Прості й складні речовини, метали й неметали

У хімії важливо чітко розрізняти три пов'язані, але різні поняття: фізичне тіло, речовину й матеріал. Від того, чи правильно ти їх розрізняєш, залежить розуміння всього подальшого курсу.

Фізичне тіло

Фізичне тіло — це будь-який предмет, що має форму, об'єм і масу. Ти щодня бачиш сотні тіл: мідний дріт, сталевий цвях, скляна склянка, крапля води, алюмінієва ложка. Кожне з них займає певний простір і має конкретну форму.

Одне й те саме тіло може бути виготовлене з різних речовин. Наприклад, ложка буває алюмінієвою, срібною або пластиковою. І навпаки, одна речовина може утворювати різні тіла: мідь може бути у вигляді пластинки, дроту або монети.

Речовина

Речовина — це те, з чого складається фізичне тіло. Речовина має хімічний склад і властивості. Наприклад, мідний дріт — це тіло, а мідь (Cu) — це речовина. Сталевий цвях — тіло, а залізо (Fe) — одна з речовин, що входять до складу сталі. Крапля води — тіло, а вода (H₂O) — речовина.

Важливо: одне тіло може містити кілька речовин. Наприклад, сталевий цвях містить не лише залізо, а й Карбон, Манган та інші елементи у вигляді сплаву.

Матеріал

Матеріал — це речовина або суміш речовин, яку людина використовує для виготовлення предметів. Сталь, скло, пластмаса, бетон, деревина — усе це матеріали. Сталь — це не окрема чиста речовина, а сплав (суміш) заліза з Карбоном та іншими елементами. Скло — це суміш силікатів. Тому казати «сталевий цвях — це речовина» неправильно: цвях — це тіло, а сталь — матеріал (сплав).

Фізичні та хімічні властивості

Фізичні властивості речовини можна спостерігати або виміряти без зміни її хімічного складу. До них належать: колір, агрегатний стан, густина, температура плавлення й кипіння, електро- й теплопровідність, твердість.

Хімічні властивості виявляються тоді, коли речовина перетворюється на іншу. Наприклад, здатність заліза іржавіти (реагувати з киснем і водою), здатність магнію горіти, здатність цинку реагувати з хлоридною кислотою — це хімічні властивості.

Кожна речовина має свій хімічний склад, який записують у вигляді формули. За складом усі речовини поділяють на прості й складні.

Прості речовини

Проста речовина складається з атомів лише одного хімічного елемента. Наприклад: Fe (залізо), Cu (мідь), O₂ (кисень), O₃ (озон), P₄ (фосфор), S₈ (сірка). Зверни увагу: кількість атомів у молекулі не впливає на те, чи є речовина простою. O₃ має три атоми Оксигену, але всі вони належать одному елементу — тому озон є простою речовиною.

Складні речовини

Складна речовина (хімічна сполука) складається з атомів двох або більше різних хімічних елементів. Наприклад: H₂O (вода) містить Гідроген і Оксиген; CH₄ (метан) — Карбон і Гідроген; NaCl (натрій хлорид) — Натрій і Хлор. Кількість атомів не визначає число елементів: H₂O має 3 атоми, але лише 2 елементи.

Якісний і кількісний склад

Якісний склад показує, які саме елементи входять до складу речовини. Кількісний склад показує, скільки атомів кожного елемента містить молекула або формульна одиниця.

Розгляньмо Al₂(SO₄)₃ — алюміній сульфат. Якісний склад: Алюміній (Al), Сульфур (S), Оксиген (O). Кількісний склад: 2 атоми Al, 3 атоми S, 12 атомів O (бо 3 · 4 = 12). Співвідношення атомів Al : S : O = 2 : 3 : 12.

Для речовин із кристалічною ґраткою (наприклад, NaCl) формула описує не окрему молекулу, а формульну одиницю — найменше співвідношення йонів у кристалі.

Найпростіша та молекулярна формули

Найпростіша (емпірична) формула показує найменше ціле співвідношення атомів елементів у речовині. Молекулярна (істинна) формула показує дійсне число атомів у молекулі.

