§ 9. Простые и сложные вещества

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, железо Fe состоит из атомов железа, а кислород O₂ — из атомов кислорода. Простые вещества могут иметь формулы как с одним символом, так и с индексом: главное, что символ элемента только один. Это определение помогает отличить состав вещества от числа атомов в его частицах.

Сложное вещество, или химическое соединение, образовано атомами разных химических элементов. Вода H₂O содержит атомы водорода и кислорода, а углекислый газ CO₂ — углерода и кислорода. По составу соединения отличаются от простых веществ тем, что в них обязательно присутствуют не менее двух элементов. Поэтому их формулы содержат несколько разных символов.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Символ элемента обозначает именно этот вид атомов, а не обязательно отдельное простое вещество: атомы кислорода входят и в O₂, и в воду H₂O. Значит, элемент и вещество — не одно и то же. Это различие нужно, чтобы не путать название атомов с названием вещества, которое из них образовано.

Химическая формула — запись состава вещества с помощью символов элементов и индексов. В формуле H₂O символы H и O показывают, какие элементы входят в воду, а индекс 2 указывает на два атома водорода. Если возле символа индекса нет, подразумевается один атом. Формула позволяет определить и состав, и соотношение атомов элементов в частице вещества.

Как это устроено

Вещества делят на простые и сложные по числу разных элементов в составе, потому что именно это показывает химический состав. У простого вещества все атомы принадлежат одному виду, например в Fe — железу. В сложном веществе соединены атомы разных видов: в NaCl есть натрий и хлор. Поэтому для классификации важно выяснить не общее количество атомов, а количество элементов.

Формула передаёт состав вещества через символы и индексы. Каждый новый символ обозначает новый химический элемент, а индекс относится только к символу непосредственно перед ним. Например, в CO₂ есть углерод и кислород, причём атомов кислорода в частице два. Такое чтение показывает соотношение атомов, но не превращает два атома кислорода в два разных элемента.

Один элемент может образовывать несколько простых веществ, потому что его атомы способны соединяться в разные частицы или располагаться по-разному. Это явление называют аллотропией: аллотропные формы — разные простые вещества одного элемента. Кислород O₂ и озон O₃ состоят только из атомов кислорода, но отличаются строением и свойствами. Углерод тоже образует разные простые вещества, например алмаз и графит.

Понятия «химический элемент» и «простое вещество» описывают разные вещи: первое относится к виду атомов, второе — к веществу из этих атомов. Поэтому кислород как элемент может входить не только в простое вещество O₂, но и в сложные вещества, например H₂O. Атомы одного элемента могут оказаться частью веществ разных типов. Это важно учитывать, когда состав вещества объясняют по формуле или описывают реакцию.

Чтобы определить тип вещества по формуле, посчитайте разные символы элементов. Один символ означает простое вещество, даже если у него есть индекс: таковы O₂ и O₃. Два или более разных символа означают сложное вещество, как в H₂O или NaCl. Индекс отвечает на вопрос «сколько атомов?», а набор символов — на вопрос «сколько элементов?».

Сравнение простых и сложных веществ

Сначала сравните количество разных символов в формуле, затем проверьте, какие атомы и в каком соотношении входят в состав. Индексы помогают прочитать число атомов, но не меняют число элементов. Строка о разложении показывает следствие состава: соединение содержит атомы разных элементов, а простое вещество — атомы только одного.

Разбор задач

Задача 1. Распределите вещества O₂, H₂O, Fe, CO₂, O₃ и NaCl на простые и сложные. Нужно определить не общее число атомов, а число разных химических символов в каждой формуле. Запишите каждое вещество в подходящую группу.

1. В O₂ и O₃ встречается только символ O, значит, каждое вещество простое.
2. В Fe указан один элемент — железо, поэтому Fe тоже простое вещество.
3. В H₂O есть H и O, в CO₂ — C и O, в NaCl — Na и Cl. Все три вещества сложные.

