Прості речовини

Прості речовини
Наступник	бінарні сполуки

Кулькові моделі молекул азоту та кисню — структурних одиниць одних з найпоширеніших простих речовин на Землі — газів азоту та кисню.

Прóстá речови́на — хімічна речовина, структурні одиниці якої: або є представниками; або складаються з атомів, тільки одного хімічного елементу. Еталонний стан (хімічного елемента, простої речовини) (reference state (of an element)) — стан, в якому хімічний елемент (проста речовина) є стабільним при вибраних за стандартні умовах — тиску та температурі.

Загальні відомості

Наприклад, до простих речовин належать: водень, азот, озон тощо, бо молекули водню H₂ складаються тільки з атомів водню, молекули азоту N₂ — тільки з атомів азоту, молекули озону O₃ — тільки з атомів кисню. Деякі прості речовини складаються безпосередньо з атомів: так, газ гелій складається лише з атомів гелію He; газ аргон — лише з атомів аргону Ar. Всі інші благородні гази також складаються з атомів лише одного хімічного елементу.

Простим речовинам протиставляються складні речовини, структурні одиниці (молекули або інші формульні одиниці (якщо речовина немолекулярна)) яких, на відміну від перших, складаються з хімічнопов'язаних атомів різних хімічних елементів.

Прості речовини є формою існування хімічних елементів у вільному (чистому) вигляді, бо атоми всіх хімічних елементів в присутності інших атомів не можуть існувати ізольовано (інакше кажучи, елементи, не пов'язані хімічно ні з яким іншим елементом, утворюють прості речовини).

За властивостями окремих простих речовин, класифікують відповідні хімічні елементи у періодичній системі хімічних елементів.

Всі прості речовини є чистими речовинами. Число простих речовин значно перевищує число відомих хімічних елементів. Відомо близько 500 простих речовин^[1][2].

Класифікація

Прості речовини в залежності від наявності або ненаявності в них тих чи інших ознак, властивостей класифікують наступними методами:

За типом хімічного зв'язку

В залежності від типу хімічного зв'язку між атомами простих речовин, останні зазвичай розділяють на два класи:

• Метали — прості речовини, в яких атоми між собою сполучені металічними зв'язками, та які являють собою ковкі, пластичні тверді тіла, що мають металічний блиск, здатні добре проводити тепло та електричний струм. Переважна більшість простих речовин є металами.
• Неметали — прості речовини, які не є металами. Неметали не мають такої схожості у властивостях, як метали.

Порівняння металів та неметалів
Метали	Неметали
Мають металічний блиск	Не мають металічного блиску
Електропровідні	Не електропровідні
Теплопровідні	Погано проводять тепло
Тверді тіла	Гази, тверді тіла
Ковкі, пластичні	Крихкі
Температури плавлення високі	Температури плавлення низькі

Таку класифікацію простих речовин запропонував видатний французький вчений А.Л. Лавуазьє в кінці XVIII сторіччя^[3]. Хімічні елементи, від яких походять метали, називають металічними, а ті, що утворюють неметали, — неметалічними. Чіткої межі між металами та неметалами не існує. Деякі неметали виявляють металічні властивості, а метали — неметалічні. Так, графіт проводить електричний струм, а олово — дуже крихкий метал. Незважаючи на умовність поділу простих речовин на метали і неметали, його вважають доволі зручним.

За типом структурної одиниці

В залежності від того з яких структурних одиниць складаються ті чи інші прості речовини, останні зазвичай відносять до двох класів:

• Молекулярні речовини — хімічні речовини, структурними одиницями для яких є молекули^[4]. Молекулярними простими речовинами є відносно невелика група неметалів, здебільшого двоатомних: водень H₂, азот N₂, кисень O₂, фтор F₂, діфосфор^[en] P₂. А також прості речовини, молекули яких складені більш ніж з двох атомів: озон O₃, білий фосфор P₄, гексасірка^[en] S₆, октасірка^[en] S₈, жовтий арсен As₄, й також алотропні модифікації вуглецю — різні фулерени (C₆₀, C₇₀, C₅₄₀) та вуглецеві нанотрубки, тощо.
• Немолекулярні речовини — хімічні речовини, структурними одиницями для яких є: або безпосередньо атоми; або групи атомів поєднані між собою хімічними зв'язками та при цьому не є молекулами^[4]. Ними за звичайних умов є всі метали та благородні гази, а також всі інші неметали, що не перераховані вище.

