Химические элементы и сохранение атомов

Химический элемент объединяет атомы с одинаковым числом протонов. При обычной химической реакции атомы каждого элемента сохраняются, но могут входить в состав новых веществ. Разберём происхождение элементов, чтение формул и переход углерода между воздухом и организмами.

1. Как менялись представления об атоме

Вещества состоят из атомов. Это не означает, что в каждом веществе отдельные атомы лежат рядом как шарики в коробке. Атомы могут входить в состав молекул, а могут образовывать протяжённые структуры, например кристаллы металлов. Разные способы соединения и расположения частиц помогают объяснить разнообразие свойств веществ.

Слово «атом» происходит от древнегреческого слова со значением «неделимый». Древние мыслители предполагали: если делить вещество на всё меньшие части, однажды останется мельчайшая частица, которую уже нельзя разделить. Сегодня мы знаем, что у атома есть внутреннее строение: ядро и электроны. Поэтому «неделимый» — историческое название, а не утверждение об отсутствии у атома составных частей.

Для химии важна граница: обычная химическая реакция не превращает ядро атома одного элемента в ядро другого. При этом связи и электронное окружение атомов могут изменяться.

Подробное устройство ядра и электронного окружения мы изучим позже. Сейчас достаточно различать химические и ядерные процессы: первые меняют вещества, вторые могут менять сами ядра и тем самым превращать один элемент в другой.

2. Атом, элемент и вещество

Атом — конкретная частица. Химический элемент — вид атомов. Вещество — то, из чего состоят тела; его состав и строение определяют свойства. Например, молекула воды содержит атомы двух элементов: водорода и кислорода. Сама вода — вещество, а не элемент.

Каждый элемент имеет название и химический символ. Символ записывают одной или двумя латинскими буквами. Первую букву всегда пишут заглавной, вторую — строчной. Поэтому Fe — символ одного элемента, железа. Две буквы в символе не означают два элемента.

Русское название «водород» отражает его участие в образовании воды. Название «кислород» исторически связано с представлением об образовании кислот; позже выяснилось, что кислород входит не во все кислоты. Название «углерод» связано с углём. Названия сохраняют историю науки, но не заменяют определения.

Известно 118 химических элементов. Большинство встречается в природе, а некоторые были получены искусственно в ядерных процессах. Разделение на «природные» и «искусственные» требует оговорок: следовые количества ряда элементов тоже могут возникать естественно. Для этого урока важнее понять, почему число элементов намного меньше числа веществ.

3. Как появились химические элементы

Самые лёгкие ядра появились в ранней Вселенной. В течение первых минут образовались ядра лёгких элементов. Однако горячая среда ещё долго не позволяла ядрам удерживать электроны. Примерно через 380 тысяч лет Вселенная достаточно остыла для образования нейтральных атомов, главным образом водорода и гелия.

Так мы уточняем школьную схему: появление ядер и появление целых нейтральных атомов — разные этапы. Не нужно запоминать все космологические числа. Важно понимать порядок: ранняя Вселенная, лёгкие элементы, звёзды, обогащение вещества тяжёлыми элементами, планеты.

Внутри звёзд идут ядерные реакции. В ходе звёздной эволюции возникают ядра более тяжёлых элементов, включая углерод и кислород. В образовании и распространении элементов участвуют также взрывы звёзд и слияния их остатков. Газ и пыль, обогащённые этим веществом, становятся материалом для новых звёзд и планет.

Наша планета образовалась из вещества, которое уже существовало до неё. Поэтому атомы в камне, капле воды и организме имеют историю, начавшуюся задолго до появления человека. При этом не следует говорить, что буквально все элементы впервые возникли только в звёздах: значительная часть водорода имеет происхождение из ранней Вселенной, а некоторые элементы люди получают искусственно.

4. Происхождение элемента и его научное открытие

Люди познакомились с некоторыми простыми веществами задолго до возникновения современной химии. Медь, золото, серебро, железо, олово, свинец и углерод были известны в древности. Люди умели использовать материалы, ещё не зная об атомах в современном смысле.

