Понятие химического элемента. Простые и сложные вещества

Классификация чистых веществ в химии начинается с разделения их на простые и сложные в зависимости от состава.  Различие между ними, связанное с понятиями химического элемента и соединения, обусловлено атомно-молекулярным строением вещества.

Различие между атомами

Атом представляет собой связанную электрическими силами систему из ядра и электронного облака. Ядро образовано протонами и нейтронами и имеет положительный электрический заряд, складывающийся из зарядов протонов. Нейтроны, не имеющие заряда, вносят вклад в массу ядра и, соответственно, атома.

Мельчайшие носители отрицательного заряда – электроны – образуют вокруг ядра облако. Зарядом ядра определяется их число, от которого зависит конфигурация облака, – в частности, заполнение электронами его внешней оболочки, то есть химические свойства атома. Разнообразие атомов – это следствие существования ядер с разным количеством протонов.

Химические элементы и их соединения

Совокупность атомов с одинаковой величиной заряда ядра называют химическим элементом. Эта величина в периодической таблице представлена порядковым номером элемента. Например, номер азота – 7 – означает, что в ядре атома азота 7 протонов.

У химических элементов существуют разновидности – изотопы, отличающиеся числом нейтронов в ядре и значениями атомных масс. Физические свойства изотопов неодинаковы, а химические идентичны, поскольку они представляют один и тот же элемент.

Число внешних электронов в атоме может изменяться. В этом случае он приобретает электрический заряд и становится ионом: отрицательным, если присоединяет лишний электрон, и положительным при потере своего. При этом не происходит превращения одного химического элемента в другой, так как заряд ядра сохраняется.

Соединения. Химические формулы

Атомы вступают в химическую связь, взаимодействуя внешними электронными оболочками, и образуют молекулы или немолекулярные структуры с регулярным строением. Вещества, частицы которых представляют собой устойчивые сочетания атомов или ионов, называются химическими соединениями.

Химические обозначения соединений – формулы – отражают элементный состав и количество атомов каждого элемента в структурной единице вещества. Формула H₂ означает, что молекула вещества образована одним элементом и состоит из двух атомов. По формуле KNO₃ видно, что вещество составлено тремя элементами – калием, азотом и кислородом в соотношении 1:1:3.

Простое и сложное химическое вещество

Простые вещества

Простым называют вещество, состоящее из однотипных атомов, то есть образованное одним элементом. Его нельзя разложить на другие вещества.

Простые вещества подразделяют на две группы:

• металлы: натрий, алюминий, марганец, золото, железо и т. д.;
• неметаллы: кислород, озон, водород, хлор, графит и пр.

Если атомы связаны в молекулы, то простое вещество считается соединением (бром, фосфор, большинство газов). В отличие от них, металлы, алмаз, графит, инертные газы – это атомарные вещества.

Элемент и вещество

Понятие простого вещества необходимо отличать от понятия химического элемента. Элемент – это совокупность химически одинаковых атомов. В свободном виде он существует в форме природного или искусственного простого вещества.

Аллотропия

Некоторые элементы в свободном виде существуют в нескольких формах. Это явление называется аллотропией. Различным формам одного элемента – аллотропным модификациям – присущи разные свойства. Аллотропия обусловлена следующими причинами:

• Различия в составе. Например, вещества кислород (O₂) и озон (O₃) – аллотропные модификации химического элемента кислород.
• Различия в строении. Элемент углерод представлен такими веществами, как алмаз, графит, графен, фуллерены. Различают аморфный и кристаллический кремний, белый, красный, черный и другие виды фосфора.

Число химических элементов достигло 118, но вследствие аллотропии простых веществ насчитывается свыше 400.

Сложные вещества

Сложное вещество построено из химически связанных атомов различных элементов. Получение и разложение сложных веществ осуществляется в химических реакциях. Это отличает их от смесей.

• Неметаллы, как правило, образуют вещества, состоящие из молекул: воду H₂O, аммиак NH₃, углекислый газ CO₂, метан CH₄.
• Металлы образуют немолекулярные соединения: поваренную соль NaCl, негашеную известь CaO, гидрид меди CuH.

Классификация сложных химических веществ

Исходя из строения и свойств, выделяют следующие классы сложных соединений:

1. Бинарные. Это вещества, образованные двумя элементами: гидриды (CaH₂, KH), карбиды (SiC, Mg₂C) бескислородные кислоты (соляная HCl, сероводород H₂S) и их соли (хлориды, сульфиды и др.).
2. Оксиды. Это сложные бинарные вещества, в составе которых есть кислород со степенью окисления (условным зарядом иона) -2. Различают основные K₂O, MgO (степень окисления металла +1, +2), кислотные SO₃, CO₂, CrO₃ с неметаллами или металлами в степени окисления от +5 до +7, амфотерные ZnO, Al₂O₃ и несолеобразующие (CO, SiO, NO и N₂O) оксиды.
3. Гидроксиды характеризуются составом вида «элемент – группа OH». К этому классу веществ относят:
   • Кислоты (азотная HNO₃, фосфорная H₃PO₄, серная H₂SO₄). Образуются в результате взаимодействия кислотных оксидов с водой. Имеют в составе один или несколько атомов водорода, которые могут замещаться атомом металла, и кислотный остаток.
   • Основания (едкий натр NaOH, гашеная известь Ca(OH)₂), образующиеся в реакциях воды с основными оксидами. Растворимые основания (KOH, NaOH) называются щелочами.
   • Амфотерные гидроксиды способны проявлять и кислотные, и основные свойства.
4. Соли. Это сложные химические вещества с составом типа «металл – кислотный остаток». Соль – продукт реакции между кислотой и основанием. Карбонат калия (поташ) K₂(CO)₃, сульфат меди (медный купорос) CuSO₄ – примеры солей.

Количество сложных веществ, включая полученные искусственно соединения, превышает 25 миллионов.

Вопросы и задания

1. Выберите правильное окончание утверждения: формульная единица сульфата индия In2(SO4)3 содержит…
   • 5 химических элементов;
   • 3 химических элемента;
   • 3 атома.
2. В каком из высказываний речь идет о химическом элементе, а в каком – о простом веществе?
   • калий входит в состав поташа;
   • калий – мягкий серебристо-белый металл.
3. Выберите правильное окончание утверждения: к простым веществам относится…
   • негашеная известь;
   • озон;
   • аммиак.
4. Составьте из предложенного перечня три списка: а) химические элементы; б) простые вещества; в) сложные вещества.

графит, вода, метан, углерод, красный фосфор.

5. Напишите формулу вещества, молекула которого содержит атомы углерода и кислорода в соотношении 1:2. К какому классу соединений оно относится?
   • соли;
   • кислотные оксиды;
   • основные оксиды.
6. Определите вещество, которое образуется в реакции соединений SO₃ и H₂O. Классифицируйте его, выбрав вариант из списка:
   • щелочь;
   • соль;
   • кислота.
7. Заполните пропуски:
   • сульфат натрия Na₂SO₄ – соль … кислоты;
   • ZnOH — … гидроксид;
   • основание …OH – продукт реакции … оксида Li₂O с водой.

Ответы

1. б).
2. а) химический элемент; б) простое вещество.
3. б) озон.
4. а) углерод; б) графит, красный фосфор; в) вода, метан.
5. Химическая формула – CO₂, класс – б) кислотный оксид.
6. Серная кислота H₂SO₄, вариант б).

а) сульфат натрия Na₂SO₄ – соль серной кислоты; б) ZnOH – амфотерный гидроксид; в) основание LiOH – продукт реакции основного оксида Li₂O с водой.