Вещества: строение и классификация

Коротко о главном

Свойства вещества зависят от строения атомов, из которых оно состоит, и от того, как эти атомы связаны. Место элемента в Периодической системе подсказывает строение его атома, а строение атома — свойства элемента, его оксида и гидроксида.

\[A = Z + N\]

Подробное объяснение

Почему натрий бурно реагирует с водой, а неон не реагирует ни с чем? Почему соль тает при 800 °C, а сахар плавится уже на сковородке? Ответы — в строении атомов и в типе связи между ними. Эта тема собирает всё, что нужно для первых заданий ОГЭ.

Строение атома

Атом состоит из ядра и электронов. В ядре — протоны (заряд +1) и нейтроны (без заряда).

Порядковый номер $$Z$$ — число протонов в ядре и число электронов в атоме.
Массовое число $$A$$ — сумма протонов и нейтронов: $$A = Z + N$$ , отсюда $$N = A - Z$$ .
Номер периода — число электронных слоёв.
Номер А-группы — число электронов на внешнем слое.

Пример: фосфор, $$Z = 15$$ , третий период, VA-группа — электроны по слоям 2, 8, 5.

Как меняются свойства в Периодической системе

Схема-фрагмент Периодической системы. Стрелка вправо — по периоду радиус уменьшается, ЭО и неметаллические свойства растут; стрелка вниз — по А-группе радиус и металлические свойства растут. Фтор вверху справа, цезий внизу слева. — Самый электроотрицательный элемент — фтор в правом верхнем углу, самые активные металлы — внизу слева.

По периоду слева направо заряд ядра растёт, а слоёв столько же. Электроны притягиваются сильнее, радиус атома уменьшается, электроотрицательность (ЭО) растёт. Металлические и восстановительные свойства ослабевают, неметаллические и окислительные усиливаются. Высшие оксиды и гидроксиды меняются от основных через амфотерные к кислотным: $\mathrm{Na_2O}$ , $\mathrm{MgO}$ → $\mathrm{Al_2O_3}$ → $\mathrm{SiO_2}$ , $\mathrm{P_2O_5}$ , $\mathrm{SO_3}$ , $\mathrm{Cl_2O_7}$ .

Вниз по А-группе добавляется слой, радиус растёт, внешние электроны держатся слабее. Металлические свойства усиливаются, неметаллические и ЭО — ослабевают.

Самый электроотрицательный элемент — фтор (правый верхний угол без благородных газов). Чем дальше элемент от фтора, тем меньше его ЭО.

Степень окисления

Степень окисления — условный заряд атома, если считать все связи ионными. Правила:

В простом веществе — 0.
Водород в соединениях +1 (в гидридах металлов, например $\mathrm{NaH}$ , −1).
Кислород −2 (в пероксидах $\mathrm{H_2O_2}$ −1, во фториде $\mathrm{OF_2}$ +2).
Высшая степень окисления обычно равна номеру группы, низшая у неметалла — номер группы минус 8.
Сумма степеней окисления в молекуле равна 0, в ионе — заряду иона.

Химическая связь и кристаллические решётки

Ионная — между металлом и неметаллом: $\mathrm{NaCl}$ , $\mathrm{CaO}$ . Решётка ионная: вещества твёрдые, тугоплавкие, расплавы и растворы проводят ток.
Ковалентная неполярная — между одинаковыми атомами неметалла: $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{O_2}$ , алмаз. Решётка молекулярная (летучие, легкоплавкие вещества) или атомная (очень твёрдые, тугоплавкие).
Ковалентная полярная — между разными неметаллами: $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{SiO_2}$ . Решётка чаще молекулярная, у $\mathrm{SiO_2}$ — атомная.
Металлическая — в металлах: $\mathrm{Fe}$ , $\mathrm{Cu}$ . Решётка металлическая: блеск, ковкость, тепло- и электропроводность.

Атомная решётка встречается редко — запомните алмаз, графит, кремний, бор, $\mathrm{SiO_2}$ (кварц, песок).

Классы веществ

Простые вещества делят на металлы и неметаллы (с благородными газами). Сложные — на оксиды (основные, амфотерные, кислотные, несолеобразующие), основания, кислоты, амфотерные гидроксиды и соли (средние, кислые, основные). Характер оксида и гидроксида задаёт степень окисления: металл в +1, +2 — обычно основный, Al, Zn, Be — амфотерный, неметалл или металл в +6, +7 — кислотный.