Алхимики исследовали превращения веществ и развивали лабораторные приёмы. Одна из их известных целей — превращение обычных металлов в золото — оказалась недостижимой химическими методами. Нагрев, растворение и другие химические воздействия не заменяют атомы одного элемента атомами другого.

С развитием химии, приборов и методов анализа стало возможно распознавать новые элементы. Особенно много открытий произошло в XVIII и XIX веках. Позже учёные научились получать новые элементы с помощью ядерных реакций. Неустойчивые ядра могут распадаться.

Когда возник элемент и когда его открыли

Дата открытия элемента — момент, когда люди установили его существование. Она не означает, что именно тогда его атомы впервые появились в природе. Например, атомы кислорода существовали задолго до того, как кислород был выделен и изучен учёными.

5. Простые и сложные вещества

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента. Железо Fe, кислород O₂ и азот N₂ — примеры простых веществ. В молекуле кислорода два атома, но оба относятся к одному элементу. Поэтому кислород остаётся простым веществом.

Сложное вещество, или химическое соединение, включает атомы двух или более элементов. В воде H₂O есть водород и кислород, в углекислом газе CO₂ — углерод и кислород, в карбонате кальция CaCO₃ — кальций, углерод и кислород.

Одни и те же элементы могут образовывать разные вещества. В CO и CO₂ присутствуют C и O, но соотношения различаются: 1 : 1 и 1 : 2. Поэтому это разные вещества с разными свойствами. При дальнейшем изучении химии мы увидим, что свойства зависят не только от состава, но и от строения.

Не смешивай понятия «сложное вещество» и «смесь». Вода H₂O — соединение, а воздух — смесь азота, кислорода, аргона и других веществ. Наличие в образце нескольких элементов само по себе ещё не говорит, что перед нами одно химическое соединение.

Чтобы различить простое и сложное вещество по формуле, посчитай разные символы элементов, а не все буквы и не сумму индексов.

6. Химическая формула — запись состава

Химическая формула показывает состав вещества с помощью символов элементов и числовых индексов. Индекс — маленькое число справа внизу после символа. Он относится только к этому символу. Индекс 1 не ставят.

Для молекулярных веществ формула сообщает, сколько атомов каждого элемента входит в одну молекулу. H₂O означает два атома H и один атом O. В формуле CH₄ один атом C и четыре атома H. В C₆H₁₂O₆ — шесть атомов C, двенадцать H и шесть O: всего 24 атома, но только три элемента.

Не каждое вещество состоит из отдельных молекул. Например, NaCl и CaCO₃ имеют кристаллическое немолекулярное строение. В таком случае формула показывает соотношение частиц в веществе; не следует называть запись NaCl «молекулой соли».

Карбонат натрия Na₂CO₃ и пищевая сода NaHCO₃ — разные вещества. Слово «сода» без уточнения может вводить в заблуждение, поэтому в химической задаче надёжнее пользоваться точным названием и формулой.

7. Разобранные примеры

Пример 1. Составить формулу по соотношению

В соединении азота с кислородом атомов N вдвое больше, чем O. Наименьшее целое соотношение N : O — 2 : 1. Записываем N₂O. Если, наоборот, атомов O вдвое больше, получаем NO₂. Это разные вещества.

Пример 2. Найти число атомов углерода

В некотором количестве метана CH₄ содержится 1000 атомов H. На каждый атом C приходится четыре атома H. Следовательно, число атомов C равно 1000 ÷ 4 = 250. Столько же в этом образце молекул метана.

Пример 3. Доли атомов в метане

В одной молекуле CH₄ всего 1 + 4 = 5 атомов. Доля атомов C: 1/5 × 100% = 20%. Доля атомов H: 4/5 × 100% = 80%. Это доли по числу атомов. Массы атомов разных элементов неодинаковы, поэтому массовые доли будут другими.

