§ 10. Классификация веществ. Простые и сложные вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Название элемента указывает на такие атомы, а не всегда на конкретное вещество: например, кислородом называют и элемент, и простое вещество O₂. Различие нужно, чтобы не смешивать описание атомов с названием образца.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Например, водород H₂ и железо Fe — простые вещества; формула показывает, атомы какого элемента в них содержатся. Это определение помогает отличить простое вещество от соединения атомов разных элементов.

Сложное вещество состоит из атомов разных химических элементов. В формуле H₂O есть символы H и O, значит, в частице воды присутствуют водород и кислород. По разным химическим символам можно распознать, что вещество сложное.

Смесь — сочетание нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства. Воздух, например, состоит из нескольких газов, а не из частиц одного вещества с единой формулой. Смесь важно отличать от сложного вещества: её компоненты не становятся одним индивидуальным веществом.

Как это устроено

Классифицировать вещества можно по составу, то есть по тому, какие частицы входят в образец. Если образец представляет собой одно индивидуальное вещество, оно бывает простым или сложным: это зависит от числа элементов в его составе. Смесь же содержит несколько веществ, поэтому в ней могут одновременно находиться и простые, и сложные вещества.

Формула помогает описать состав частицы, потому что каждый химический символ обозначает определённый элемент. Если в формуле стоят разные символы, например H и O в H₂O, значит, частица содержит атомы разных элементов. Маленькая цифра справа от символа — индекс — показывает число атомов этого элемента: в H₂O два атома водорода и один кислорода, а в O₂ два атома кислорода.

Химический элемент и простое вещество отвечают на разные вопросы. Элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — то, как эти атомы существуют вместе в материальном образце. Поэтому символ O может обозначать элемент кислород, тогда как O₂ — формулу молекул простого вещества кислорода.

Атомы одного элемента способны образовывать разные частицы, потому что могут соединяться в неодинаковые группы. Так, молекула кислорода O₂ содержит два атома кислорода, а молекула озона O₃ — три; оба вещества простые, так как состоят из одного элемента. Разное строение частиц приводит к разным свойствам, поэтому кислород и озон — разные вещества, хотя элемент у них общий.

В сложном веществе атомы разных элементов соединены в частицы определённого состава. При этом свойства получившегося вещества не равны простой сумме свойств элементов: вода, состоящая из водорода и кислорода, ведёт себя не так, как каждый из этих элементов по отдельности. Поэтому наличие элементов в составе не означает, что сложное вещество сохраняет их свойства.

Классификация веществ по составу

Сначала выясни, рассматриваешь ли ты одно индивидуальное вещество или смесь. Для индивидуального вещества посчитай разные символы элементов в формуле: один означает простое, несколько — сложное. У смеси нет единой формулы, потому что её компоненты остаются самостоятельными веществами.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из веществ O₂, H₂O и Fe являются простыми, а какие сложными. Нужно установить не количество атомов, а количество разных химических элементов в составе каждой формулы. Сравним символы: у O₂ и Fe указан один элемент, а у H₂O — два.

1. В O₂ есть только символ O, поэтому вещество состоит из атомов одного элемента. Индекс 2 сообщает число атомов в молекуле и не добавляет новый элемент.
2. В H₂O есть символы H и O, следовательно, частицы содержат атомы двух элементов. Это сложное вещество.
3. В Fe записан символ одного элемента — железа. Значит, железо в данном случае простое вещество.

Ответ: O₂ и Fe — простые вещества, H₂O — сложное вещество. Задача 2. Среди кислорода O₂, озона O₃, воды H₂O и воздуха определите простые вещества, сложное вещество и смесь. Кислород и озон — индивидуальные вещества из атомов одного элемента, вода содержит атомы разных элементов, а воздух представляет собой сочетание газов.

1. В O₂ и O₃ встречается только элемент O, поэтому кислород и озон — простые вещества.
2. В H₂O есть атомы водорода и кислорода, значит, вода — сложное вещество.
3. Воздух содержит несколько газов, поэтому это смесь, а не индивидуальное вещество.

Ответ: O₂ и O₃ — простые вещества, H₂O — сложное вещество, воздух — смесь. Задача 3. В пробе обнаружены атомы водорода и кислорода. Можно ли только по этому факту заключить, что проба содержит воду? Нет: эти элементы могут входить в разные вещества, присутствующие в одной смеси.

1. Установи, имеются ли в пробе частицы, в которых водород и кислород соединены в составе H₂O.
2. Уточни, входят ли найденные атомы в другие частицы или вещества, а не в воду.
3. Для вывода о наличии воды нужна информация о составе частиц или результат анализа, который позволяет выявить именно H₂O.

Ответ: нет, одного факта наличия атомов водорода и кислорода недостаточно. Нужно узнать, образуют ли они частицы воды или входят в разные вещества.

Типичные ошибки

Ошибка: называть химический элемент простым веществом. Так происходит, когда понятие об атомах принимают за название конкретного образца. Проверь себя вопросом: речь о виде атомов или о веществе, состоящем из них? Кислород как элемент и кислород O₂ как простое вещество — не одно и то же.

Ошибка: считать вещество сложным, если в формуле есть индекс больше единицы. Индекс показывает число атомов рядом с символом, а не число химических элементов. Пересчитай разные символы: O₂ содержит один элемент и является простым веществом.

Ошибка: считать смесь сложным веществом. Оба случая могут включать разные элементы, поэтому их легко спутать. В сложном веществе частицы имеют определённый состав, а в смеси остаются разные вещества; проверь, есть ли у образца единая формула и сохраняют ли компоненты самостоятельность.

Ошибка: полагать, что простое вещество всегда состоит из отдельных атомов. Возможно, так думают, потому что определение говорит об атомах одного элемента. Однако эти атомы могут быть объединены в молекулы, как в O₂ и O₃; при проверке состава учитывай вид атомов, а не только форму частиц.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужны знания обозначений химических элементов: без них нельзя определить, какие атомы входят в частицу. Представления об атомах и молекулах помогают различать состав одной частицы и состав всего образца, который может быть смесью. Классификация веществ пригодится при изучении химических реакций: реакции меняют состав веществ, а способы разделения смесей позволяют отделять компоненты, не превращая их в новые вещества.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Сложное вещество содержит атомы разных химических элементов.
• Химический элемент и простое вещество — разные понятия.
• Индекс в формуле показывает число атомов элемента в частице.
• Смесь содержит несколько веществ, сохраняющих свои свойства.
• По одним лишь названиям элементов нельзя всегда установить, какие вещества входят в образец.