§ 6. Формы существования химических элементов. Простые и сложные вещества. Вещества молекулярного и немолекулярного строения

Определения и обозначения

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Он обозначает вид атомов, а не порцию вещества: атомы кислорода входят и в кислород O₂, и в воду H₂O. Это различие помогает не путать название элемента с названием конкретного вещества.

Простое вещество образовано атомами одного химического элемента. Таковы водород H₂, кислород O₂, железо Fe и углерод C. Понятие позволяет узнать, какие атомы составляют вещество, независимо от того, отдельными молекулами они собраны или нет.

Сложное вещество состоит из атомов разных химических элементов. Его состав выражают химической формулой: например, H₂O показывает, что в частице воды есть водород и кислород. Формула нужна, чтобы обозначить виды атомов и их соотношение.

Молекулярное и немолекулярное строение — два способа организации частиц в веществе. В первом случае вещество состоит из отдельных молекул, во втором отдельные молекулы отсутствуют, а атомы или ионы входят в общую структуру. Это понятие помогает объяснить, почему вещества с разным строением могут различаться по свойствам.

Как это устроено

Один химический элемент может входить и в простые, и в сложные вещества. Причина в том, что элемент определяют по заряду ядра атома, а состав вещества — по тому, какие именно атомы собраны вместе. Например, атомы кислорода входят в простое вещество O₂ и в сложное вещество H₂O. Значит, по одному только названию элемента нельзя судить о том, простое перед нами вещество или сложное.

В простом веществе присутствуют атомы одного элемента, а в сложном — двух или более. Формула показывает это через химические знаки: разные знаки обозначают разные элементы, а нижние индексы — число атомов каждого вида в частице или формульной единице. Если индекс не написан, атом такого элемента один. Поэтому при чтении формулы сначала находят разные химические знаки, а затем подсчитывают атомы каждого элемента.

Некоторые элементы образуют несколько простых веществ, потому что их атомы могут соединяться и располагаться по-разному. Такие формы одного элемента называют аллотропными модификациями. Например, кислород O₂ и озон O₃ состоят только из атомов кислорода, но молекулы у них разные, поэтому различаются и свойства. Следовательно, формула элемента не всегда соответствует лишь одному простому веществу.

В молекулярном веществе атомы объединены в отдельные молекулы, а связь между такими молекулами обычно сравнительно слабая. Поэтому многие молекулярные вещества легче плавятся или кипят, чем вещества с общей прочной структурой. В немолекулярном веществе частицы связаны в единую структуру, например кристаллическую решётку. Чтобы разделить её, нужно нарушить множество связей, и это часто требует значительного нагревания.

Состав и строение отвечают на разные вопросы: состав показывает, какие элементы входят в вещество, а строение — какие частицы его образуют и как они организованы. Формулы H₂ и O₂ показывают атомы одного элемента, а формула H₂O — двух элементов. Однако формула сама по себе не всегда указывает, существуют ли в веществе отдельные молекулы. Поэтому классификацию проводят по двум признакам и не делают вывод о строении только по записи состава.

Классификация веществ по составу и строению

Таблица сочетает два независимых признака: состав вещества и способ организации его частиц. Сначала найдите, сколько разных элементов указано в формуле, затем установите, известны ли для вещества отдельные молекулы или оно образует общую структуру. Формула помогает с первым шагом, но для второго могут понадобиться сведения о строении вещества.

Разбор задач

Задача 1. Распределите O₂, H₂O и NaCl на простые и сложные вещества.

1. В O₂ есть только знак O, значит, в состав входят атомы одного элемента.
2. В H₂O есть знаки H и O, то есть два разных элемента.
3. В NaCl записаны Na и Cl — также два разных элемента.
4. Отнесите формулу с одним видом элемента к простым веществам, а с несколькими — к сложным.

Ответ: O₂ — простое вещество; H₂O и NaCl — сложные. Короткая формула NaCl не делает вещество простым: решает число разных элементов.

Задача 2. Определите элементы в Al₂O₃ и число атомов каждого элемента в одной формульной единице.

1. Найдите разные химические знаки: Al и O, значит, вещество содержит алюминий и кислород.
2. Прочитайте индекс у Al: число 2 означает два атома алюминия.
3. У O стоит индекс 3, поэтому кислорода три атома.
4. Проверьте, что отсутствие индекса означало бы один атом; здесь индексы указаны у обоих знаков.

Ответ: в Al₂O₃ входят алюминий и кислород; формульная единица содержит два атома Al и три атома O.

Задача 3. Классифицируйте H₂, O₂, H₂O и NaCl по составу и типу строения.

1. Сначала посчитайте разные элементы: H₂ и O₂ содержат по одному элементу, а H₂O и NaCl — по два.
2. Значит, H₂ и O₂ — простые вещества, H₂O и NaCl — сложные.
3. Затем определите частицы: H₂, O₂ и H₂O существуют как отдельные молекулы.
4. В NaCl отдельных молекул нет: частицы образуют общую ионную кристаллическую структуру.

Ответ: H₂ и O₂ — простые молекулярные вещества; H₂O — сложное молекулярное; NaCl — сложное немолекулярное. Для полного ответа понадобились оба признака: состав и строение.

Типичные ошибки

Ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Их путают, потому что названия могут совпадать: кислородом называют и элемент, и простое вещество O₂. Проверяйте себя вопросом: речь идёт о виде атомов или о веществе, состоящем из них?

Ошибка — называть вещество простым из-за короткой формулы. Например, NaCl записывается всего двумя знаками, но содержит два элемента — натрий и хлор. Чтобы проверить классификацию, считайте разные химические символы, а не длину записи.

Ошибка — думать, что любое простое вещество состоит из молекул. Такое впечатление возникает из-за знакомых формул O₂ и H₂, но железо Fe и алюминий Al имеют немолекулярное строение. Уточняйте тип частиц отдельно от состава: один элемент ещё не означает наличие молекул.

Ошибка — пытаться определить строение только по формуле. Формула сообщает состав, но запись NaCl, например, не описывает расположение частиц в решётке. Для проверки разделите задачу на два вопроса: какие элементы входят и какие частицы образуют вещество; на второй иногда нужны дополнительные сведения.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что такое атом и химический элемент, уметь распознавать химические знаки и читать индексы в формулах. Без этих знаний нельзя надёжно определить состав вещества или число атомов каждого вида. Дальше эти навыки понадобятся при изучении химических формул и химической связи. Понятие общей структуры веществ связано с кристаллическими решётками, а состав и строение помогают объяснять свойства веществ.

Что запомнить

• Химический элемент — это вид атомов, а не конкретное простое вещество.
• Простое вещество состоит из атомов одного элемента.
• Сложное вещество состоит из атомов разных элементов.
• Формула показывает состав вещества.
• Вещества различаются молекулярным и немолекулярным строением.
• Для классификации вещества отдельно учитывают его состав и строение.