單質

單質

單質是由同種元素組成的純凈物。

元素在單質中存在時稱為元素的遊離態

一般來說,單質的性質與其元素的性質密切相關。比如,很多金屬的金屬性都很明顯,那麼它們的單質還原性就很強。不同種類元素的單質,其性質差異在結構上反映得最為突出。

與單質相對,由多種元素組成的純凈物叫做化合物。

由於“單質徠”和“元素”在英語是同一個字“Element”,不少以英語學習的化學科學生會把這兩個概念混淆。

釋義


氫 · 氫氣放電管;@a冥靈 製作
氫 · 氫氣放電管;@a冥靈 製作
單質必須是由一種元素組成的純凈物,因此混合物不可能是單質。元素在單質中存在時稱為元素的遊離態。一般來說,單質的性質與其元素的性質密切相關。比如,很多金屬的性質都很明顯,那麼它們的單質還原性就很強。不同種類元素的單質,其性質差異在結構上反映得最為突出。
氦·氦氣放電管;@a冥靈 製作
氦·氦氣放電管;@a冥靈 製作
與單質相對,由兩種或兩種以上元素組成的純凈物叫做化合物。自然界中的物質大多數為化合物。一種元素組成的純凈物,叫做單質。由一種元素的原子組成的以遊離形式較穩定存在的物質。例如氧氣(O)、氯氣(Cl)、硫磺(S)、鐵(Fe)等。單質和元素是兩個不同的概念。元素是具有相同核電荷數(質子數)的原子的統稱。一種元素可能有幾種單質,例如氧元素有氧氣(O)、臭氧(O)、四聚氧(O,義大利的一位科學家合成的一種新型的氧分子)、紅氧(O)四種單質。儘管這些物質的任一種都是單質,因為他們是同種元素組成的純凈物,但是氧與臭氧倆在一起卻不是純凈物,他們是同種元素組成的混合物。
例:
金屬:鋁(Al)、鐵(Fe)、鈣(Ca)、鉀(K)、汞(Hg)
非金屬:氧(O)、硫(S)、硅(Si)、磷(P)、碘(I)、氫(H)、氮(N)
稀有氣體:氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)

表達


鋰·鋰塊
鋰·鋰塊
正確表達:單質是同種元素構成的純凈物
首先,單質(Element)一定是純凈物,純凈物是由一種物質構成的,例如硫酸、氯化鈉、氧氣、氬氣、溴素、碘粒、金塊、銀片、銅絲和鐵錠等;
其次,單質分為單原子分子、雙原子分子、多原子分子。單質是由一種元素組成的,銅和鐵是單質,但碳酸鈣(CaCO)不是,因為碳酸鈣由C、Ca、O三種元素構成,所以它不是單質,它是化合物,化合物亦是純凈物。
再次,同一種元素可以有不同種結合方式(即同素異形體)。如C,它可以構成是石墨金剛石等,如果把他們混在一起,不能說是純凈物,只能是同一種元素構成的混合物。
所以說,單質是同種元素構成的純凈物。
錯誤表達:同種元素構成的是單質/純凈物是單質/只有一種元素的是純凈物
*單質的化合價永遠為零

分類


金屬

固態金屬以金屬鍵結合成金屬晶體。為了保證晶體的穩定,原子採取密堆積形式。由於晶體內部有遊離電子,所以金屬都導電,而且比較容易失去電子。

非金屬

非金屬單 質一般以共價鍵結合成分子。常溫下,很多非金屬單質都以雙原子分子形式存在,如氫氣、氧氣等。一些元素還可形成多原子的分子,如臭氧(O)、足球烯(C)等。能形成原子晶體的單質在常溫下都是固態,而且較硬,如鑽石等。

稀有氣體

碳
稀有氣體的價電子層是滿的,所以它們不需要結合成分子以使自己更穩定,因此它們在常溫常壓下都是單原子分子的氣體。
上述物質中都沒有可自由移動的電子,因此它們都是電的不良導體。例外的是石墨,它具有特殊的層狀結構,質地鬆軟,且可以導電。

同素異形體


氮·氧·氬/氣放電管;@a冥靈 製作
氮·氧·氬/氣放電管;@a冥靈 製作
由於構成物質的原子(或分子)的排列不同,或原子的成鍵、排列方式不同,使得同一種元素產生多種單質。他們,具有不同的物理性質,化學性質相似。
氟·氟氣
氟·氟氣
像這樣由同一種元素組成的性質不同的單質叫做同素異形體。他們由同種化學元素構成,但性質卻不相同的單質。
同素異形體之間的性質差異主要表現在物理性質上,化學性質上也有著活性的差異。例如磷的兩種同素異形體,紅磷和白磷,它們的著火點分別是240和40攝氏度,充分燃燒之後的產物都是五氧化二磷;白磷(P4)有劇毒,可溶於二硫化碳,紅磷(Pn)無毒,卻不溶於二硫化碳。同素異形體之間在一定條件下可以相互轉化,這種轉化是一種化學變化。

