Химический элемент и простое вещество

Слово «кислород» в учебнике встречается по двадцать раз на странице, и каждый раз оно означает одно из двух. Либо речь о виде атомов — о том кислороде, который сидит в молекуле воды, в песке, в известняке и в белке́ и никуда оттуда сам по себе не денется. Либо речь о газе O₂, которым мы дышим, который поддерживает горение и который можно налить в баллон. Это разные вещи, и экзамен проверяет, различает ли их ученик, — потому что без этого различия химию невозможно даже правильно прочитать.

Исторически различие далось науке тяжело. До конца XVIII века «элементами» называли то огонь, воздух, воду и землю, то произвольный набор веществ, который никак не удавалось разложить. Антуан Лоран Лавуазье в «Начальном учебнике химии» (1789) сделал шаг, который и создал современную химию: он предложил считать элементом предел, до которого доходит разложение вещества имеющимися средствами. Его список из тридцати трёх «простых тел» был не идеален — в него попали и свет, и теплород, — но принцип оказался верным: элемент определяется через опыт, а не через умозрение.

Второй шаг сделал Джон Дальтон (1803–1808): он связал элемент с атомом. Элемент — это вид атомов, одинаковых по массе и свойствам; вещество — то, что из этих атомов сложено. Сегодня мы уточняем: одинаковы не массы (есть изотопы), а заряд ядра. Но суть осталась дальтоновской.

Третий шаг — уже наш, российский. Дмитрий Иванович Менделеев в «Основах химии» настойчиво разделял «простое тело» и «элемент»: простое тело можно взять в руки, у него есть цвет, плотность и температура плавления; элемент же — это то общее, что сохраняется у атомов данного вида и в простом теле, и во всех его соединениях. Именно эта мысль позволила ему строить таблицу: в клетке Периодической системы стоит элемент, а не вещество. Иначе пришлось бы решать, какую клетку отдать графиту, а какую — алмазу.

Запомните формулу, к которой всё сводится: элемент не имеет свойств вещества. У элемента кислород нет ни цвета, ни запаха, ни температуры кипения — у него есть только заряд ядра +8, номер 8 в таблице, атомная масса 16 и способность образовывать соединения. Цвет, запах и температура кипения есть у простого вещества O₂ и у другого простого вещества того же элемента — озона O₃.

Если бы каждому элементу отвечало ровно одно простое вещество, различие можно было бы считать формальностью. Но это не так, и доказательство даёт аллотропия — способность одного элемента образовывать несколько простых веществ.

Углерод. Алмаз и графит состоят из атомов одного и того же элемента, и больше ни из чего. Алмаз — самое твёрдое из природных веществ (10 по шкале Мооса), прозрачный, ток не проводит: каждый атом связан с четырьмя соседями прочными ковалентными связями в трёхмерный каркас. Графит — мягкий (1 по Моосу, им пишет карандаш), непрозрачно-серый, проводит электрический ток: атомы собраны в плоские слои, слои скользят друг по другу, а часть электронов свободна. Один элемент — два вещества с противоположными свойствами. Известны и другие формы углерода: фуллерены (шарообразные молекулы C₆₀, открыты в 1985 году) и графен, слой графита толщиной в один атом.

Кислород. Обычный кислород O₂ — газ без цвета и запаха, без него нет дыхания и горения. Озон O₃ — тоже простое вещество того же элемента: голубоватый газ с резким запахом, который чувствуется после грозы и рядом с работающим копировальным аппаратом. Озон сильнее окислитель, чем O₂, ядовит в заметных концентрациях — и он же образует в стратосфере слой, задерживающий жёсткое ультрафиолетовое излучение. Формула превращения одного в другое: 3O₂ = 2O₃, реакция идёт под действием электрического разряда или ультрафиолета.

Фосфор. Белый фосфор — воскоподобное вещество, светящееся в темноте, самовоспламеняющееся на воздухе при 40 °C и сильно ядовитое; хранят его под слоем воды. Красный фосфор — порошок тёмно-красного цвета, на воздухе устойчив, не ядовит, им покрывают боковую стенку спичечного коробка. Свойства несравнимы, а элемент один и тот же — P, номер 15.

Сера. Ромбическая сера — знакомый жёлтый порошок; пластическая сера — тёмно-коричневая тягучая масса, которая получается, если расплавленную серу вылить в холодную воду, и через несколько суток сама превращается обратно в ромбическую.

Вывод, ради которого этот перечень: фраза «фосфор ядовит» без уточнения бессмысленна — ядовито конкретное вещество, белый фосфор, а не элемент. Поэтому формулировки экзамена про цвет, запах, ядовитость, горючесть всегда относятся к простому веществу.

Задание 1 ОГЭ устроено одинаково: даны пять утверждений об одном и том же слове — «кислород», «сера», «медь», — и надо выбрать два, где речь о простом веществе. Разбирать надо не смысл в целом, а конкретный оборот.

Признак элемента № 1: «входит в состав». «Кислород входит в состав молекул воды», «сера входит в состав белков», «медь входит в состав малахита». В составе соединения вещества нет — там есть только атомы, то есть элемент. Как только в утверждении появилось другое вещество, внутри которого «сидит» наш кислород, — это элемент.

