Простое вещество

Простое вещество — форма существования химического элемента в свободном виде. Подавляющее большинство элементов, содержащихся в природных объектах, выделены в виде простых веществ. Даже многие элементы, синтезированные с помощью ядерных реакций (технеций, прометий, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний), были получены в металлическом виде.

Ученые долгое время не могли провести четкого различия между элементами и простыми веществами. Это различие впервые с полной определенностью установил Д. И. Менделеев, указавший, что «простые тела суть вещества, содержащие только один какой-нибудь элемент...», и периодическая система относится именно к элементам, а не к простым веществам.

Число простых веществ значительно превышает число известных химических элементов (простых веществ известно ныне более 400). Многие элементы образуют несколько простых веществ, называемых аллотропическими модификациями (см. Аллотропия). Например, углерод в свободном виде существует в трех модификациях — алмаза, графита, карбина.

При обычных условиях большинство простых веществ — твердые тела. Водород, гелий, азот, кислород (и его аллотропическая модификация — озон), фтор, неон, хлор, аргон, криптон, ксенон и радон — газы. И только два элемента — бром и ртуть — при обычных условиях существуют в виде жидких простых веществ.

Подразделение простых веществ на металлы и неметаллы (или металлоиды) основано на специфике их физических и химических свойств. Металлов значительно больше. С точки зрения электронных конфигураций атомов к металлическим элементам относятся все те, в атомах которых заполняются электронами s-, d- или f-подоболочки. (Исключение составляют лишь водород и гелий). К металлам относятся также некоторые р-элементы (алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, висмут, полонийвсе прочие р-элементы — неметаллы или же проявляют металлические свойства в слабой степени (сурьма, иод, астат).

С химической точки зрения четкую границу между металлами и неметаллами провести нельзя, поскольку есть несколько металлов, соединения которых обладают резко выраженными амфотерными свойствами, т. е. свойствами и металлов, и неметаллов (см. Ам-фотерность). Физики считают металлами вещества, отличающиеся хорошей тепло- и электропроводностью, характерным металлическим блеском (хотя такие свойства присущи и некоторым неметаллам). При очень высоком давлении все неметаллы, по-видимому, могут быть переведены в металлическое состояние.

То, что называют физическими свойствами элементов,— в значительной степени свойства соответствующих простых веществ, и эти свойства очень разнообразны, в особенности для металлов. Если говорить о плотности, то самым легким металлом является литий (0,53 г/см3), а самым тяжелым — осмий (22,6 г/см3). Наиболее легкоплавка ртуть (—38,9° С), труднее всего расплавить вольфрам (3410° С).

Наинизшая температура кипения характерна для ртути (357,25° С), а наивысшая — для вольфрама (5700° С).

Свойства простых веществ находятся в зависимости от порядковых номеров элементов в периодической системе. Однако эта зависимость достаточно сложна и далеко не всегда линейна. Для примера рассмотрим зависимость температур плавления простых веществ от атомного номера (заряда ядра Z). Элемент, которым начинается каждый период системы элементов, является простым веществом с низкой температурой плавления (щелочные металлы). По мере роста Z температура плавления растет, проходит через один или несколько максимумов и достигает минимума в конце периодов (инертные газы). В малых периодах (второй и третий) высшие точки плавления приходятся на углерод и кремний (элементы IVa-подгруппы), в больших (четвертый — шестой) — на хром, молибден и вольфрам (элементы VIb-под-группы). Таким образом, кривая температур плавления простых веществ также обнаруживает периодический характер.

Хорошей иллюстрацией периодической зависимости свойств простых веществ от атомного номера служит кривая атомных объемов (атомный объем — частное от деления атомной массы на плотность), показанная на рисунке. Максимальные значения атомных объемов — у щелочных металлов, тогда как минимумы приходятся на элементы, располагающиеся в середине периодов. Кривая атомных объемов впервые предложена немецким ученым Л. Мейером в 1870 г.