§ 7. Развитие представлений о простом и сложном веществе. Химические элементы

Определения и обозначения

Химический элемент — определённый вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Его обозначают символом, например O — кислород, Fe — железо. Элемент не является веществом: это характеристика атомов, из которых могут состоять разные вещества. Различие помогает не путать обозначение вида атомов с тем, что образовано из них.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Примеры: кислород O₂, железо Fe и сера S₈; числа в формулах показывают состав частиц вещества. Индекс ₂ в O₂ означает два атома кислорода в молекуле. Понятие простого вещества нужно, чтобы говорить о реальном веществе, а не только о виде его атомов.

Сложное вещество состоит из атомов разных химических элементов. Его формула показывает, какие элементы входят в состав и сколько их атомов содержится в частице или формульной единице: например, H₂O включает водород и кислород. Поэтому по формуле можно отличить сложное вещество от простого. Вода и углекислый газ — сложные вещества, а не элементы.

Аллотропия — существование нескольких простых веществ, образованных одним химическим элементом. Например, кислород образует O₂, а также озон O₃; их молекулы устроены по-разному, поэтому различаются и свойства. Это понятие объясняет, почему одному элементу не обязательно соответствует только одно простое вещество. Различать элемент и его простые вещества помогает сравнение символа и формулы.

Как это устроено

Люди сначала пытались объяснить разнообразие окружающего мира через несколько первоначальных начал: например, воду, воздух, землю и огонь. Такой подход был основан на наблюдениях, но не показывал, как именно устроены вещества и почему одни превращаются в другие. Позднее развитие опытов привело к атомно-молекулярным представлениям: вещества стали объяснять через частицы, а их состав — через атомы. Это позволило описывать состав и превращения точнее, чем простым перечислением предполагаемых начал.

Понятия «химический элемент» и «простое вещество» отвечают на разные вопросы. Элемент сообщает, какой вид атомов рассматривается, а вещество — какая форма материи образована атомами и какими свойствами она обладает. Например, символ O обозначает элемент, а O₂ — молекулы простого вещества кислорода. Такое различение необходимо, потому что один элемент может входить в состав разных веществ, а свойства веществ нельзя автоматически приписывать отдельным атомам.

Чтобы определить состав по формуле, сначала находят все разные химические символы. Если символ один, вещество простое, даже если в формуле есть индекс: у O₂ два атома, но оба одного элемента. Если символов несколько, вещество сложное: в CO₂ входят углерод и кислород. Индексы помогают посчитать атомы каждого вида, а отсутствие индекса означает один атом; так формула H₂O показывает два атома водорода и один кислорода.

Один химический элемент может образовывать несколько простых веществ, потому что атомы этого элемента могут объединяться в частицы разного строения. Различия в строении приводят к различиям в свойствах, хотя вид атомов остаётся прежним. Так, молекула кислорода O₂ состоит из двух атомов, а молекула озона O₃ — из трёх. Существование таких простых веществ одного элемента называют аллотропией; пример есть и у углерода — алмаз и графит.

Постепенное изучение состава веществ помогло учёным выделить понятие химического элемента и систематизировать известные виды атомов. Сейчас каждый элемент имеет название и условный символ, а элементы упорядочены в Периодической системе. Символы делают химические записи краткими и понятными учёным разных стран. Формулы строят из этих символов, чтобы передавать состав вещества, а не просто называть его.

Химический элемент, простое и сложное вещества

Сначала выясни, о чём говорится: о виде атомов или о веществе, которое из них образовано. Затем сравни число разных символов в формуле — это определяет, простое вещество или сложное. Индексы нужны для подсчёта атомов, но сами по себе не показывают число элементов.

Разбор задач

Задача 1. Распределить вещества O₂, Fe, H₂O и CO₂ на простые и сложные и указать число химических элементов в каждом. Чтобы не принять число атомов за число элементов, в каждой формуле сначала найдём разные символы. Затем проверим, один символ или несколько, и запишем результат.

1. В O₂ есть только символ O. Это простое вещество, в его составе один химический элемент.
2. В Fe есть только символ Fe. Железо — простое вещество из одного химического элемента.
3. В H₂O есть символы H и O. Это сложное вещество, в составе два химических элемента.
4. В CO₂ есть символы C и O. Это сложное вещество, в составе тоже два химических элемента.

