§18. Простые и сложные вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Название элемента, например кислород, обозначает именно такие атомы, а название вещества — материал, состоящий из атомов. Это различие помогает не путать состав вещества с его частицами: кислород как элемент может входить в разные вещества.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, железо Fe состоит из атомов железа, а кислород O₂ — из атомов кислорода. Такое определение нужно, чтобы отличать вещества по составу, даже если их частицы устроены по-разному.

Сложное вещество — вещество, состоящее из атомов разных химических элементов. Элементы входят в него в определённом соотношении: в воде на два атома водорода приходится один атом кислорода. Знание этого соотношения позволяет точно описать состав вещества.

Химическая формула — условная запись состава вещества с помощью знаков химических элементов и индексов. Например, H₂O показывает, что в частице воды есть водород и кислород, а маленькая цифра указывает число атомов. Формула нужна, чтобы кратко и точно записывать состав веществ.

Как это устроено

Состав любого вещества можно описать через атомы химических элементов, из которых оно образовано. Атомы очень малы и обычно неразличимы глазом, поэтому для описания вещества пользуются условными знаками элементов. Такой способ позволяет сравнивать вещества не по внешнему виду, а по тому, какие атомы в них входят.

В простом веществе присутствует только один вид атомов, хотя его частицы могут включать несколько соединённых атомов. Например, частица кислорода O₂ состоит из двух атомов, но каждый из них — атом одного и того же элемента. Поэтому число атомов в частице и число химических элементов в веществе — разные вещи; для определения простого вещества считают именно виды элементов.

В сложном веществе соединены атомы разных элементов. Молекула воды содержит атомы водорода и кислорода, поэтому вода относится к сложным веществам. Разные элементы входят в неё не случайно: число атомов каждого вида постоянно для частиц этого вещества, и формула отражает именно это соотношение.

Индекс в формуле показывает число атомов данного элемента в частице вещества. В CO₂ цифра 2 относится к кислороду, значит, атомов кислорода два; у символа C индекса нет, следовательно, атом углерода один. Если маленькой цифры после символа нет, это не означает, что атомов нет: подразумевается один.

Один химический элемент может входить в состав простого и разных сложных веществ. Кислород есть в простом веществе O₂ и в сложном веществе H₂O, но это не делает их одним и тем же веществом: состав их частиц различается. Поэтому название элемента нельзя подставлять вместо названия вещества, а формулу нужно читать целиком.

Сравнение простых и сложных веществ

Чтобы воспользоваться таблицей, найдите в формуле символы элементов и посчитайте, сколько их видов. Один вид означает простое вещество, несколько — сложное. Индексы помогают узнать число атомов, но сами по себе не показывают, сколько разных элементов в составе.

Разбор задач

Задача: определите, простые или сложные вещества O₂, Fe, H₂O. Здесь нужно выяснить, атомы скольких разных элементов записаны в каждой формуле. Не следует считать общее число атомов: важны именно виды атомов.

1. В O₂ есть символ O — кислород. Индекс 2 говорит о двух атомах, но элемент только один.
2. В Fe есть символ Fe — железо. Индекса нет, значит, в частице один атом; представлен один элемент.
3. В H₂O указаны H и O — водород и кислород. Это два разных элемента.

Ответ: O₂ и Fe — простые вещества, H₂O — сложное вещество. Проверка: для каждого примера посчитали разные символы элементов, а не атомы.

Задача: рассмотрите CO₂ и O₂ и укажите, сколько атомов каждого элемента входит в частицу каждого вещества. Прочитайте символы, затем проверьте, стоят ли после них индексы. Помните, что индекс относится к символу непосредственно перед ним.

1. В CO₂ есть C и O. У C индекса нет, значит, это один атом углерода; у O индекс 2, значит, два атома кислорода.
2. В O₂ есть только O. Индекс 2 показывает, что в частице два атома кислорода.

Ответ: CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода; O₂ — два атома кислорода. Хотя в обеих формулах встречается O, только CO₂ содержит ещё и другой элемент.

Задача: в частице вещества три атома водорода и один атом азота. Запишите формулу и определите, простое это вещество или сложное. Сначала нужно выбрать символы элементов, а затем записать число атомов индексами.

1. Символ водорода — H, азота — N. Значит, формула должна включать оба символа.
2. У H ставим индекс 3, потому что атомов водорода три. У N индекс не пишем: один атом принято обозначать без цифры.
3. В формуле H₃N указаны два разных элемента — водород и азот.

Ответ: формула — H₃N, вещество сложное. Решение можно проверить, пересчитав атомы по индексам и символам.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Её допускают, потому что оба понятия связаны с атомами одного вида. Проверьте себя: элемент — это вид атомов, а вещество — то, что состоит из атомов.

Ошибка — называть O₂ сложным веществом из-за двух атомов. Здесь путают количество атомов с количеством элементов. Посмотрите на символы: в O₂ указан только кислород, значит, вещество простое.

Ошибка — считать воду простым веществом, потому что она выглядит однородной. Внешний вид не показывает, какие именно атомы есть в частицах. Проверьте формулу H₂O: в ней стоят символы двух разных элементов, водорода и кислорода.

Ошибка — не учитывать индекс или принимать его за число молекул. Индекс показывает число атомов элемента в одной частице, а отсутствие индекса означает один атом. Чтобы проверить чтение, назовите каждый символ и число возле него отдельно.

Связь с другими темами

Для изучения состава веществ нужно знать, что вещества состоят из атомов, а атомы обозначают символами химических элементов. Это помогает читать формулы и понимать, какие элементы входят в состав воды и воздуха. Такие знания пригодятся и при изучении веществ живых организмов: их состав также можно описать через атомы элементов. Понимание формул подготовит к изучению химических превращений и обмена веществ, при которых вещества изменяются.

Что запомнить

• Химический элемент — это вид атомов, а вещество — то, из чего состоят тела.
• Простое вещество содержит атомы только одного химического элемента.
• Сложное вещество содержит атомы разных химических элементов.
• O₂ — простое вещество, хотя его частица состоит из двух атомов.
• H₂O — сложное вещество: в его составе водород и кислород.
• Индекс в формуле показывает число атомов элемента; без индекса подразумевается один атом.