Простые и сложные вещества

Кислород O₂ и озон O₃ — разные вещества, но оба образованы одним элементом. Вода H₂O содержит атомы двух элементов, хотя выглядит однородной. Слова «простое» и «сложное» в химии описывают элементный состав вещества, а не трудность его изучения и не число атомов в одной частице.

Как различают простые и сложные вещества

Простое вещество образовано одним химическим элементом. Сложное вещество, или химическое соединение, образовано двумя или более химическими элементами.

Так классифицируют чистые вещества. Смесь может содержать сразу несколько простых веществ, несколько соединений или вещества обеих групп. Например, воздух содержит простые вещества азот и кислород, сложное вещество углекислый газ и другие компоненты. Называть весь воздух одним сложным веществом неверно.

Для классификации по формуле считают разные химические элементы, а не сумму индексов. Символ элемента может состоять из одной или двух букв: Cu — один элемент, а CO содержит два.

Какие частицы образуют вещества

Некоторые простые вещества молекулярны. Молекулы водорода H₂, азота N₂, кислорода O₂, фтора F₂, хлора Cl₂, брома Br₂ и йода I₂ двухатомны. Индекс 2 не превращает их в соединения: в каждой формуле указан один элемент.

Другие простые вещества не имеют отдельных молекул. В алмазе атомы углерода связаны в протяжённую пространственную сетку. Медь и железо имеют металлическое строение. Гелий, неон и аргон в обычном газообразном состоянии состоят из отдельных атомов.

Среди сложных веществ тоже встречаются разные типы строения. Вода и углекислый газ молекулярны, а твёрдый хлорид натрия представляет собой ионный кристалл. Формула NaCl показывает соотношение натрия и хлора 1 : 1. Она не означает, что кристалл построен из отдельных молекул соли.

Таким образом, «простое или сложное» и «молекулярное или немолекулярное» — два разных способа описания. Один относится к элементному составу, другой — к организации частиц.

Аллотропия: один элемент, разные вещества

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде разных простых веществ, отличающихся строением и свойствами. Такие вещества называют аллотропными модификациями.

Кислород O₂ и озон O₃ различаются составом молекул: в них соответственно два и три атома. Это не две порции одного вещества, а разные вещества с разными свойствами. При обычных условиях оба газообразны, поэтому различие не сводится к агрегатному состоянию.

Углерод образует, в частности, алмаз и графит. Их обычно обозначают одной формулой C, но строение существенно различается. В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседними атомами в пространственной сетке. В графите атомы образуют слои; внутри слоя каждый атом связан с тремя соседями. Между слоями взаимодействия значительно слабее.

Алмаз очень твёрд и обычно плохо проводит электрический ток. Графит мягче, оставляет след на бумаге и проводит ток. Отличие объясняется строением, хотя элементный состав одинаков. Бриллиант — огранённый алмаз, а не отдельная аллотропная модификация.

Элемент и простое вещество — разные понятия

Элемент — вид атомов с одинаковым числом протонов. Вещество — конкретная форма существования этих атомов с определённым строением и свойствами. В фразе «кислород — бесцветный газ» речь идёт о простом веществе O₂. В фразе «в состав воды входит кислород» назван элемент, атомы которого химически связаны с водородом.

В воде нет отдельных молекул кислорода только потому, что её формула содержит O. Но вода может дополнительно содержать растворённый O₂. Рыбы используют именно растворённый молекулярный кислород, а не извлекают его из молекул H₂O при обычном дыхании. Растворённый кислород и кислород как элемент в составе воды нужно различать.

Соединение также не сохраняет весь набор свойств исходных простых веществ. Твёрдый хлорид натрия отличается и от металлического натрия, и от газообразного хлора. Названия элементов сообщают состав, но не заменяют описание свойств соединения.

Три разобранных примера

1. O₃ и H₂O₂

В O₃ три атома, но только один элемент: это простое вещество озон. В H₂O₂ четыре атома двух элементов: это сложное вещество пероксид водорода. Размер молекулы не является критерием классификации.

2. Вода, лёд и озон

Вода и лёд представляют одно соединение в разных агрегатных состояниях. Они не являются аллотропными модификациями: аллотропия относится к простым веществам одного элемента. Пара кислород — озон, напротив, является примером аллотропии.

3. Смесь железа с серой и сульфид железа

До реакции это смесь двух простых веществ. После их взаимодействия образуется соединение FeS, которое нельзя снова разделить на исходные железо и серу одним магнитом. Для обычной школьной схемы требуется инициирующее нагревание:

Fe + S → FeS (начальное нагревание).

В соединении элементы присутствуют в определённом соотношении. Если один реагент был в избытке, полученный образец может содержать и FeS, и остаток исходного вещества, то есть вновь быть смесью.

Частые ошибки

• Считать любое вещество из нескольких атомов сложным: в N₂ один элемент.
• Принимать два символа за два вещества: H₂O — одно соединение.
• Путать число букв и элементов: Na и Cl — два двухбуквенных символа.
• Называть смесь кислорода с азотом химическим соединением.
• Объяснять разные свойства алмаза и графита разными элементами: различается строение.

Проверьте себя

1. Распределите на простые и сложные вещества: He, Br₂, O₃, CO₂, H₂O₂, NaCl.
2. Сколько химических элементов обозначено в Na₂SO₄? Зависит ли ответ от суммы индексов?
3. Являются ли алмаз и бриллиант двумя разными аллотропными модификациями?
4. Что означает «медь входит в состав CuO»: наличие частиц простого вещества меди или присутствие элемента?
5. Образец содержит O₂ и O₃. Это одно простое вещество, одно сложное вещество или смесь?

Ответы и объяснения

1. Простые: He, Br₂, O₃. Сложные: CO₂, H₂O₂, NaCl. Считают разные элементы, а не атомы.
2. Три: натрий, сера и кислород. Индексы задают их соотношение, но не добавляют новые элементы.
3. Нет. Бриллиант — огранённый алмаз; изменение формы не меняет тип вещества.
4. Речь об элементе меди, химически связанном в соединении. Свойства металлической меди нельзя автоматически переносить на CuO.
5. Смесь двух простых веществ одного элемента. Аллотропные модификации сохраняют статус разных веществ.

Связанные темы

Повторите атомы, молекулы и ионы, соединения и смеси и валентность.

Источники

Термины: элемент IUPAC и аллотропные модификации IUPAC. Строение и свойства углерода: RSC, Allotropes of carbon. Различие смеси и продукта реакции: RSC, Iron and sulfur reaction.