§ 10. Классификация веществ. Простые и сложные вещества

Определения и обозначения

Химическое вещество — это вещество с определённым составом и характерными свойствами, состоящее из частиц. Например, вода и железо отличаются составом и свойствами, поэтому их относят к разным веществам. Представление о частицах помогает объяснять, из чего состоит вещество, а знание состава — сравнивать его с другими.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Так устроены, например, железо Fe и кислород O₂: сколько бы атомов ни было в частице или образце, все они относятся к одному элементу. Это определение нужно, чтобы не принимать формулу с несколькими одинаковыми атомами за сложное вещество.

Сложное вещество образовано атомами разных химических элементов. В воде H₂O есть атомы водорода и кислорода, а в углекислом газе CO₂ — углерода и кислорода. По этому признаку можно отличить соединение разных элементов от вещества, образованного атомами только одного вида.

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Элемент не следует считать отдельным простым веществом: он обозначает атомы определённого вида, а вещество — материал, состоящий из таких атомов. Различение понятий помогает правильно понимать названия и формулы.

Как это устроено

Вещества классифицируют по составу, выясняя, атомы каких элементов в них входят. Это деление отвечает на вопрос, простое вещество перед нами или сложное. Оно не совпадает с делением на чистые вещества и смеси: чистое вещество имеет постоянный состав, а смесь содержит несколько веществ, например соль и воду. Значит, сначала важно понять, что именно сравнивают: состав вещества или состав образца.

Простое вещество содержит атомы только одного элемента, потому что все составляющие его атомы имеют одинаковый заряд ядра и относятся к одному виду. Например, в молекуле O₂ два атома кислорода, а в частице N₂ — два атома азота. Железо Fe тоже простое вещество, хотя его формула не показывает молекулу из нескольких атомов. Во всех этих случаях число атомов может различаться, но вид элемента только один.

Сложное вещество появляется, когда в его составе есть атомы разных элементов. Например, формула H₂O показывает два атома водорода и один атом кислорода, а CO₂ — один атом углерода и два атома кислорода. Индекс справа внизу указывает число атомов элемента перед ним; если индекса нет, обычно подразумевается один атом. Наличие разных символов означает, что в состав входят разные элементы.

Название элемента и название простого вещества не всегда совпадают по смыслу. «Кислород» может означать химический элемент, то есть вид атомов, а O₂ — простое вещество из двух таких атомов в молекуле. Более того, один элемент способен образовывать несколько простых веществ: кислород образует O₂ и озон O₃. Это возможно потому, что атомы одного вида могут соединяться в частицы с разным числом атомов и давать вещества с разными свойствами.

Чтобы определить тип вещества по формуле, нужно посчитать не все атомы, а разные символы химических элементов. O₂ содержит два атома, но символ элемента в формуле один, поэтому вещество простое; H₂O содержит три атома, но два элемента, поэтому вещество сложное. Индексы помогают установить число атомов каждого вида, однако сами по себе не сообщают, простое вещество или сложное. Решает именно число разных элементов.

Сравнение простых и сложных веществ

Пользуйтесь таблицей, начиная с состава: найдите в формуле символы элементов и посчитайте их виды. Не принимайте индексы за число элементов — они показывают число атомов. Например, в O₃ три атома, но элемент один.

Разбор задач

Задача 1. Определите, простые или сложные вещества: O₂, H₂O, Fe. Решим по очереди, считая символы разных элементов, а не общее число атомов. Такой способ подходит и для формул с индексами, и для записи без индекса. Затем укажем классификацию каждой формулы.

1. В O₂ есть только символ O, значит, представлен один элемент — кислород. Вещество простое, хотя в формуле указаны два атома.
2. В H₂O есть символы H и O, то есть водород и кислород. Вещество сложное, потому что его атомы относятся к двум элементам.
3. В Fe указан один элемент — железо. Значит, это простое вещество.

