§ 7. Химический элемент

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Поэтому принадлежность атома к элементу определяют не по его массе, а по заряду ядра. Атомы одного элемента могут различаться массой, но всё равно относятся к одному виду. Это понятие помогает говорить об общих свойствах атомов и составе веществ.

Атом — мельчайшая электронейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Электронейтральность означает, что общий положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов. Атом нужен как основная частица, из которой складываются вещества. При этом в химических формулах атомы часто объединяются в молекулы.

Знак химического элемента — его буквенное обозначение, которое используют в формулах и уравнениях. Обычно знак составляют из одной или двух букв латинского названия элемента: первую пишут заглавной, вторую — строчной. Например, Fe — знак железа, а не сочетание двух отдельных знаков. Один знак без индекса может обозначать один атом элемента.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Например, железо состоит из атомов железа, а кислород O₂ — из атомов кислорода. Элемент — название вида атомов, вещество — то, что образовано этими атомами. Различие нужно, чтобы не путать состав вещества с его частицами.

Как это устроено

Заряд ядра задаётся числом положительно заряженных частиц в нём. У атомов одного элемента это число одинаково, поэтому они имеют одинаковый заряд ядра и относятся к одному виду. Масса может различаться из-за разного числа нейтронов — частиц ядра, не имеющих заряда. Значит, масса сама по себе не служит главным признаком элемента.

Знаки элементов основаны на латинских названиях, поскольку химические обозначения должны быть общими для разных стран. У некоторых элементов знак совпадает с первой буквой названия, у других используют две буквы, чтобы отличать их от других знаков. Правило регистра помогает читать запись однозначно: Fe — один знак, а не два символа F и e. Поэтому важно писать вторую букву строчной.

Один элемент может образовывать несколько простых веществ, потому что его атомы способны соединяться по-разному. Так, атомы кислорода образуют молекулы O₂ и O₃: в них разное число атомов, поэтому получаются вещества с разными свойствами. Кислород O₂ и озон O₃ — разные простые вещества, хотя оба состоят только из атомов кислорода. Это показывает, почему название элемента нельзя считать названием единственного вещества.

В записи O₂ маленькая цифра справа внизу — индекс: она показывает, что в одной молекуле два атома кислорода. Запись 2O устроена иначе: цифра перед знаком является коэффициентом и указывает на два отдельных атома. Индекс относится к составу одной частицы, а коэффициент — к числу частиц. Поэтому O₂ — одна молекула, а 2O — два атома, не объединённые в указанную молекулу.

Химический элемент, простое и сложное вещества отвечают на разные вопросы. Элемент указывает, какие атомы рассматриваются, простое вещество показывает материал из атомов одного вида, а сложное вещество образовано атомами разных элементов. Например, вода состоит из водорода и кислорода, поэтому в её составе есть оба элемента. Но вода не является простым веществом, так как её частицы содержат атомы двух разных элементов.

Химический элемент и соответствующее ему простое вещество

Сначала найдите название элемента и его знак, затем посмотрите, какой формулой записывают соответствующее простое вещество. Для водорода, кислорода и азота формула показывает молекулы из двух атомов, а железо записывают знаком Fe. Таблица помогает увидеть, что знак элемента и формула вещества могут различаться.

Разбор задач

Задача 1. Запишите знаки химических элементов натрия, кальция и хлора. Нужно подобрать именно установленные обозначения: простая запись по первой букве русского названия здесь не подойдёт. Знаки связаны с латинскими названиями, поэтому их следует запомнить или найти в таблице химических элементов. Проверим также, правильно ли записаны заглавные и строчные буквы.

1. Для натрия используем знак Na: первая буква заглавная, вторая строчная.
2. Для кальция записываем Ca, сохраняя тот же порядок букв и регистр.
3. Для хлора используем Cl, а не две заглавные буквы.

Ответ: натрий — Na, кальций — Ca, хлор — Cl. В каждом двухбуквенном знаке заглавной является только первая буква.

Задача 2. Объясните, что обозначают записи 3O и O₃, и укажите число атомов кислорода в каждой. Здесь важно не просто сосчитать цифры, а определить их место: цифра перед знаком и маленькая цифра после него выполняют разные функции. Сначала читаем коэффициент, затем индекс, если он есть.

1. В записи 3O коэффициент 3 относится к знаку O и указывает на три отдельных атома кислорода.
2. В записи O₃ индекс 3 показывает число атомов кислорода в одной молекуле.
3. Следовательно, в обеих записях указано по три атома, но во втором случае они составляют одну молекулу O₃.

Ответ: 3O — три отдельных атома кислорода; O₃ — одна молекула озона из трёх атомов. Одинаковое число атомов не означает одинаковую запись частиц.

Задача 3. Вода состоит из водорода и кислорода. Укажите, какие химические элементы входят в её состав, и объясните, почему вода не является простым веществом. Нужно определить, атомы каких элементов содержатся в частицах воды, а затем применить определение простого вещества. Простым называют вещество, состоящее из атомов только одного элемента.

1. В составе воды присутствуют атомы водорода и кислорода.
2. Это два разных химических элемента, а не один вид атомов.
3. Значит, вода образована атомами разных элементов и относится к сложным веществам.

Ответ: в состав воды входят водород и кислород. Вода не является простым веществом, потому что содержит атомы двух химических элементов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Так происходит, потому что в разговоре оба понятия часто называют одним словом, например «кислород». Проверьте себя вопросом: речь идёт о виде атомов или о веществе, состоящем из этих атомов? В первом случае это элемент, во втором — простое вещество.

Ошибка: путать 2O с O₂. Цифры стоят рядом со знаком, поэтому легко принять их за одно и то же обозначение. Проверьте расположение числа: коэффициент стоит перед знаком и считает частицы, а нижний индекс стоит справа от знака и показывает состав одной молекулы. Поэтому 2O — два атома, O₂ — одна молекула из двух атомов.

Ошибка: писать двухбуквенный знак двумя заглавными буквами, например FE вместо Fe. Это случается, если воспринимать обозначение как обычную аббревиатуру. Проверка простая: у знака из двух букв заглавной должна быть только первая. Запись Fe обозначает железо, а FE не соответствует принятому правилу.

Ошибка: считать, что каждый элемент образует только одно простое вещество. Обычно вещество и элемент мысленно связывают один к одному, но атомы могут образовывать частицы разного состава или строения. Вспомните кислород O₂ и озон O₃: оба вещества состоят из атомов кислорода, но отличаются. Если у одного элемента встречается несколько простых веществ, это не означает, что изменился сам элемент.

Связь с другими темами

Чтобы понять, почему атомы одного элемента относят к одному виду, нужно знать строение атома: ядро, электроны и заряд ядра. Для чтения формул полезно различать атом и молекулу, а также понимать, как работают индексы и коэффициенты. Знаки элементов станут основой при изучении периодической системы и состава веществ. Позже эти знания помогут записывать химические уравнения и считать атомы в формулах.

Что запомнить

• Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
• У каждого химического элемента есть свой знак.
• Знак элемента может обозначать один атом.
• Индекс в формуле показывает число атомов в молекуле.
• Коэффициент перед формулой показывает число частиц.
• Простое вещество состоит из атомов одного элемента.
• Один элемент может образовывать несколько простых веществ.