Коли в завданні питають склад молекули, завжди використовуй молекулярну формулу, а не найпростішу. Наприклад, у молекулі H₂O₂ — 4 атоми (2 Гідрогену + 2 Оксигену), а не 2, як могло б здатися з HO.

Усі прості речовини за фізичними властивостями поділяють на метали й неметали. Однак цей поділ не є абсолютним — існують винятки. Крім того, один хімічний елемент може утворювати кілька різних простих речовин.

Типові властивості металів

Метали (Fe, Cu, Al, Zn, Au, Ag) мають спільні фізичні властивості: металічний блиск, високу електро- й теплопровідність, пластичність (їх можна кувати, витягати в дріт), непрозорість. За кімнатної температури більшість металів — тверді речовини (крім ртуті).

Типові властивості неметалів

Неметали (O₂, S₈, P₄, Cl₂, C (алмаз)) зазвичай не мають металічного блиску, крихкі у твердому стані, погано проводять тепло й електричний струм. Багато неметалів за звичайних умов є газами (O₂, N₂, Cl₂) або рідинами (Br₂).

Винятки

Властивості не є абсолютним критерієм для поділу на метали й неметали. Найвідоміші винятки:

• Ртуть (Hg) — єдиний метал, який за кімнатної температури є рідиною.

• Графіт (одна з простих речовин Карбону) — неметал, але добре проводить електричний струм, хоча й гірше за метали.

• Силіцій (Si) — неметал, але має металічний блиск і напівпровідникові властивості. Германій (Ge) — напівметал із подібними властивостями.

Детальніше зв'язок між типом кристалічних ґраток і властивостями металів і неметалів розглядається в окремому уроці про кристалічні ґратки.

Алотропія: різні прості речовини одного елемента

Явище, коли один хімічний елемент утворює дві або більше простих речовин, називають алотропією. Кожна така проста речовина — це алотропна модифікація.

Важливо: і кисень O₂, і озон O₃ — прості речовини, хоча їхні властивості різні. Те саме стосується алмазу й графіту: обидва складаються лише з атомів Карбону, тому обидва є простими речовинами.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему простих і складних речовин, тіл і матеріалів.

Приклад 1. Ряд лише простих речовин

Завдання: У якому рядку наведено лише прості речовини?

• А) CO, CaO, H₂S

• Б) O₃, P₄, Cu

• В) CO₂, H₂O, O₂

• Г) Fe, S₈, CH₄

Розв'язання: Проста речовина складається з атомів одного елемента. Перевіряємо кожен рядок:

• А) CO — Карбон + Оксиген (складна), CaO — Кальцій + Оксиген (складна), H₂S — Гідроген + Сульфур (складна). Усі три — складні.

• Б) O₃ — лише Оксиген (проста), P₄ — лише Фосфор (проста), Cu — лише Купрум (проста). Це рядок лише простих речовин.

• В) CO₂ — складна, H₂O — складна, O₂ — проста. Є складні.

• Г) Fe — проста, S₈ — проста, CH₄ — складна (Карбон + Гідроген). Є складна.

Відповідь: Б (O₃, P₄, Cu).

Чому інші варіанти неправильні? У варіанті А всі три речовини містять по два елементи — це складні речовини. У варіанті В O₂ — проста, але CO₂ і H₂O — складні. У варіанті Г CH₄ — складна, хоча Fe і S₈ — прості.

Приклад 2. Логічні пари: тіло, речовина, матеріал

Завдання: Установіть відповідність між об'єктом (1–3) і поняттям (А–Д).

Розв'язання: Мідна монета — це предмет із певною формою, тобто фізичне тіло (1 → А). Мідь — це чиста речовина, що складається лише з атомів Купруму (2 → Б). Сталь — це сплав заліза з Карбоном та іншими елементами, який використовують як матеріал для виготовлення предметів (3 → В).

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Поняття Г (хімічний елемент як вид атомів) і Д (молекула) є зайвими — вони не відповідають жодному з об'єктів 1–3.

Приклад 3. Число атомів у молекулі

Завдання: Скільки всього атомів містить молекула C₂H₆O?

• А) 3

• Б) 6

• В) 8

• Г) 9

Розв'язання: Молекула C₂H₆O містить 2 атоми Карбону, 6 атомів Гідрогену й 1 атом Оксигену. Загальне число атомів: 2 + 6 + 1 = 9.