Признак элемента № 2: массовая доля и распространённость. «Массовая доля кислорода в земной коре около 49 %», «массовая доля углерода в углекислом газе 27 %». Считают долю атомов данного вида, разбросанных по сотням разных соединений. Простого вещества там может не быть вовсе: свободного алюминия в земной коре нет ни грамма, а элемент алюминий — третий по распространённости.

Признак элемента № 3: валентность и степень окисления. «В серной кислоте сера шестивалентна», «в хлориде натрия хлор имеет степень окисления −1». Валентность и степень окисления — характеристики атома в соединении, у простого вещества степень окисления всегда 0 и говорить о ней неинтересно.

Признак элемента № 4: нахождение в природе в виде соединений. «В природе железо встречается главным образом в виде оксидов и сульфидов», «фосфор — элемент минерального питания растений». Речь о том, где встречаются атомы, а не о самом металле.

Признак вещества № 1: физические свойства. Цвет, запах, блеск, плотность, температура плавления и кипения, растворимость, теплопроводность, электропроводность, магнитные свойства. «Железо — блестящий серебристо-белый металл, притягивается магнитом» — это вещество.

Признак вещества № 2: участие в реакции как самостоятельного реагента. «Хлор реагирует с натрием», «медь на воздухе покрывается зелёным налётом», «водород с кислородом образует гремучую смесь». Вещество вступает в реакцию; элемент в реакцию не вступает, он в ней перераспределяется.

Признак вещества № 3: аллотропия и применение как материала. «Белый и красный фосфор — аллотропные модификации», «хлор применяют для обеззараживания воды», «графит проводит ток». Речь о конкретных веществах.

Осталось предупредить о самой частой ошибке формы: в задании 1 надо выбрать ровно два номера и записать их в порядке возрастания. Ответ «42» вместо «24» банк засчитывает, но проверять себя проще, когда цифры упорядочены.

Различение «элемент — вещество» — первый рубеж. Второй проходит внутри самого понятия «вещество».

Простое вещество образовано атомами одного элемента: O₂, O₃, H₂, Cl₂, S₈, P₄, Fe, Cu, He. Число атомов в молекуле роли не играет: S₈ — восемь атомов, но все серные, значит вещество простое.

Сложное вещество (соединение) образовано атомами двух и более элементов, причём в постоянном соотношении: H₂O, CO₂, NaCl, H₂SO₄, CuSO₄·5H₂O. Соединение разлагается на простые вещества только химическим путём — электролизом, нагреванием, действием другого реагента. Разложить воду фильтрованием или выпариванием нельзя: выпарится вся вода целиком, и ни водорода, ни кислорода отдельно не получится.

Смесь — это несколько веществ рядом, без постоянного состава и без химической связи между ними. Воздух — смесь азота (около 78 % по объёму), кислорода (около 21 %), аргона и углекислого газа; состав воздуха слегка меняется от места к месту, и это допустимо, потому что закон постоянства состава к смесям не относится. Разделяют смеси физическими способами: фильтрованием, отстаиванием, выпариванием, перегонкой, действием магнита, хроматографией.

Ловушка, на которой теряют балл: кислород воздуха — это простое вещество, а воздух — смесь. И ещё одна: сплав (латунь, бронза, чугун) — смесь, а не соединение, хотя выглядит как однородный металл; поэтому состав сплава можно менять в широких пределах, и марок латуни существуют десятки.

Полезно держать в голове порядок понятий, потому что по нему выстроен весь школьный курс: атом → элемент → простое вещество → сложное вещество → смесь. Слева направо растёт сложность объекта, и на каждом шаге добавляется новое, чего на предыдущем не было: у элемента появляется заряд ядра, у простого вещества — физические свойства, у соединения — постоянный состав, у смеси — изменяемый состав и возможность физического разделения.

Задание 1 часто опирается на распространённость, поэтому несколько чисел лучше знать наизусть — заодно они сами по себе объясняют, почему «доля в земной коре» всегда про элемент.

В земной коре по массе первое место занимает кислород (около 49 %), второе — кремний (около 26 %), третье — алюминий (около 8 %), четвёртое — железо (около 5 %). Дальше идут кальций, натрий, калий, магний — по два-три процента. Заметьте: три первых места заняты элементами, простые вещества которых в природе в свободном виде практически не встречаются. Свободного кремния нет вовсе, свободного алюминия нет вовсе, кислород в виде газа O₂ составляет лишь малую часть всего кислорода планеты — остальной связан в силикатах, карбонатах, воде и оксидах.

Во Вселенной картина совершенно другая: около 92 % всех атомов — водород, около 7 % — гелий, на все остальные элементы вместе приходится меньше процента.

В организме человека по массе больше всего кислорода (в составе воды), затем углерод, водород, азот; кальций и фосфор дают основу костной ткани. Это снова про элементы: никакого простого вещества-углерода в теле нет, углерод связан в белках, жирах и углеводах.

Отсюда практический вывод для экзамена: любое утверждение с процентами и словом «в составе» — про элемент. И отсюда же важное содержательное следствие, о котором спрашивают в заданиях 16 и 19: чтобы получить простое вещество, металл или неметалл почти всегда приходится извлекать из соединения, то есть тратить энергию. Алюминий добывают электролизом расплава, железо — восстановлением руды коксом в доменной печи, хлор — электролизом раствора поваренной соли. Дешёвых простых веществ в природе мало: золото, платина, иногда сера и медь, азот и кислород воздуха, инертные газы.