Атомы и молекулы - OXFORDST.RU

Атомы и молекулы

Атомы и молекулы. Химический элемент. Простые и сложные вещества. Основные классы неорганических веществ. Номенклатура неорганических соединений

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Молекулой называют наименьшую электронейтральную частицу вещества, способную к самостоятельному существованию и обладающую его химическими свойствами. Молекула представляет собой систему взаимодействующих между собой атомов, образующих определённую структуру с помощью химических связей.

Химический элемент — совокупность атомов, характеризующихся одинаковым значением (величиной) заряда ядра.

Ионами называют электрически заряженные частицы, возникающие при потере или присоединении электронов атомами или молекулами.

Катионами называют положительно заряженные ионы.

Анионами называют отрицательно заряженные ионы.

Вещество — любая совокупность атомов и молекул.

Свойства веществ (температуры плавления и кипения, плотность, цвет и т. д.) относятся к совокупности атомов или молекул.

По химическому составу неорганические вещества делят на простые и сложные.

Простыми называют вещества, которые образуют атомы одного и того же химического элемента (например, H2, O2).

Простые вещества делят на металлы и неметаллы.

Металлами называют простые вещества, которые обладают характерными металлическими свойствами, а именно высокой электро- и теплопроводностью и металлическим блеском.

Простые вещества, которые образуют атомы элементов-неметаллов, при нормальных условиях такими свойствами не обладают.

В периодической таблице Д.И. Менделеева неметаллы расположены в главных подгруппах справа вверху от условной диагонали, проведённой через бор и астат. В главных подгруппах слева от этой диагонали и во всех побочных подгруппах располагаются металлы.

Сложными называют вещества, которые состоят из атомов двух и более элементов (например, H2S, NO2).

Для выражения состава вещества используют различные химические формулы. При их написании используют общепринятые символы химических элементов. Символ элемента состоит из первой буквы или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента, при этом первая буква всегда прописная, а вторая — строчная.

Названия и обозначения атомов совпадают с символами химических элементов. Например, О — атом кислорода, 2О — два атома кислорода, О2 — молекула кислорода, О3 — молекула озона.

Сложные вещества разделяют на условно электроположительную (катион) и условно электроотрицательную (анион) составляющие. В формуле сложного вещества вначале ставят катион, а затем — анион, например KBr, CuSO4. Названия сложного вещества читают справа налево, т. е. вначале называют его электроотрицательную составляющую в именительном падеже, а затем электроположительную в родительном падеже.

Для бинарных, т. е. состоящих из двух элементов соединений, действуют следующие правила. Если соединение состоит из металла и неметалла, то на первом месте всегда ставят металл (как более электроположительный элемент): K2S, BaCl2.

В формулах соединений, состоящих только из неметаллов, на первом месте всегда ставят элемент, находящийся левее в условном ряду неметаллов, построенном по их возрастающей электроотрицательности:

Например, IBr — бромид йода, CS2 — дисульфид углерода.

Формула молекулярная (брутто-формула) включает символы всех химических элементов, входящих в состав соединений. Около каждого символа ставят числовой индекс, показывающий, сколько атомов данного вида входит в состав соединения. Таким образом, молекулярная формула показывает качественный и количественный состав молекулы. Например, формула KNO3 показывает, что вещество состоит из 1 атома калия (индекс, равный 1, не ставится), 1 атома азота и 3 атомов кислорода.

Чтобы правильно прочитать формулу, надо знать как русские, так и латинские обозначения элементов. Называя вещество «вода», мы говорим, что его формула H2O (читается «аш два о»). Данное вещество состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Называя вещество сульфат калия, K2SO4, мы читаем его формулу «калий два эс о четыре». Данное вещество состоит из двух атомов калия, одного атома серы и четырех атомов кислорода.

Если в формуле структурный фрагмент повторяется несколько раз, его заключают в круглые скобки и за скобками ставят числовой индекс, который произносят «дважды», «трижды», например, Ca(NO3)2 читается «кальций эн о три дважды», Mg3(PO4)2 читается «магний три пэ о четыре дважды».

Коэффициент, стоящий перед формулой вещества в уравнении реакции, читают как число, например: 3HNO2 — «три аш эн о два».