Відповідь: Г (9).

Чому інші варіанти неправильні? А) 3 — це число різних елементів (C, H, O), а не атомів. Б) 6 — це лише число атомів Гідрогену, без урахування C та O. В) 8 — пропущено атом Оксигену (пораховано лише C₂H₆).

На НМТ чимало помилок трапляється через неуважність або нерозуміння базових відмінностей. Ось найпоширеніші пастки саме з цієї теми.

• Вважати O₃ складною речовиною через три атоми.

• Хибна логіка: «три атоми → три елементи». Насправді всі три атоми належать Оксигену. Озон O₃ — проста речовина. Завжди лічи різні символи хімічних елементів, а не кількість атомів.

• Називати сталевий цвях речовиною, а сталь — тілом.

• Цвях — це фізичне тіло (має форму, об'єм). Сталь — це матеріал (сплав). Чиста речовина в цьому прикладі — залізо, але його в сталі змішано з іншими елементами.

• Скорочувати H₂O₂ до HO під час підрахунку атомів у молекулі.

• Молекулярна формула H₂O₂ показує реальну кількість атомів: 2 + 2 = 4. Скорочення до найпростішої формули HO дало б 2 атоми — це неправильно, якщо питають склад саме молекули.

• Вважати будь-який провідник металом, забуваючи графіт.

• Графіт — неметал, але добре проводить електричний струм. Тому не можна стверджувати: «якщо речовина проводить струм, то це метал». Так само ртуть — метал, але рідкий, тому не можна казати «усі метали тверді».

На НМТ з хімії тема «Прості й складні речовини, метали й неметали» входить до теми 1.1 програми (основні хімічні поняття). Типові завдання перевіряють уміння розрізняти тіла, речовини й матеріали, класифікувати речовини за складом і визначати число атомів за формулою.

Формат завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г).

• Завдання № 1–18 тесту (НМТ виконують на комп'ютері). 0 або 1 бал. Потрібно обрати єдину правильну відповідь.

• Логічні пари (завдання № 19–20).

• Три об'єкти ліворуч (1–3) і п'ять понять праворуч (А–Д). Дві букви зайві. 1 бал за кожну правильно встановлену пару, максимум 3 бали.

Що саме перевіряють

У демонстраційному варіанті НМТ-2026 завдання № 1 перевіряє вміння визначати склад молекули за формулою (наприклад, загальне число атомів). Також можливі завдання на розпізнавання простих і складних речовин серед переліку формул, на співвіднесення об'єктів із поняттями «тіло», «речовина», «матеріал».

Стратегія виконання

• Для класифікації «проста / складна речовина»: порахуй, скільки різних символів хімічних елементів у формулі. Один символ → проста, два або більше → складна. Не зважай на індекси.

• Для підрахунку числа атомів: додай усі індекси. Якщо є дужки, помнож індекс за дужками на індекс усередині. Наприклад, у формулі Al₂(SO₄)₃: 2 + (1 + 4)·3 = 2 + 15 = 17 атомів.

• Для розрізнення тіла / речовини / матеріалу: постав запитання: «Чи має це форму й об'єм?» (тіло), «Чи це чиста речовина з одним складом?» (речовина), «Чи це те, з чого роблять предмети?» (матеріал).

• Фізичне тіло — це предмет, що має форму й об'єм (дріт, цвях, склянка). Речовина — те, із чого складається тіло (мідь, залізо, вода). Матеріал — речовина або суміш, яку використовують для виготовлення предметів (сталь, скло, пластмаса).

• Проста речовина містить атоми лише одного хімічного елемента (Fe, O₂, O₃, P₄, S₈). Складна речовина — атоми двох або більше елементів (H₂O, CH₄, NaCl).

• Індекс у формулі показує число атомів даного елемента, а не число різних елементів. Для підрахунку загальної кількості атомів додай усі індекси, враховуючи дужки.

• Типові властивості металів (блиск, електропровідність, пластичність, твердість) мають винятки: ртуть — рідкий метал, графіт — електропровідний неметал.

• Один елемент може утворювати кілька різних простих речовин (алотропні модифікації): кисень O₂ та озон O₃, алмаз і графіт.