製取


物理分離法

鈉·鈉塊
鈉·鈉塊
鋁
物理分離法適用於分離提純那些以單質狀態存在,與其雜質在某些物理性質(如密度、沸點等)上有顯著差異的元素。例如,淘洗黃金是利用金密度大的性質將金提取出來;又如,氧氣、氮氣則是根據液氧、液氮沸點的不同將將液態空氣分餾而製得。

熱分解法

熱穩定性差的某些金屬化合物直接加熱即可分解為金屬單質。

還原法

使用還原劑製取單質的方法稱為還原法。一般根據生產規模、實驗要求、環境保護、安全因素、原料來源及價格等選用合適的還原劑。

電解法

活潑金屬和非金屬單質的製備,可採用電解法。例如,電解飽和NaCl水溶液製取氫氣和氯氣;電解金屬熔融鹽製備Li、Na、Mg、Al等金屬:

氧化法

使用氧化劑製取單質的方法稱為氧化法。例如,用空氣氧化法從黃鐵礦中提取硫,冷卻硫蒸氣可得到粉末狀的硫。也可以從天然氣中製取硫。

保存


對於不活潑的金屬、非金屬以及稀有氣體來說,通常在實驗室用玻璃器皿;在工業上用金屬器皿、塑料器皿或液壓鋼瓶保存元素單質。但是對於某些活潑的元素(如氟)則需要選用特定的物質盛放,否則會造成與容器反應或泄露的危險。

與化合物


兩者共同點

單質和化合徠物都屬於純凈物。判斷物質是單質還是化合物,首先看物質是不是純凈物,只有屬於純凈物才有可能屬於單質或化合物。不能認為由同種元素組成的物質一定就是單質,也不能認為由不同種元素組成的物質一定是化合物。例如白磷和紅磷,雖然都由磷元素組成,但它們不屬於一種物質,混合后屬於混合物,不屬於純凈物。又如空氣由多種元素組成,包括氧元素、氫元素、碳元素、氮元素、稀有氣體元素等,它屬於混合物,不屬於純凈物,更不是化合物。

兩者區別

硫
從概念上看,單質是由一種元素組成的純凈物,而化合物是由兩種或兩種以上的元素組成的純凈物;從微觀範圍看,單質由同種原子構成,化合物由不同種原子構成;從性質上看,單質不能發生分解反應,化合物可以發生分解反應。

兩者聯繫

氯
單質和化合物雖然組成元素的種數不同,但它們可以相互轉化。單質可以和單質反應生成化合物,也可以和 化合物反應生成另一種化合物。如鎂條在空氣中燃燒生成氧化鎂,其中鎂、氧氣屬於單質,氧化鎂屬於化合物;一氧化碳燃燒生成二氧化碳,其中一氧化碳和二氧化碳屬於化合物,氧氣屬於單質。化合物也可以通過分解反應生成單質,如過氧化氫分解,放出氧氣,同時生成水。過氧化氫屬於化合物,氧氣屬於單質。

參照意義


氬·氬氣放電管;@a冥靈 製作
氬·氬氣放電管;@a冥靈 製作
熱力學中,以每種元素最穩定的單質的標準生成焓和標準生成自由能為0,以此推算其他物質的熱力學量。由於組成物質的元素只有一種,一般單質的標準熵比化合物低。
單質的氧化數視作0。

元素收藏


西奧多·格雷與朋友交談於他的元素木桌上
西奧多·格雷與朋友交談於他的元素木桌上
到了21C的今天,收集、儲藏化學元素單質變為了人們的一種業餘愛好。著名化學家、元素收藏家西奧多·格雷(Theodore gray)便是其中的一名佼佼者,他從2002自始收藏元素單質,多年來費盡心血收集的2000多件與元素有關的標本和物品,可以和任何一個專業的博物館媲美,並在其後整理出版了風靡全球的《視覺之旅:神奇的化學元素》以及《瘋狂科學》等圖書。自此往後,越來越多的化學愛好者以收藏元素單質表明自己對化學的熱愛。

圖集


其他元素單質
其他元素單質
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