За наявністю хімічного зв'язку

Прості речовини в залежності від наявності або не наявності хімічного зв'язку між власними атомами, існують у двох варіантах:

• Хімічні сполуки — хімічні речовини, структурні одиниці (молекули або інші формульні одиниці (якщо сполука немолекулярна)) яких складаються з атомів сполучених між собою певним типом хімічного зв'язку. За звичайних умов майже всі прості речовини (окрім благородних газів) є хімічними сполуками.
• Одноатомні гази — гази, що являють собою прості речовини, структурними одиницями для яких є не пов'язані хімічним зв'язком атоми. За звичайних умов їхніми представниками є благородні гази. Також за певних умов (наприклад при достатньому нагріванні) будь-який хімічний елемент може бути одноатомним газом.

Агрегатний стан

Всі прості речовини за звичайних умов знаходяться у певному для себе агрегатному стані:

• у газоподібному (тобто є газами) знаходяться прості речовини для 11 елементів (H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar, Kr, Xe, Rn);
• у рідкому (тобто є рідинами) — для 2 (Br, Hg) (також слід зауважити що за кімнатної температури (або близької до неї) рідинами стають: Fr (27 °C), Cs (28 °C), Ga (30 °C), Rb (39 °C));
• у твердотільному (тобто є твердими тілами) — всі інші.

Алотропія

Схеми побудови простих речовин, що утворює вуглець:a: алмаз, b: графіт, c: лонсдейліт, d: фулерен C₆₀, e: фуллерен C₅₄₀, f: фуллерен C₇₀, g: аморфний вуглець, h: вуглецева нанотрубка

Прості речовини одного й того хімічного елементу, що різняться структурними одиницями (за будовою), а як наслідок і за властивостями, є алотропними модифікаціями цього ж хімічного елементу. Здатність деяких хімічних елементів існувати у вигляді двох або більше простих речовин називається алотропією.

Явище алотропії може бути обумовлено або різним складом молекул цих простих речовин даного елемента (алотропія складу), або різною будовою молекул і способом розміщення молекул (атомів) в кристалах простої речовини (алотропія форми)^[2]. Різні алотропні модифікації одного хімічного елемента можуть переходити одна в одну. Для кожного хімічного елемента його алотропні модифікації завжди розрізняються по фізичним властивостям та хімічній активності (так, озон активніше кисню, а температура плавлення алмаза більше, ніж у фулеренів).

Прості речовини деяких елементів, яким властиве явище алотропії
Хімічний елемент	Прості речовини та їх назви
Карбон	графіт, алмаз, фулерени
Оксиген	кисень O2, озон O3
Сульфур	сірка ромбічна, сірка моноклінна S8, сірка пластична
Фосфор	білий фосфор P4, червоний фосфор, чорний фосфор

Найменування

Назви простих речовин майже в усіх випадках збігаються з назвами відповідних хімічних елементів. Проте через те що деякі елементи утворюють по декілька простих речовин, назви останніх можуть відрізнятись від назв відповідних хімічних елементів (або не повністю відповідати їм). В такому випадку назви алотропних видозмін зазвичай утворюються з назв елементів і відповідних їм прикметників, наприклад: білий фосфор, червоний фосфор, аморфний вуглець, і т.д. Тільки для алотропних модифікацій кисню та вуглецю існують власні назви — озон, графіт, алмаз, карбін, фулерен.

Структура простої речовини позначається хімічною формулою. Так для кисню вона є O₂, озону — O₃, білого фосфору — P₄, тощо. Для простих речовин немолекулярної будови число атомів у формулі не зазначається, тобто хімічна формула таких речовин за написанням збігається з символом хімічного елемента. Так, формула аргону — Ar, заліза — Fe, кремнію — Si, графіту та алмаза — C, міді — Cu, алюмінію — Al, тощо.