Как решать задания ОГЭ по строению вещества

Найдите элементы в таблице: период, группу, порядковый номер.
Для строения атома: $$Z$$ — электроны, слоёв — номер периода, внешних — номер группы.
Для рядов: определите направление — по периоду или по группе — и вспомните, что растёт, а что падает.
Для связи: металл + неметалл — ионная; одинаковые неметаллы — неполярная; разные — полярная; металл — металлическая.
Для степени окисления: составьте уравнение «сумма равна нулю (или заряду иона)».

Разобранные примеры

База

Элемент по распределению электронов

Условие

Атом элемента имеет распределение электронов 2, 8, 5. Назовите элемент, его высший оксид и летучее водородное соединение.

Решение

Электронов $$2 + 8 + 5 = 15$$ — это фосфор. Три слоя — третий период, пять внешних электронов — VA-группа.

Высшая степень окисления +5, высший оксид $\mathrm{P_2O_5}$ (кислотный). Низшая $$5 - 8 = -3$$ , водородное соединение $\mathrm{PH_3}$ (фосфин).

Ответ: Фосфор; P₂O₅ и PH₃

Средний

Степень окисления в сложной соли

Условие

Определите степень окисления хрома в дихромате калия $\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ .

Решение

Калий +1, кислород −2, атомов хрома два. Пусть степень окисления хрома $$x$$ :

2 \cdot (+1) + 2x + 7 \cdot (-2) = 0

$$2x = 14 - 2 = 12$$ , $$x = +6$$ .

Ответ: +6

Сложный

Элемент по иону

Условие

Ион $\mathrm{X^{2+}}$ содержит 18 электронов. Какой это элемент? Какая связь и решётка у его хлорида?

Решение

Ион с зарядом 2+ получается, когда атом отдаёт два электрона. Значит, в атоме $$18 + 2 = 20$$ электронов, $$Z = 20$$ — это кальций (IIA-группа, сходится с зарядом 2+).

Хлорид кальция $\mathrm{CaCl_2}$ — соединение металла с неметаллом: связь ионная, решётка ионная (твёрдое, тугоплавкое вещество, раствор проводит ток).

Ответ: Кальций; в CaCl₂ связь и решётка ионные

Типичные ошибки

Считают, что радиус атома растёт по периоду, раз растёт заряд ядра

Почему неверно

Число слоёв в периоде не меняется, а заряд ядра растёт. Ядро сильнее притягивает электроны, и атом «сжимается». Поэтому у хлора радиус меньше, чем у натрия, хотя протонов больше.

Как правильно

По периоду слева направо радиус уменьшается, вниз по группе — растёт. Самые большие атомы — внизу слева (Cs, Fr), самые маленькие — вверху справа.

Путают степень окисления и валентность

Почему неверно

Валентность — число связей атома, она без знака. Степень окисления — условный заряд, она может быть отрицательной и нулевой. В молекуле $\mathrm{N_2}$ азот трёхвалентен (тройная связь), но его степень окисления 0.

Как правильно

В простом веществе степень окисления всегда 0. В соединении считайте её по правилу «сумма равна нулю», учитывая знак.

Пишут, что связь в HCl или H₂O ионная, «потому что вещество растворяется и даёт ионы»

Почему неверно

Вид связи определяют по самим атомам, а не по поведению в растворе. В молекуле $\mathrm{HCl}$ — два неметалла, общая пара электронов лишь смещена к хлору. На ионы она распадается только под действием воды.

Как правильно

Разные неметаллы — ковалентная полярная связь, даже если вещество — сильный электролит. Ионная связь — между металлом и неметаллом.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме хлора-35, то есть $\mathrm{^{35}_{17}Cl}$ ?

Подсказка

Порядковый номер — это число протонов и электронов, а число нейтронов равно разности массового числа и порядкового номера.

Решение

Порядковый номер хлора $$Z = 17$$ : в ядре 17 протонов, вокруг ядра 17 электронов (атом электронейтрален).

Массовое число $$A = 35$$ . Из $$A = N + Z$$ число нейтронов $$N = A - Z = 35 - 17 = 18$$ .

Ответ

17 протонов, 18 нейтронов, 17 электронов

База Задача 2

Определите вид химической связи в веществах: $\mathrm{KBr}$ , $\mathrm{O_2}$ , $\mathrm{H_2S}$ , $\mathrm{Fe}$ .

Подсказка

Посмотрите, из каких атомов состоит вещество — металла, неметалла или и того и другого, одинаковых или разных.

