23.1. Характеристика элемента и простого вещества

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Отдельный атом — одна конкретная частица, а элемент объединяет все атомы с одним и тем же числом протонов, даже если у них различается число нейтронов. Это различие нужно, чтобы не называть атом и элемент одним и тем же: элемент указывают, например, в формуле и таблице, а атомы рассматривают как частицы.

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, железо состоит из атомов Fe, а молекула кислорода O₂ — из двух атомов O. Элемент обозначает вид атомов, а простое вещество — вещество с определённым составом и строением, поэтому эти понятия нельзя подменять друг другом.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Так, атомы углерода входят в состав графита и алмаза, а атомы кислорода образуют O₂ и O₃. Понятие аллотропии помогает понять, почему одному элементу могут соответствовать вещества с неодинаковыми свойствами.

Как это устроено

Положение элемента в периодической системе позволяет установить порядковый номер Z. Он равен числу протонов в ядре, поэтому заряд ядра составляет +Z; в нейтральном атоме число электронов также равно Z. Эти сведения дают основу для описания строения атома, а распределение электронов по энергетическим уровням уточняет, как атом может участвовать в химических взаимодействиях.

Строение внешней электронной оболочки связано с типичными степенями окисления — условными зарядами атомов в соединениях. По ним можно предполагать, сколько электронов атом способен отдавать, принимать или смещать при образовании связей, а значит, оценивать возможное химическое поведение элемента. Однако степень окисления относится к атому в конкретном веществе и не является свойством простого вещества во всех ситуациях.

Свойства простого вещества зависят от того, как его частицы соединены и расположены в пространстве. У веществ одного элемента частицы могут иметь разный состав или образовывать разные структуры, поэтому химическое поведение и физические свойства различаются. На них также влияют условия существования: например, агрегатное состояние зависит от температуры и давления, так что названия элемента недостаточно для вывода о свойствах вещества.

Кислород как химический элемент — общее обозначение атомов O, а кислород O₂ и озон O₃ — два его простых вещества. В молекуле O₂ два атома, а в O₃ — три; различный состав молекул приводит к разным свойствам. Аналогично углерод образует алмаз с прочной пространственной структурой и графит со слоистым строением, поэтому эти вещества по-разному проявляют твёрдость и электропроводность.

Чтобы характеристика была последовательной, сначала находят положение элемента в таблице и описывают строение его атома. Затем на этой основе указывают возможные степени окисления и предполагаемые свойства элемента в реакциях. После этого отдельно называют формы существования элемента и характеризуют каждое простое вещество с учётом его строения и условий.

Характеристика химического элемента и соответствующего простого вещества

Читайте таблицу слева направо: сначала определите, описывается ли вид атомов или конкретное вещество. Столбец элемента помогает охарактеризовать атом и его возможное поведение, а столбец простого вещества — состав, строение и свойства вещества. Если формула показывает разные формы одного элемента, проверьте, не является ли это аллотропией.

Разбор задач

Заряд ядра и число электронов серы

Условие. По положению серы в периодической системе определить заряд ядра её атома и число электронов в нейтральном атоме. Нужно использовать порядковый номер, не подменяя характеристики атома характеристиками простого вещества. Речь идёт об атоме серы, а не о кристаллической сере.

1. Находим порядковый номер серы: Z = 16.
2. Поскольку Z равен числу протонов, в ядре 16 протонов и его заряд равен +16.
3. Нейтральный атом имеет равное число протонов и электронов, поэтому в нём 16 электронов.

Ответ: заряд ядра атома серы +16, число электронов в нейтральном атоме — 16. Порядковый номер характеризует атом элемента, а не число частиц в образце простого вещества. Если атом ионизирован, число электронов может измениться, но заряд ядра остаётся прежним.

Кислород как элемент, кислород и озон как вещества

Условие. Сопоставить кислород как химический элемент с простыми веществами кислородом и озоном. Нужно указать общее и различия, не смешивая символ элемента с формулами веществ. Для сравнения достаточно рассмотреть состав частиц и следствие различий в строении.

1. Элемент O — вид атомов с зарядом ядра +8; он общий для обоих веществ.
2. Молекула кислорода имеет формулу O₂, а молекула озона — O₃.
3. Так как состав молекул различается, кислород и озон являются разными веществами с разными свойствами; это аллотропные формы элемента O.

Ответ: оба вещества образованы атомами кислорода, но их молекулы состоят из разного числа атомов. Поэтому кислород O₂ и озон O₃ различаются строением и свойствами, хотя относятся к одному элементу.

Простые и сложные вещества по формулам

Условие. Даны формулы O₂, O₃, H₂O и CO₂. Определить, какие из них обозначают простые вещества одного элемента, а какие — сложные вещества. Смотрим на набор химических символов в каждой формуле, а не только на наличие атомов кислорода.

1. В O₂ есть только символ O, значит, это простое вещество элемента кислорода.
2. В O₃ также указан только O, поэтому это второе простое вещество того же элемента; вместе с O₂ оно представляет аллотропную пару.
3. В H₂O присутствуют H и O, а в CO₂ — C и O. Каждое из них содержит атомы двух элементов и потому является сложным веществом.

Ответ: O₂ и O₃ — простые вещества одного элемента, кислорода; H₂O и CO₂ — сложные вещества. Наличие атомов O в составе соединения не превращает его в простое вещество кислорода.

Типичные ошибки

Отождествление химического элемента с простым веществом смешивает вид атомов и вещество, состоящее из этих атомов. Ошибка возникает потому, что в названиях и формулах часто встречается одно и то же обозначение элемента. Проверьте себя: элемент — это характеристика атомов, а простое вещество можно описать формулой и его собственными свойствами.

Предположение, что каждому элементу соответствует только одно простое вещество, игнорирует аллотропию. Оно кажется естественным, если известна только одна форма элемента, но кислород O₂ и озон O₃ показывают обратное. Чтобы проверить вывод, спросите, может ли элемент существовать в веществах с другим строением или составом частиц.

Называть воду простым веществом кислорода неверно: в H₂O есть атомы и водорода, и кислорода. Такую ошибку допускают, замечая в формуле интересующий элемент и не проверяя остальные символы. Самопроверка проста: простое вещество содержит атомы только одного элемента, а соединение — двух или более.

Переносить свойства одной аллотропной формы на другую нельзя, потому что различия в строении частиц меняют свойства вещества. Например, озон нельзя считать просто другим названием кислорода O₂. Перед описанием свойств уточните формулу и форму существования элемента, а затем характеризуйте именно это вещество.

Связь с другими темами

Для характеристики элемента нужны знания о периодической системе: порядковый номер связан с зарядом ядра, а строение атома — с распределением электронов. При чтении формул пригодятся различия между простыми и сложными веществами, а при описании атомов в соединениях — понятия валентности и степени окисления. Эти знания применяются при изучении свойств неметаллов, аллотропии и химических реакций. Они также помогают правильно составлять характеристику элемента и не смешивать её с описанием конкретного простого вещества.

Что запомнить

• Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Элемент и простое вещество — связанные, но не тождественные понятия.
• Одному элементу могут соответствовать несколько простых веществ.
• Аллотропные формы различаются строением и свойствами.
• Характеристику элемента следует отличать от характеристики образованного им простого вещества.