Пример 4. Сравнить доли кислорода

В H₂O кислород составляет 1 из 3 атомов: примерно 33,3%. В CO₂ — 2 из 3: примерно 66,7%. В H₂SO₄ — 4 из 7: примерно 57,1%. Большой индекс сам по себе не гарантирует большую долю: нужно делить число атомов O на общее число атомов в выбранной записи.

При вычислениях сначала выпиши числа атомов каждого элемента, затем их сумму. И только после этого составляй отношение. Такой порядок помогает не перепутать число элементов с числом атомов.

8. Сохранение атомов при химических реакциях

Выражение «вечные атомы» подчёркивает сохранение атомов при химических превращениях. Оно не означает, что любой атом невозможно изменить никаким способом. Неустойчивые ядра могут распадаться, а ядерные реакции способны создавать другие элементы.

В обычной химической реакции атомы не возникают из ничего и не исчезают: из них образуются новые сочетания. Рассмотрим учебную схему образования воды. До реакции у нас две молекулы H₂ и одна O₂, после — две молекулы H₂O.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Слева четыре атома H и два O. Справа тоже четыре H и два O. Но вещества изменились: вместо водорода и кислорода образовалась вода. Число молекул в этом примере меняется с трёх до двух, а число атомов каждого элемента сохраняется.

Число перед формулой называется коэффициентом. В записи 2 H₂O оно относится ко всей молекуле: две молекулы содержат четыре атома H и два O. Не путай коэффициент с индексом: изменение индекса меняет состав самой молекулы.

Рассмотрим взаимодействие мела с уксусом. Один из продуктов — углекислый газ. Атомы углерода из карбоната кальция переходят в состав CO₂. Пузырьки газа не означают, что атомы возникли заново: изменились вещества, в которые они входят.

9. Круговорот углерода

Круговорот элемента — переход его атомов между разными веществами и частями природной среды, при котором возможны повторяющиеся пути. Углерод входит в состав углекислого газа воздуха, органических веществ организмов, веществ почвы, горных пород и воды океана.

Проследим один упрощённый маршрут. Сначала атом C находится в молекуле CO₂ в воздухе. Растение поглощает углекислый газ. На свету при фотосинтезе из углекислого газа и воды образуются органические вещества. Теперь этот атом C может оказаться, например, в молекуле сахара.

Животное получает углерод с пищей. Оно может съесть растение или другое животное. В его организме вещества пищи участвуют во множестве превращений. При клеточном дыхании часть углерода органических веществ переходит в CO₂, который возвращается в окружающую среду.

CO₂ в воздухе → органические вещества растения → вещества животного → CO₂ в воздухе

Растения тоже дышат и выделяют углекислый газ. На свету одновременно с дыханием идёт фотосинтез, при котором CO₂ используется. Поэтому неверно говорить, что растения «только поглощают углекислый газ».

Показанный маршрут — лишь один из многих. Углерод может попасть в почву при разложении организмов, перейти в водоём, надолго задержаться в осадочных породах. Не каждый атом движется по одному и тому же короткому кругу. Но в химических процессах его принадлежность к элементу C сохраняется.

10. Типичные ошибки

«O₂ — сложное вещество, потому что атомов два»

В нём один элемент. Считай разные виды атомов: кислород O₂ — простое вещество.

«Fe обозначает два элемента»

Это один двухбуквенный символ. Заглавная F и строчная e вместе обозначают железо.

«Индекс ₂ в CO₂ относится ко всей формуле»

Он относится только к O. В молекуле один атом C и два O.

«Если вещество исчезло, его атомы тоже исчезли»

Исходное вещество может превратиться в другие вещества. Атомы сохраняются, хотя могут уйти из наблюдаемого места, например вместе с газом.

«При химической реакции атом вообще никак не меняется»

Его ядро и принадлежность к элементу сохраняются, но электронное окружение и связи могут измениться.

«Все атомы появились внутри звёзд»

Лёгкие элементы возникли ещё в ранней Вселенной. Звёздные и другие ядерные процессы участвуют в появлении более тяжёлых элементов.

«Солнечный свет даёт растению атомы углерода»

Свет даёт энергию. Углерод для фотосинтеза поступает в составе CO₂.

