§ 16. Простые вещества. Кислород

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, O₂ состоит только из атомов кислорода. Это понятие помогает описать состав самого вещества, а не вид его атомов.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Например, атомы кислорода относятся к одному элементу, даже если входят в разные вещества. Элемент — это характеристика атомов, а простое вещество — то, что из них образовано.

Кислород — название химического элемента, который обозначают O, и простого вещества с формулой O₂. Буква O указывает на атом кислорода, а индекс ₂ показывает, что в молекуле два таких атома. Различие записей нужно, чтобы не путать элемент с веществом.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Так, атомы кислорода образуют молекулы O₂ и озона O₃. Это понятие объясняет, почему вещества из атомов одного элемента могут иметь разные свойства.

Как это устроено

Чтобы отличить простое вещество от соединения, посмотри, атомы каких элементов указаны в формуле. Если указан один химический элемент, перед нами простое вещество: например, O₂ или Fe. Если элементов несколько, это соединение, например H₂O или CO₂. Индекс показывает число атомов данного элемента в молекуле, но не меняет сам состав вещества.

Кислород встречается в природе и свободным, и связанным в соединениях, потому что его атомы могут существовать отдельно в молекулах O₂ или входить в состав веществ с другими элементами. Свободный кислород есть в воздухе, а также растворён в природной воде. Вода, углекислый газ и многие минералы содержат кислород в связанном виде. Поэтому запасы кислорода нельзя представить только как газовую оболочку Земли.

Для лабораторного опыта кислород получают разложением веществ, содержащих кислород, например пероксида водорода или перманганата калия. Так можно получить небольшое количество газа и наблюдать его свойства. В промышленности кислород выделяют из жидкого воздуха разделением его компонентов. Этот способ подходит для больших объёмов, поскольку воздух доступен и состоит из смеси газов.

При обычных условиях кислород — бесцветный газ без запаха, который лишь слабо растворяется в воде. Поэтому он не окрашивает предметы и не имеет заметного запаха, а для дыхания водных организмов его часть должна растворяться в воде. Кислород используют в медицине для дыхательной поддержки, а также в металлургии и сварке. Для таких применений важны его способность участвовать в реакциях и возможность получать газ в нужном количестве.

Кислород поддерживает горение, потому что реагирует со многими веществами с выделением энергии; сам кислород обычно не является горючим. При взаимодействии с металлами и неметаллами часто образуются оксиды — соединения элемента с кислородом. Например, магний реагирует с кислородом с образованием оксида магния. Горение в кислороде может идти ярче, чем на воздухе, так как в воздухе кислород разбавлен другими газами.

Кислород: свойства, получение и применение

Таблица помогает сопоставить формулу вещества с его свойствами, распространением и способами получения. Сначала можно выяснить, где кислород встречается, затем связать его свойства с применением. Уравнение в строке о реакциях показывает, что продуктом взаимодействия магния с кислородом становится оксид.

Разбор задач

1. Какие формулы обозначают простые вещества: O₂, H₂O, Fe, CO₂?

Нужно проверить, атомы каких элементов входят в каждое вещество. Простое вещество содержит атомы только одного химического элемента, даже если в формуле несколько атомов. Соединение содержит атомы двух или более элементов.

1. В O₂ есть только атомы кислорода, поэтому это простое вещество.
2. В H₂O есть водород и кислород, значит, это соединение.
3. Fe — обозначение вещества, состоящего из атомов железа, поэтому это простое вещество.
4. В CO₂ есть углерод и кислород, значит, это соединение.

Ответ: простые вещества — O₂ и Fe; H₂O и CO₂ — химические соединения. Не путай формулу элемента Fe с обозначением одного атома: в задании она называет простое вещество железо.

2. Составьте и уравняйте реакцию горения магния в кислороде.

При горении магний реагирует с кислородом, а продуктом становится оксид магния. Сначала записываем формулы веществ: магний — Mg, кислород — O₂, оксид магния — MgO. Затем проверяем, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Записываем схему: Mg + O₂ → MgO.
2. Слева два атома кислорода, а справа пока один, поэтому ставим коэффициент 2 перед MgO: Mg + O₂ → 2MgO.
3. Теперь справа два атома магния, поэтому ставим 2 перед Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO.
4. Проверяем: по обе стороны два атома Mg и два атома O. Уравнение уравнено.

Ответ: 2Mg + O₂ → 2MgO. Коэффициенты показывают соотношение частиц, участвующих в реакции. Индексы в формулах менять нельзя, иначе получится другое вещество.

3. При взаимодействии 12 г магния с кислородом образуется оксид магния. Найдите массу кислорода, вступившего в реакцию.

Используем уравнение реакции, чтобы определить соотношение количеств магния и кислорода. В уравнении 2Mg + O₂ → 2MgO два атома магния реагируют с одной молекулой кислорода. Относительные атомные массы: Mg = 24, O = 16, поэтому 48 г магния реагируют с 32 г кислорода.

1. Записываем уравнение: 2Mg + O₂ → 2MgO.
2. По коэффициентам и относительным атомным массам получаем массовое соотношение: 2 · 24 = 48 г Mg и 2 · 16 = 32 г O₂.
3. Составляем пропорцию для 12 г Mg: масса кислорода равна 12 · 32 / 48 = 8 г.
4. Проверяем смысл результата: 12 г — четверть от 48 г, поэтому и кислорода нужно в четыре раза меньше, чем 32 г.

Ответ: в реакцию вступило 8 г кислорода. Расчёт предполагает, что магний полностью прореагировал, а кислород был взят в необходимом количестве. Масса образовавшегося оксида равна 12 г + 8 г = 20 г.

Типичные ошибки

Считать химический элемент и простое вещество одним и тем же — ошибка: элемент обозначает вид атомов, а вещество состоит из атомов. Так путаются, потому что для обоих понятий используют одно название, например «кислород». Проверь себя: O обозначает элемент, а O₂ — простое вещество.

Записывать формулу кислорода как O вместо O₂ неверно для обычного простого вещества: в его молекуле два атома. Ошибка возникает, если забыть, что индекс показывает состав молекулы. Сверь запись с условием: один атом обозначают O, а газообразный кислород — O₂.

Утверждать, что кислород сам горит, тоже неверно: он поддерживает горение других веществ. Яркое пламя в кислороде можно принять за признак того, что горит именно газ. Проверь себя, назвав горючее вещество и окислитель: кислород помогает реакции идти, но обычно не служит топливом.

Наблюдение горения — не просто изменение внешнего вида: при реакции появляется новое вещество, например оксид. Ошибка возникает, если описывать пламя, но не учитывать состав продукта. Проверь уравнение реакции: в нём должны быть формулы исходных веществ и продукта, а число атомов каждого элемента слева и справа должно совпадать.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что обозначают химический элемент и химическая формула, а также уметь считать атомы по индексам. Это помогает отличать простое вещество от соединения и правильно уравнивать реакции. Далее понятия пригодятся при изучении оксидов, горения, химических реакций и способов получения веществ. Связь особенно заметна в уравнениях, где кислород превращает элементы в оксиды.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Кислород как простое вещество имеет формулу O₂.
• Химический элемент кислород входит в состав множества соединений.
• Кислород — бесцветный газ без запаха при обычных условиях.
• Кислород поддерживает горение и реагирует со многими веществами.
• Продуктами взаимодействия кислорода с другими элементами обычно являются оксиды.