Решение

$\mathrm{KBr}$ — щелочной металл и галоген: ионная связь.

$\mathrm{O_2}$ — одинаковые атомы неметалла: ковалентная неполярная.

$\mathrm{H_2S}$ — атомы разных неметаллов: ковалентная полярная (пары смещены к более электроотрицательной сере).

$\mathrm{Fe}$ — металл: металлическая связь.

Ответ

KBr — ионная, O₂ — ковалентная неполярная, H₂S — ковалентная полярная, Fe — металлическая

Средний Задача 3

Определите степень окисления марганца в перманганате калия $\mathrm{KMnO_4}$ .

Подсказка

Калий в соединениях имеет степень окисления +1, кислород −2, а сумма всех степеней окисления равна нулю.

Решение

Обозначим степень окисления марганца $$x$$ :

(+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0

$$x = 8 - 1 = +7$$ . Это высшая степень окисления марганца: он стоит в VII группе.

Ответ

+7

Средний Задача 4

Расположите элементы натрий, магний, калий в порядке усиления металлических свойств. Объясните выбор.

Подсказка

Магний и натрий — в одном периоде, натрий и калий — в одной группе.

Решение

Магний и натрий стоят в третьем периоде. По периоду справа налево металлические свойства усиливаются, значит, у натрия они сильнее, чем у магния.

Натрий и калий — в IA-группе. Вниз по группе радиус растёт, внешний электрон держится слабее, металлические свойства усиливаются: калий активнее натрия.

Ряд: Mg → Na → K.

Ответ

Mg → Na → K

Сложный Задача 5

Высший оксид элемента имеет формулу $\mathrm{RO_3}$ , а его летучее водородное соединение содержит 5,88 % водорода по массе. Определите элемент.

Подсказка

Если высшая степень окисления +6, то в водородном соединении элемент имеет степень окисления $$6 - 8 = -2$$ .

Решение

В оксиде $\mathrm{RO_3}$ степень окисления элемента +6, значит, он в VIA-группе. Низшая степень окисления $$6 - 8 = -2$$ , водородное соединение — $\mathrm{H_2R}$ .

Пусть $$M$$ — молярная масса элемента. Массовая доля водорода:

w(\mathrm{H}) = \frac{2}{2 + M} = 0{,}0588

$2 + M = \dfrac{2}{0{,}0588} \approx 34$ , $M \approx 32$ г/моль. Это сера, водородное соединение — сероводород $\mathrm{H_2S}$ .

Ответ

Сера (H₂S, SO₃), M = 32 г/моль

Сложный Задача 6

Электроны в атоме элемента X распределены по слоям 2, 8, 3. Назовите элемент, укажите формулы его высшего оксида и гидроксида и их характер. Какая кристаллическая решётка у простого вещества X?

Подсказка

Число слоёв — номер периода, электроны внешнего слоя — номер группы.

Решение

Всего электронов $$2 + 8 + 3 = 13$$ , значит, $$Z = 13$$ — алюминий: третий период, IIIA-группа.

Высшая степень окисления +3. Высший оксид — $\mathrm{Al_2O_3}$ , гидроксид — $\mathrm{Al(OH)_3}$ . Оба амфотерные: реагируют и с кислотами, и со щелочами, например:

\mathrm{Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O}

\mathrm{Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]}

Алюминий — металл, у простого вещества металлическая кристаллическая решётка.

Ответ

Алюминий; Al₂O₃ и Al(OH)₃ — амфотерные; решётка металлическая

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Нарисуйте кусочек таблицы Менделеева 3 × 3 и попросите ребёнка показать, «где атомы большие» (внизу слева) и «где жадные до электронов» (вверху справа, у фтора). Затем возьмите соль, сахар и кусочек фольги: соль — ионная решётка, сахар — молекулярная (плавится на сковородке), фольга — металлическая (блестит и гнётся). Так связь превращается в свойства, которые видно руками.

Вопросы для проверки понимания: 1) Сколько электронов на внешнем слое у атома серы и почему? 2) Какая связь в $\mathrm{KCl}$ , а какая в $\mathrm{Cl_2}$ ? 3) Как меняются металлические свойства в ряду Li → Na → K?

На что обратить внимание. В ОГЭ эти темы — первые задания билета, на них легко набрать баллы. Важно не зубрить ряды, а понимать два направления: по периоду и по группе. И проверять степени окисления уравнением, а не «на глаз».

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 39	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12