Ответ: O₂ и Fe — простые вещества, H₂O — сложное. Проверка: мы сравнивали число видов элементов, а не число атомов в формуле. Индекс ₂ у O₂ не меняет того, что элемент только один.

Задача 2. Классифицируйте H₂, O₃ и CO₂ и укажите, сколько видов атомов содержит каждое вещество. Здесь важно различить число атомов в формуле и число видов атомов. Символы формулы указывают элементы, а индексы — количество атомов соответствующего элемента. Поэтому сначала определим элементы, затем классифицируем формулы.

1. В H₂ один символ H: присутствует один вид атомов, поэтому вещество простое.
2. В O₃ один символ O: присутствует один вид атомов, поэтому это тоже простое вещество.
3. В CO₂ есть C и O: два вида атомов, следовательно, вещество сложное.

Ответ: H₂ содержит один вид атомов и является простым веществом; O₃ содержит один вид и тоже является простым; CO₂ содержит два вида и является сложным. Три атома кислорода в O₃ не становятся тремя видами атомов. Вид определяется химическим элементом, а не количеством его атомов.

Задача 3. В формулах H₂, N₂, NH₃, NaCl найдите простые вещества и объясните, почему O₃ не обозначает сложное вещество. Необходимо проверить каждую формулу на наличие разных символов элементов. Если символ один, атомы принадлежат одному виду, даже если их несколько. Если символов несколько, вещество сложное.

1. В H₂ указан только H, поэтому это простое вещество.
2. В N₂ указан только N, поэтому оно тоже простое.
3. В NH₃ присутствуют N и H, а в NaCl — Na и Cl; оба вещества сложные.
4. В O₃ указан только кислород O. Индекс показывает три атома одного элемента, поэтому вещество простое, а не сложное.

Ответ: простые вещества — H₂ и N₂; сложные — NH₃ и NaCl. Формула O₃ не обозначает сложное вещество, потому что в ней есть атомы только одного элемента — кислорода. Число атомов не следует путать с числом видов атомов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать вещество сложным, если формула содержит несколько атомов, как O₂. Её допускают, принимая индекс за число элементов, хотя индекс показывает лишь число атомов данного вида. Проверьте себя: найдите разные буквенные символы, и если символ один, вещество простое.

Не следует отождествлять химический элемент и простое вещество. Элемент — вид атомов, а простое вещество состоит из этих атомов; смешение понятий возникает из-за похожих названий. Для проверки спросите себя, говорится ли о виде атомов или о веществе с определёнными свойствами.

Иногда формулу определяют по одной букве, не читая её полностью. Так можно пропустить другой символ элемента, например в CO₂, и ошибочно назвать соединение простым. Перепишите все символы элементов отдельно и посчитайте их виды, не учитывая индексы как новые элементы.

Ещё одна ошибка — считать, что каждому элементу соответствует только одно простое вещество. Это не так: например, кислород образует O₂ и O₃, и оба вещества состоят из атомов одного элемента. Проверка проста: сравните виды атомов, а не число их атомов в молекуле.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать обозначения химических элементов и уметь читать формулы с индексами. Символы показывают, какие элементы входят в состав, а индексы помогают определить число атомов каждого вида. Если уверенно различать эти сведения, легче классифицировать вещества и не путать состав с количеством атомов.

Классификация веществ понадобится при изучении химических реакций, их уравнений и состава соединений. Чтобы понимать, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются, нужно распознавать их формулы и состав. Различение простых и сложных веществ помогает описывать изменения, происходящие с атомами элементов.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Сложное вещество состоит из атомов разных химических элементов.
• Число атомов в формуле само по себе не определяет, простое вещество или сложное.
• Химический элемент — это вид атомов, а простое вещество — форма существования этого элемента.
• Некоторым химическим элементам соответствуют несколько простых веществ.
• По формуле вещества можно определить, атомы каких элементов входят в его состав.