Ответ: простые вещества — O₂, Fe, O₃; сложные — H₂O, CO₂, NaCl. Индексы в O₂, H₂O, CO₂ и O₃ не влияют на число разных элементов. Решение основано на подсчёте символов, а не атомов.

Задача 2. Укажите, сколько атомов каждого элемента содержится в одной формульной единице Al₂O₃ и в одной молекуле NH₃. Формульная единица — условная запись состава вещества, а молекула — его частица из связанных атомов. Прочитайте индексы возле каждого символа, помня, что отсутствие индекса означает один атом.

1. В Al₂O₃ индекс 2 относится к Al, а индекс 3 — к O.
2. В NH₃ у N нет индекса, значит, атом азота один; у H индекс 3.
3. Проверьте, что для каждого символа учтён свой индекс, а отсутствующий принят за единицу.

Ответ: Al₂O₃ содержит два атома алюминия и три атома кислорода; NH₃ — один атом азота и три атома водорода. Индексы не обозначают число молекул или формульных единиц, а показывают состав одной частицы, записанной формулой. В этих примерах формулы обоих веществ содержат по два разных элемента.

Задача 3. В наборе O₂, O₃, H₂O и CO₂ определите простые и сложные вещества и объясните, почему O₂ и O₃ относятся к одному элементу, но являются разными простыми веществами. Сначала отдельно классифицируйте каждую формулу по числу символов. Затем сравните состав частиц O₂ и O₃.

1. В O₂ и O₃ указан только кислород, поэтому это простые вещества.
2. В H₂O есть водород и кислород, а в CO₂ — углерод и кислород; оба вещества сложные.
3. O₂ и O₃ состоят из атомов одного элемента, но частицы содержат разное число атомов и имеют разное строение.

Ответ: простые — O₂ и O₃, сложные — H₂O и CO₂. O₂ и O₃ — разные простые вещества кислорода; такие формы одного элемента называют аллотропными. Их различают как вещества, хотя в обеих формулах записан один и тот же элемент.

Типичные ошибки

Ошибка — считать простым веществом любое вещество, в формуле которого виден один символ, не проверяя запись целиком. Обычно путают число символов с числом атомов или не замечают, что символы элементов могут иметь заглавную и строчную буквы, как Na. Проверьте, сколько именно разных символов элементов входит в формулу. Например, NaCl содержит два элемента, хотя символ натрия состоит из двух букв.

Ошибка — называть вещество химическим элементом. Это происходит потому, что в речи названия элемента и вещества часто совпадают, например «железо». Чтобы проверить себя, спросите: речь идёт о виде атомов или о веществе с определённым составом и свойствами? Элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — образованную ими форму.

Ошибка — считать O₂ и O₃ сложными веществами из-за нескольких атомов в формуле. Так думают, когда считают все атомы вместо разных элементов. Посмотрите на символы: и O₂, и O₃ содержат только O, значит, оба вещества простые. Числа 2 и 3 — индексы, а не обозначения новых элементов.

Ошибка — считать вещество сложным только потому, что в формуле есть индекс. Индекс действительно выделяется цифрой, но показывает количество атомов элемента, а не количество элементов. Проверьте число разных символов: O₂ простое вещество, а H₂O сложное. Если после символа цифры нет, это всё равно означает один атом, а не отсутствие элемента.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать символы элементов и понимать индексы: без этого нельзя определить состав вещества. Различение элемента и вещества пригодится при составлении формул, чтении уравнений реакций и изучении химических реакций разложения. Оно помогает понять, какие атомы участвовали в превращении, даже если изменились состав частиц и свойства вещества. Представление об аллотропии понадобится дальше, когда будут изучать разные формы одного элемента.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Сложное вещество состоит из атомов двух или более химических элементов.
• Число разных элементов определяют по символам в формуле, а не по индексам.
• Индекс показывает число атомов элемента в формуле.
• Химический элемент и простое вещество — разные понятия.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ, например O₂ и O₃.