§ 6. Простые вещества

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, железо Fe состоит из атомов железа, а кислород O₂ — из атомов кислорода. Это определение помогает отличать простые вещества от сложных, в которых соединены атомы разных элементов.

Химический элемент — вид атомов, обладающих общими признаками, например одинаковым зарядом ядра. Простое вещество — одна из форм существования таких атомов: элемент кислород может входить в состав кислорода или озона. Различие важно, чтобы не путать название вида атомов с названием вещества, которое из них образовано.

Металлы — простые вещества, которым свойственна совокупность характерных металлических свойств. К ним относятся, например, железо Fe, алюминий Al и медь Cu. Это понятие позволяет объединить вещества по их физическим свойствам и сопоставить их с неметаллами.

Неметаллы — простые вещества, не обладающие совокупностью характерных металлических свойств. Примеры неметаллов — кислород O₂, сера S и водород H₂. Определение нужно применять не по одному признаку: учитывают свойства вещества в целом.

Как это устроено

Состав простого вещества определяется одним химическим элементом, но число его атомов в частице может быть разным. В формуле O₂ цифра 2 показывает два атома кислорода, а в O₃ — три. В обоих случаях символ элемента один и тот же, поэтому оба вещества простые.

Один элемент может образовать разные простые вещества, если его атомы соединяются в частицы разного состава или по-разному располагаются. Такие формы одного элемента называют аллотропными, а само явление — аллотропией. Например, кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов кислорода, но их молекулы различаются числом атомов и свойства веществ неодинаковы.

Металлы обычно имеют характерный блеск, хорошо проводят электрический ток и тепло, а многие из них можно гнуть или раскатывать, не разрушая. Неметаллы чаще не имеют металлического блеска, хуже проводят ток и тепло, а твёрдые неметаллы нередко хрупкие. Это общие тенденции, а не правила без исключений: например, графит — неметалл, который проводит электрический ток.

Свойства зависят не только от того, какие элементы входят в состав, но и от строения частиц и их расположения. Поэтому вещества с атомами одного элемента могут заметно различаться, как кислород и озон. Даже одинаковый элементный состав не всегда означает одинаковые свойства, если частицы и их расположение устроены по-разному.

Чтобы определить по формуле, простое вещество или сложное, нужно посчитать разные символы химических элементов, а не все атомы. Например, в CO₂ есть углерод C и кислород O — два элемента, значит, вещество сложное. В O₂ встречается только символ O, значит, кислород — простое вещество, хотя атомов в молекуле два.

Сравнение простых веществ — металлов и неметаллов

Сравнивайте вещества сразу по нескольким признакам: один внешний вид или агрегатное состояние не всегда помогает определить группу. Например, при комнатной температуре ртуть жидкая, хотя это металл, а графит проводит ток, хотя это неметалл. Таблица показывает типичные свойства, а примеры исключений помогают не превращать их в безусловные правила.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из веществ O₂, H₂O, Fe, CO₂ являются простыми. Нужно выяснить, сколько разных химических элементов входит в каждую формулу, и не принимать цифру у символа за число элементов.

1. В O₂ указан только кислород O; цифра 2 сообщает число атомов, а не число элементов.
2. В H₂O есть водород H и кислород O, поэтому элементов два.
3. В Fe есть только железо Fe, а в CO₂ — углерод C и кислород O.

Ответ: простые вещества — O₂ и Fe; H₂O и CO₂ — сложные. Проверка состоит в подсчёте разных символов элементов в каждой формуле.

Задача 2. В формулах O₂ и O₃ найдите число химических элементов и сравните состав веществ. Здесь важно отдельно посчитать атомы и разные элементы, иначе цифры 2 и 3 можно ошибочно принять за число элементов.

1. В O₂ два атома кислорода, но один химический элемент.
2. В O₃ три атома кислорода, также один химический элемент.
3. Следовательно, оба вещества простые и образованы одним элементом; число атомов в их частицах различается.

Ответ: в каждой формуле представлен один химический элемент — кислород; O₂ и O₃ являются разными простыми веществами.

Задача 3. Распределите железо, серу, алюминий и кислород по группам «металлы» и «неметаллы» и укажите по одному характерному свойству каждой группы. Определять группу только по тому, газ это или твёрдое вещество, нельзя: сначала учитывают сочетание свойств.

1. Железо и алюминий относят к металлам; для металлов характерна хорошая электропроводность.
2. Сера и кислород — неметаллы; неметаллы обычно проводят электрический ток хуже металлов.
3. Проверьте вывод по совокупности признаков, а не только по агрегатному состоянию: кислород — газ, а сера — твёрдое вещество, но оба неметаллы.

Ответ: металлы — железо и алюминий; неметаллы — сера и кислород. Указанные свойства характерны для групп в целом, но имеют исключения.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Её допускают, потому что названия часто похожи: кислородом называют и элемент, и вещество. Проверьте себя вопросом: речь о виде атомов или о веществе, которое из них состоит?

Ошибка — считать O₂ сложным веществом, потому что формула содержит два атома. Цифру у символа принимают за указание на второй элемент. Чтобы проверить ответ, посмотрите на буквы: в O₂ есть только символ кислорода, значит, вещество простое.

Ошибка — заключать, что разные формулы обязательно соответствуют разным элементам. Формулы O₂ и O₃ различаются, но обе содержат только кислород. Сосчитайте символы элементов отдельно от числа атомов: так вы увидите, что это два простых вещества одного элемента.

Ошибка — делить вещества на металлы и неметаллы по одному признаку, например по агрегатному состоянию. Так можно ошибиться, ведь ртуть — жидкий металл, а неметаллы бывают твёрдыми и жидкими. Проверяйте вывод по совокупности свойств: блеску, проводимости и механическим особенностям.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать химические символы и понимать, какой элемент обозначает каждый символ. Эти умения позволяют отличать число атомов от числа элементов и узнавать простые вещества.

Различение простых и сложных веществ пригодится при изучении формул и химических реакций: по составу веществ можно описывать, какие элементы участвуют в превращениях. Сравнение металлов и неметаллов помогает подготовиться к темам о строении атома, химической связи и зависимости свойств от строения вещества.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Число атомов в формуле не равно числу химических элементов в веществе.
• Химический элемент и простое вещество — разные понятия.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Металлы и неметаллы различаются совокупностью физических свойств.
• У общих признаков металлов и неметаллов бывают исключения.