Ответ: простые вещества — O₂ и Fe, каждое содержит один элемент; сложные — H₂O и CO₂, каждое содержит два элемента. Индекс ₂ в O₂ не меняет число элементов, поскольку символ O только один. В CO₂ индекс показывает количество атомов кислорода, а второй символ указывает на углерод.

Задача 2. Объяснить, почему кислород O₂ и озон O₃ являются разными простыми веществами, хотя образованы одним элементом. Сначала сравним формулы: в обеих есть только символ O, значит, вещества простые и образованы элементом кислород. Затем посмотрим на индексы: молекулы отличаются числом атомов, поэтому имеют различное строение и свойства. Разные простые вещества одного элемента — это проявление аллотропии.

1. Определяем символы: в O₂ и O₃ представлен только кислород.
2. Сравниваем частицы: молекула O₂ состоит из двух атомов, а O₃ — из трёх.
3. Связываем разное строение с разными свойствами веществ и называем явление аллотропией.

Ответ: O₂ и O₃ — разные простые вещества одного химического элемента, кислорода. Они различаются строением молекул и свойствами. Нельзя считать индекс признаком сложного вещества: для этого в формуле должны присутствовать символы разных элементов.

Задача 3. В сосуде находятся молекулы H₂, O₂ и H₂O. Определить, сколько в сосуде простых и сложных веществ и сколько химических элементов. Сначала классифицируем каждую формулу отдельно, затем посчитаем разные вещества и разные символы во всём сосуде. Такой порядок не позволяет смешать количество веществ с количеством элементов.

1. H₂ содержит один вид атомов — водород, поэтому это простое вещество.
2. O₂ содержит один вид атомов — кислород, поэтому это тоже простое вещество.
3. H₂O содержит водород и кислород, значит, это сложное вещество.
4. В наборе формул представлены H и O — всего два химических элемента, а формул веществ три.

Ответ: в сосуде два простых вещества, одно сложное вещество и два химических элемента. Водород и кислород входят не только в простые вещества H₂ и O₂, но и в состав воды. Число веществ равно трём, а число элементов — двум, потому что это разные способы подсчёта.

Типичные ошибки

Ошибка: считать химический элемент разновидностью вещества. Её допускают из-за сходства названий: кислородом называют и элемент, и газ, хотя смысл понятий различается. Проверка: спроси себя, идёт ли речь о виде атомов или о веществе с определёнными свойствами. Символ O обозначает элемент, а формула O₂ — простое вещество.

Ошибка: называть воду или углекислый газ простыми веществами, потому что у каждого есть одна формула. Формула — это запись состава одного вещества, а простоту определяет число разных элементов. Проверь, сколько символов в записи: в H₂O есть H и O, а в CO₂ — C и O. Значит, оба вещества сложные.

Ошибка: считать O₂ сложным веществом из-за индекса 2. Индекс показывает количество атомов кислорода в молекуле, а не появление второго элемента; путаница возникает, если смотреть на цифру, а не на символы. Для проверки посчитай разные буквенные обозначения: в O₂ только O. Поэтому кислород O₂ — простое вещество.

Ошибка: утверждать, что одному элементу всегда соответствует только одно простое вещество. Такое мнение не учитывает аллотропию, при которой атомы одного элемента образуют вещества с разным строением и свойствами. Проверь себя на примере: кислород O₂ и озон O₃ содержат один элемент, но являются разными веществами. Значит, символ элемента не всегда задаёт единственную форму простого вещества.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия атома и молекулы, представление о строении атома, а также умение читать химические символы и индексы. Различение элементов и веществ помогает понимать формулы и составлять уравнения реакций: без него легко перепутать атомы с веществами. Далее эти знания понадобятся при изучении Периодической системы, валентности и состава веществ. Они также помогают описывать, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются.

Что запомнить

• Химический элемент — это определённый вид атомов.
• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Сложное вещество состоит из атомов разных химических элементов.
• Символ обозначает химический элемент, а формула — состав вещества.
• Индекс в формуле показывает число атомов данного элемента.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.
• Число химических элементов и число веществ — не одно и то же.