11. Самопроверка

1. Объясни различие между атомом, химическим элементом и веществом на примере воды.
2. Раздели вещества на простые и сложные: N₂, H₂O, Fe, CO₂, NH₃.
3. Сколько элементов и сколько атомов в молекуле глюкозы C₆H₁₂O₆?
4. Составь формулу соединения, в котором атомов O вдвое больше, чем N. Используй наименьшие целые индексы.
5. Сколько атомов H содержится в семи молекулах CH₄? Сколько всего атомов?
6. Какая доля атомов приходится на кислород в CO₂? Почему это не его массовая доля?
7. Объясни, почему Al нельзя превратить в Au обычной химической реакцией.
8. Назови источник углерода для фотосинтеза. Выделяют ли сами растения CO₂?
9. Почему дата открытия элемента не совпадает с временем появления его атомов в природе?
10. Сравни число атомов H и O до и после превращения 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O.

Ответы и объяснения

1. H и O — элементы; отдельные атомы H и O — частицы; вода — вещество, молекулы которого содержат два H и один O.

2. Простые: N₂, Fe. Сложные: H₂O, CO₂, NH₃.

3. Три элемента; 6 + 12 + 6 = 24 атома.

4. NO₂: на один атом N приходится два атома O.

5. 7 × 4 = 28 атомов H; всего 7 × 5 = 35 атомов.

6. 2/3, или примерно 66,7%, по числу атомов. Для массовой доли нужно учитывать разные массы атомов.

7. Химическая реакция не меняет ядро атома так, чтобы один элемент стал другим.

8. Углекислый газ. Да, растения выделяют CO₂ при дыхании.

9. Открытие — событие в истории человеческого знания, а атомы могли существовать задолго до людей.

10. И до, и после: 4 атома H и 2 атома O. Меняются состав молекул и число молекул.

12. Заметки для учителя

Учебный результат. Ученик различает атом, элемент и вещество; определяет простые и сложные вещества по формуле; читает индексы; выполняет подсчёт атомов и простые расчёты отношений; объясняет сохранение атомов в химических превращениях и один путь круговорота углерода.

Рекомендуемый ход. Начать с вопроса «Что старше — Земля или её атомы?». На космическом блоке удерживать внимание на последовательности событий. Затем перейти к понятиям элемента и вещества, классификации O₂ и H₂O, чтению формул. Завершить моделью перегруппировки и маршрутом углерода. При работе в течение одного занятия часть заданий и исторический блок можно оставить для самостоятельного исследования.

Как использовать интерактивы. Перед переключением модели реакции попросить ученика предсказать, изменится ли число атомов. После — найти все метки. Уточнить, что метки H·1–H·4 и O·1–O·2 в этой модели служат только для отслеживания отдельных атомов и не являются химическими формулами. В задании по метану сначала сравнить одну и десять молекул, затем обсудить неизменность долей.

Научные границы упрощения. Не закреплять буквальное представление об абсолютно неизменном атоме: в химии сохраняется его элементная принадлежность, а электронное состояние может меняться. Развести понятия ядра и нейтрального атома в ранней Вселенной. Не называть формульную единицу кристалла отдельной молекулой. Не переносить доли по числу атомов на массовые доли.

Обсуждение исторического материала. Просить отделять идею, наблюдение и доказательство. Иллюстрация алхимической лаборатории — реконструкция, а не исторический документ. Натюрморт простых веществ — учебная иллюстрация, не средство определения реального образца по внешнему виду.

Для более сильных учеников. Предложить сравнить CO и CO₂, а затем объяснить, почему один и тот же набор элементов допускает множество веществ. Обсудить, почему переход углерода в газ может выглядеть как «исчезновение», если не учитывать выход вещества за границы наблюдаемой системы.

Доступность. Задания работают с кнопками и клавиатурой. Движение можно отключить; также учитывается системная настройка уменьшения анимации. При печати этого текста раскрывается блок ответов. Результаты заданий не сохраняются после обновления страницы.