним і протонним числами: 31 – 15 = 16.

4. Оскільки Фосфор міститься в 3-му періоді, то електрони в його атомі розташовані на 3-х енергетичних рівнях. Перший і другий рівні заповнені; на них перебуває відповідно 2 і 8 електронів (такою є електронна будова атома елемента № 10 Неону). На третьому, зовнішньому, рівні містяться 5 електронів (їх кількість для елемента головної підгрупи збігається з номером групи): два електрони — на 3s-підрівні і три — на 3р-підрівні.

Електронна формула атома Фосфору — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 , або [Ne]3s 2 3p 3 . Її графічний варіант (із позначенням заповнених і вакантних d-орбіталей останнього енергетичного рівня) такий:

5. Фосфор належить до p-елементів, оскільки при заповненні електронами орбіталей атома останній електрон надходить у р-орбіталь. Фосфор — неметалічний елемент; він перебуває в довгому варіанті періодичної системи справа від ламаної лінії.

6. Максимальне значення валентності Фосфору дорівнює 5 (це елемент V групи), а мінімальне значення становить 8 – 5 = 3 (визначаємо за правилом, наведеним у попередньому параграфі).

7. Оскільки Фосфор — неметалічний елемент, то його прості речовини є неметалами.

Звернемо увагу на елемент, який розміщують у двох клітинках періодичної системи. Це — Гідроген; його можна знайти в головних підгрупах І та VII груп. Кожний варіант розташування елемента має свої підстави.

Гідроген, як і лужні елементи, є одновалентним. Його атом містить на останньому (єдиному) енергетичному рівні один електрон. Водночас Гідроген подібний до галогенів. Це неметалічний елемент. Значення його валентності збігається з мінімальним значенням валентності галогенів. Проста речовина Гідрогену — газ водень Н₂ — складається з двохатомних молекул, як і галогени F₂, Сl₂, Вr₂, I₂, а також має деякі спільні з ними властивості.

Якому ж варіанту розміщення Гідрогену в періодичній системі слід надати перевагу? Одностайної думки у хіміків немає. Тому цей елемент можна виявити і в першій, і в сьомій групі. При складанні характеристики Гідрогену слід ураховувати обидва варіанти його розміщення в періодичній системі.

Хімічний елемент характеризують, указуючи його місце в періодичній системі, відносну атомну масу, склад і електронну будову атома, хімічний характер, тип (за електронною будовою атома), максимальне і мінімальне (для неметалічних елементів) значення валентності. Крім цього, зазначають назву і тип простої речовини елемента.

• 61. У поданому переліку вкажіть елементи, для яких не можна визначити кількість нейтронів у ядрі атома за відносною атомною масою: Na, Сl, Н, Al, Fe.
• 62. Назвіть кілька елементів, максимальне значення валентності яких дорівнює 7.
• 63. Для яких елементів максимальні значення валентності не збігаються з номерами груп, де вони розміщені?
• 64. Неметалічні елементи якої групи періодичної системи мають мінімальне значення валентності, що дорівнює 2?
• 65. У чому подібні водень і хлор — проста речовина елемента VII групи? Чим відрізняється водень від натрію — простої речовини елемента І групи?