Номер CAS

Усім хімічним речовинам, а, отже і всім простим речовинам, описаним у науковій літературі, присвоюється номер CAS, хімічної реферативної служби, за яким речовину можна ідентифікувати в базах даних, наприклад у PubChem.

Порівняння понять

У зв'язку з тим, що назви хімічних елементів і простих речовин здебільшого збігаються, поняття «атом», «хімічний елемент» та «проста речовина» не слід змішувати:

• «Атом» — конкретне поняття, бо являє собою частинку що існує реально;
• «Хімічний елемент» — збірне, абстрактне поняття, бо лише класифікує певну сукупність атомів;
• «Проста речовина» — форма, в якій хімічний елемент (певна сукупність атомів) у вільному (непов'язаному з іншими елементами) вигляді існує в природі.

Також потрібно розрізняти властивості (характеристики) простої речовини (сукупності частинок) та властивості (характеристики) хімічного елемента (ізольованого атома певного виду) (див. таблицю нижче).

Порівняння характеристик хімічного елемента та простої речовини
Хімічний елемент	Проста речовина
Атомний номер	Забарвлення
Атомна маса	Запах
Ізотопний склад	Електропровідність
Ізотопна поширеність	Теплопровідність
Будова атома	Розчинність
Енергія іонізації	Температура кипіння
Спорідненість до електрона	Температура плавлення
Електронегативність	В'язкість
Ступені окиснення	Твердість
Валентність	Оптичні властивості
Алотропні модифікації	Магнітні властивості
Хімічний знак	Хімічна формула
…	…

Мінерали-прості речовини

Самородна сірка на українській поштовій марці, 2009 року.

Деякі прості речовини можуть самостійно утворювати окремі мінерали, які називають гомоатомними. Вони складаються з атомів лише одного елемента й можуть існувати в алотропних видозмінах та характеризуються головним чином або атомними структурами з металічним типом зв'язку (самородні метали), або молекулярними кристалічними ґратками (самородні неметали або металоїди). На їх частку припадає не більше 0,1% земної кори, але деякі з них відносно досить поширені й мають велике значення, наприклад, платина самородна, золото самородне, сірка самородна, алмаз та інші.

Цікаві факти

Вже в давнину були відомі прості речовини 13 елементів — Au, Ag, Cu, Hg, Pb, Fe, Sn, Pt, S, С, Zn, Sb та As^[3].

Див. також

• Складна речовина
• Алотропія

Примітки

1. Простые и сложные вещества. Аллотропия — АЛХИМИК. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 27 березня 2016.
2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. — 4. — Москва : Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — С. 253-269. — 15 000 прим. — ISBN 5-06-003363-5, 5-7695-0704-7.
3. Простые и сложные вещества — Гипермаркет знаний. Архів оригіналу за 24 серпня 2014. Процитовано 27 березня 2016.
4. С. Т. Жуков Химия 8-9 класс Глава 1. Основные представления и понятия химии — ChemNet. Архів оригіналу за 3 березня 2016. Процитовано 27 березня 2016.

Джерела

Література

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
• Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. — 4. — Москва : Высшая школа, Издательский центр «Академия», 2001. — С. 253-269. — 15 000 прим. — ISBN 5-06-003363-5, 5-7695-0704-7.(рос.)
• Вещество // Химическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Сов. энцикл., 1988. — Т. 1 : Абляционные материалы — Дарзана реакция. — Стб. 698. — Библиогр. в конце ст. — ISBN 5-85270-008-8.(рос.)
• Глинка Н.Л. Общая химия. — 24. — Ленинград : Химия, 1985. — С. 18-19.(рос.)
• Врублевский А.И. Химия: базовый школьный курс. — Минск : Юнипресс, 2009. — С. 11-12. — 3 100 прим. — ISBN 978-985-507-813-6.(рос.)

Посилання

• Багатоманітність речовин. Прості й складні речовини. Метали й неметали — Гипермаркет знаний [Архівовано 28 жовтня 2014 у Wayback Machine.]
• Прості та складні речовини — Дистанційна підтримка освіти школярів [Архівовано 9 квітня 2016 у Wayback Machine.]
• Простые и сложные вещества. Аллотропия — АЛХИМИК [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.](рос.)