Классификация элементов
Свойства железа, кислорода и кремния сильно различаются, но среди химических элементов есть и целые семейства похожих представителей. Классификация помогает увидеть эти связи: сначала выделяют широкие группы, затем сравнивают положение элементов в периодической системе и строение их атомов.
Что именно классифицируют
Химический элемент — вид атомов с одинаковым числом протонов в ядре. Металлический или неметаллический характер элемента устанавливают по совокупности свойств его простых веществ и соединений.
Нельзя смешивать три уровня описания: элемент, простое вещество и соединение. Кислород — элемент O; O2 и O3 — разные простые вещества этого элемента; H2O — соединение кислорода с водородом. Физические свойства относятся к конкретному веществу при определённых условиях.
Именно поэтому слова «кальций входит в состав мела» не означают, что в меле находятся кусочки металлического кальция. В CaCO3 элемент связан с другими элементами, и свойства соединения отличаются от свойств металла Ca.
Металлы, неметаллы и пограничные элементы
Для простых веществ металлов характерны хорошая электрическая и тепловая проводимость, металлический блеск, способность многих из них деформироваться без разрушения. Примеры — Fe, Cu, Al. Большинство металлов при комнатной температуре твёрдые, однако Hg — жидкая ртуть. Поэтому правило «металл обязательно твёрдый» неверно.
Среди неметаллов есть газы, например O2, N2 и Cl2, жидкий Br2 и твёрдые вещества, например сера и углерод. Многие твёрдые неметаллические вещества хрупкие и плохо проводят ток, но графит проводит электричество. Внешнего вида или одного измерения недостаточно для полной классификации.
Бор, кремний и германий часто относят к металлоидам, которые в учебной классификации также называют полуметаллами. Их свойства сочетают черты металлов и неметаллов. Кремний и германий известны как полупроводники. Граница этой учебной группы не должна восприниматься как резкая физическая линия: набор пограничных элементов в таблицах может различаться.
Один признак не определяет принадлежность элемента к группе. Блеск, агрегатное состояние, проводимость и химическое поведение нужно рассматривать вместе.
Что подсказывает периодическая система
Металлы занимают большую часть таблицы — главным образом её левую и центральную области. Неметаллы сосредоточены преимущественно справа вверху; водород расположен отдельно от этой общей области, обычно над первой группой. Пограничные элементы располагаются примерно вдоль ступенчатой границы между областями.
Это ориентир для чтения таблицы, а не замена справочным данным. Нельзя объявлять элемент металлом только потому, что его клетка находится левее другой клетки. У тяжёлых и малоизученных элементов особенно важно различать установленные свойства и предсказания.
| Семейство | Положение | Примеры | Общее представление |
|---|---|---|---|
| Щелочные металлы | Группа 1, кроме H | Li, Na, K | Образуют характерные катионы с зарядом +1 |
| Щёлочноземельные металлы | Группа 2 | Mg, Ca, Ba | Для соединений характерна степень окисления +II |
| Галогены | Группа 17 | F, Cl, Br, I | Образуют, в частности, галогенид-ионы с зарядом −1 |
| Благородные газы | Группа 18 | He, Ne, Ar | Для лёгких представителей характерна низкая химическая активность в обычных условиях |
Участники одного семейства похожи, но не тождественны: реакционная способность и физические свойства меняются при движении по группе. Название «благородный газ» также не означает абсолютной неспособности образовывать соединения: известны, например, соединения ксенона.
Пример 1. Натрий и хлор в составе соли
Na — элемент-металл первой группы, Cl — элемент-неметалл семнадцатой группы. Простые вещества натрий и хлор обладают совсем разными свойствами. Однако соединение NaCl относится к солям, а не к смеси металла с газом.
В кристалле хлорида натрия находятся ионы Na+ и Cl−. Наличие металлического элемента в составе вещества не превращает это соединение в металл. Значит, вопрос «NaCl — металл или неметалл?» поставлен неверно: эта пара названий здесь относится к элементам и простым веществам, а соединение классифицируют иначе.
Пример 2. Почему кремний выделяют отдельно
Кремний Si — твёрдое вещество с металлическим блеском, но оно хрупкое, а его проводимость характерна для полупроводника. Кроме того, SiO2 проявляет кислотные свойства в реакциях со щёлочами.
Если использовать только блеск, получится ошибочное отнесение к обычным металлам. Совокупность признаков объясняет, почему Si часто выделяют в группу металлоидов. Для решения школьной задачи полезно указать, какую классификацию использует данная таблица.
Пример 3. Почему водород не щелочной металл
Водород обычно стоит в первой группе, но его простое вещество H2 при обычных условиях — неметаллический газ. Сходство внешнего электронного строения с элементами первой группы не делает все свойства одинаковыми.
Следовательно, при перечислении щелочных металлов делают исключение для H. Один и тот же элемент можно одновременно описать через положение в группе и через металлический или неметаллический характер: это разные основания классификации.
Как пользоваться классификацией без лишних обобщений
Начните с символа и порядкового номера элемента. Затем найдите группу и период, уточните семейство и сравните несколько свойств. Для простого вещества отдельно учитывайте агрегатное состояние, аллотропную форму, температуру и давление.
По одному слову «металл» нельзя предсказать состав любого оксида или все реакции с кислотами. Некоторые оксиды металлов амфотерны или кислотны. Для конкретной реакции нужны свойства данного вещества и условия, а классификация лишь помогает выбрать направление рассуждения.
Типичные ошибки
- Отождествлять элемент и простое вещество. У элемента могут быть разные аллотропные формы.
- Считать все неметаллы газами. Сера твёрдая, бром жидкий при обычных комнатных условиях.
- Определять металл только по проводимости. Графит — важный контрпример.
- Включать H в щелочные металлы. Положение над группой не отменяет его особых свойств.
- Переносить свойства металла на его соль. Na и NaCl — разные вещества.
Проверьте себя
- Из списка Fe, O, Ca, Cl выберите металлические элементы и неметаллические элементы.
- Почему CaCO3 нельзя назвать металлом только на основании присутствия Ca?
- Кислород охладили и получили жидкий O2. Изменился ли неметаллический характер элемента?
- Графит проводит электричество. Достаточно ли этого, чтобы назвать углерод металлом?
- Назовите семейства K, Br и Ne и объясните, почему H не включают в первое из них.
Ответы с объяснениями
1. Fe и Ca — металлические элементы; O и Cl — неметаллические. Эти названия не задают свойства всех их соединений.
2. CaCO3 — сложное вещество, соль. Связанный в нём кальций не обладает свойствами отдельного металлического Ca.
3. Нет. Изменилось агрегатное состояние простого вещества, а не число протонов в ядре и не принадлежность элемента к группе неметаллов.
4. Нет. Нужно учитывать совокупность свойств. Графит — проводящая аллотропная форма неметаллического элемента углерода.
5. K — щелочной металл, Br — галоген, Ne — благородный газ. H является особым неметаллическим элементом, хотя обычно помещается в первую группу.
Связанные темы
Различайте простые и сложные вещества. О принципе упорядочения элементов рассказывает периодическая система, а о его основе — строение атома.
Источники: OpenStax: классы и семейства элементов; IUPAC: периодическая таблица и нумерация групп; OpenStax: свойства металлоидов. Примеры и задания составлены для этой статьи.