§ 4. Химическая организация природы

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Его обозначают символом, например H — водород, O — кислород. Это понятие нужно, чтобы объединять одинаковые атомы, а не называть одним словом все вещества с их участием.

Атом — наименьшая электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Электронейтральная значит, что положительный и отрицательный заряды в ней уравновешены. Понятие атома помогает представить, из каких частиц складывается элемент и вещество.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая химические свойства этого вещества. Например, молекула воды H₂O образована двумя атомами водорода и одним атомом кислорода. Молекулы позволяют объяснить, почему вещество существует как единое целое.

Вещество — форма существования материи, имеющая определённый состав и свойства. Оно может состоять из молекул, отдельных атомов или других структурных частиц. Это понятие используют, когда говорят о конкретном материале: воде, железе, кислороде или соли.

Как это устроено

Природа состоит из ограниченного набора химических элементов, но веществ вокруг нас очень много. Причина в том, что атомы могут соединяться в разных количествах, последовательностях и структурах. Поэтому одни и те же элементы, соединённые по-разному, образуют вещества с различными свойствами.

Элемент, атом, молекула и вещество связаны, но не равны друг другу. Элемент обозначает вид атомов, атом — отдельную частицу этого вида, а молекула — группу связанных атомов. Вещество является уже совокупностью частиц с определённым составом и свойствами, поэтому нельзя называть, например, атом кислорода водой или сам элемент кислородом как веществом.

Атомы объединяются химическими связями и образуют молекулы или другие структурные частицы. Если в частице находятся атомы одного элемента, возникает простое вещество, например O₂ или Fe. Если соединены атомы разных элементов, образуется сложное вещество, например H₂O или CO₂.

Состав вещества выражают химической формулой, потому что словесное описание не показывает точное соотношение атомов. Символы указывают, какие элементы входят в состав, а индексы справа внизу — сколько атомов каждого элемента приходится на одну частицу. Например, H₂O означает две частицы водорода на одну частицу кислорода, а отсутствие индекса означает число один.

Уровни химической организации природы

Сначала определите, обозначает ли запись элемент, отдельную частицу, вещество или смесь. Затем посмотрите на символы и индексы: так можно установить состав формулы. Для смеси одной формулы обычно недостаточно, потому что её состав может изменяться.

Разбор задач

1. Распределение понятий

Условие: распределите слова «кислород», «атом кислорода», «молекула кислорода», «вода» по понятиям: элемент, атом, молекула, вещество. Здесь важно заметить, что одно и то же слово в обычной речи иногда обозначает и элемент, и простое вещество. Ориентируемся на смысл каждого выражения.

1. «Атом кислорода» — это отдельная частица элемента, значит, ответ: атом.
2. «Молекула кислорода» — несколько связанных атомов кислорода, значит, ответ: молекула.
3. «Кислород» в данном распределении обозначает вид атомов, а «вода» — конкретное вещество.

Ответ: кислород — химический элемент; атом кислорода — атом; молекула кислорода — молекула; вода — вещество. Смысл слова определяется тем, говорится ли о виде атомов, отдельной частице или материале.

2. Классификация по формулам

Условие: по формулам O₂, H₂O, Fe и CO₂ определить простые и сложные вещества и назвать входящие элементы. Сначала нужно посчитать не атомы, а разные химические символы. Затем по числу символов сделать вывод о типе вещества.

1. В O₂ встречается только O, поэтому это простое вещество — кислород.
2. В Fe указан только один символ Fe, поэтому это простое вещество — железо.
3. В H₂O есть H и O, а в CO₂ — C и O, поэтому оба вещества сложные.

Ответ: простые вещества — O₂ и Fe, элементы кислород и железо. Сложные вещества — H₂O из водорода и кислорода и CO₂ из углерода и кислорода.

3. Воздух

Условие: определить, является ли воздух индивидуальным веществом или смесью, назвать его компоненты и объяснить, почему состав нельзя записать одной формулой. Индивидуальное вещество имеет постоянный состав. У воздуха соотношение компонентов может немного меняться, а сами компоненты сохраняют свои свойства.

1. Назовём основные компоненты воздуха: азот, кислород, аргон и углекислый газ.
2. Проверим, связаны ли они в одно соединение с постоянным соотношением атомов: нет, это отдельные вещества.
3. Сделаем вывод: воздух является смесью, поэтому для его описания перечисляют компоненты и их доли, а не используют одну формулу.

Ответ: воздух — смесь газов. Его нельзя записать одной формулой, потому что он не является одним химическим соединением с постоянным составом.

Типичные ошибки

Отождествлять элемент с простым веществом. Ошибка возникает из-за одинакового названия, например «кислород». Проверьте себя: элемент — вид атомов, а простое вещество — материал, состоящий из атомов одного элемента.

Считать атом и молекулу одним и тем же. Атом является отдельной частицей, а молекула может включать несколько связанных атомов. Проверьте формулу: если в частице несколько атомов, перед вами молекула, а не один атом.

Путать индекс с числом элементов. Индекс показывает количество атомов конкретного элемента, а разные символы — количество элементов. В CO₂ два элемента, но три атома в одной молекуле.

Называть смесь химическим соединением. Так ошибаются, когда видят несколько веществ в одном образце. Проверьте, сохраняют ли компоненты свои свойства и имеют ли постоянное соотношение: для смеси ответ будет отрицательным.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать материю и вещество, знать знаки химических элементов и уметь читать простейшие формулы. Без этого трудно определить состав частицы или понять запись O₂ и H₂O. Эти навыки служат основой дальнейших рассуждений.

Дальше понятия элемента и атома понадобятся при изучении строения атома и периодического закона. Представления о соединении атомов помогут понять химические связи и составлять уравнения реакций. Формулы также используются при классификации простых, сложных веществ, смесей и химических соединений.

Что запомнить

• Химическое многообразие природы создаётся из химических элементов.
• Химический элемент — это вид атомов, а не конкретное вещество.
• Атом является частицей химического элемента.
• Молекула состоит из связанных атомов и сохраняет химические свойства вещества.
• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Сложное вещество содержит атомы разных химических элементов.
• Смесь состоит из нескольких веществ, не связанных постоянным составом.