Оксидами называют класс химических соединений, состоящий из какого-либо элемента и атома кислорода со степенью окисления –2.

Называют оксиды, руководствуясь следующими правилами:

  1. Вначале указывают слово оксид, а затем в родительном падеже название второго элемента;
  2. Если элемент может образовать несколько оксидов, то после названия элемента в скобках указывают его валентность;
  3. При написании формул оксидов кислород всегда ставят на втором месте.

Примеры: K2O — оксид калия, N2O5 — оксид азота (V), CrO3 — оксид хрома (IV).

Для некоторых распространённых оксидов используют тривиальные названия, например CaO — негашеная известь, N2O — веселящий газ, CO — угарный газ, CO2 — углекислый газ.

Оксиды классифицируют так.

Низшими называют оксиды, в которых элемент проявляет низшую степень окисления, например MnO — оксид марганца (II).

Высшими называют оксиды, в которых элемент проявляет высшую степень окисления, например Mn2O7 — оксид марганца (VII).

Несолеобразующими, или безразличными, называют оксиды, не проявляющие ни основные, ни кислотные свойства, например N2O, NO, CO.

Солеобразующими называют группу кислотных, основных и амфотерных оксидов.

Основные оксиды образуют металлы в низших степенях окисления. Наиболее известные из них: Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, MgO, CaO, SrO, BaO, Cu2O, Ag2O, HgO, CrO, FeO.

Амфотерными называют оксиды, которые проявляют как основные, так и кислотные свойства, в зависимости от другого реагента. Наиболее известные амфотерные оксиды Al2O3, Cr2O3, ZnO, BeO, PbO, SnO. Ряд оксидов, например CuО, Fe2O3, проявляет амфотерные свойства с преобладанием основных.

Существует несколько способов получения оксидов.

Реакции простых веществ с кислородом:

При взаимодействии сложных веществ с кислородом часто образуется смесь оксидов элементов:

Оксиды металлов реагируют с химически более активными металлами. При этом образуется новый оксид и новый металл:

Некоторые высшие оксиды получают доокислением низших оксидов, а ряд низших оксидов получают разложением высших оксидов:

Иногда для получения оксидов используют реакции разложения солей и гидроксидов:

Основаниями называют класс химических соединений, которые состоят из катиона металла или иона аммония и одной или нескольких гидроксильных групп, способных к замещению на анионы.

Число гидроксильных групп определяет кислотность основания, например: NaOH — однокислотное, Mg(OH)2 — двухкислотное и т. д.

Щелочами называют растворимые в воде основания.

Сильные основания: гидроксиды щелочных и щёлочноземельных металлов LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2. Слабые основания: все нерастворимые в воде гидроксиды металлов и гидрат аммиака.

Называют основания следующим образом:

  1. Вначале указывают слово гидроксид, а затем добавляют название металла в родительном падеже;
  2. Если элемент может образовывать несколько оснований, то после его названия в круглых скобках римской цифрой указывают валентность: KOH — гидроксид калия, Fe(OH)2 — гидроксид железа (II), Fe(OH)3 — гидроксид железа (III);
  3. При написании формул гидроксидов гидроксильную группу всегда ставят на втором месте.

Для некоторых распространённых гидрокидов используют тривиальные названия, например: Ca(OH)2 — гашёная известь; NaOH — едкий натр, или каустик.

Существуют следующие способы получения оснований:

Реакция основных оксидов с водой:

Взаимодействие некоторых металлов с водой:

Реакция обмена между солями и основаниями:

Первые два способа применяют для получения растворимых, а последний — для получения нерастворимых в воде оснований. Существуют и иные способы получения оснований.

Все растворы щелочей имеют pH > 7. При этих значениях pH происходит изменение окраски индикаторов: лакмуса — на синюю, фенолфталеина — на малиновую, метилового оранжевого — на жёлтую, что является качественным методом обнаружения щелочей. Более подробный материал о показателе pH будет изложен в уроке 24.

Кислотами называют класс химических соединений, которые содержат в своём составе один или несколько катионов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и анионов кислотных остатков.

Основностью кислоты называют число способных замещаться на металл атомов водорода в её молекуле. По основности кислоты делят на одно-, двух- и трёхосновные, например HBr, H2S и H3PO4 соответственно.

Читайте также  Комплексные соединения хрома Соль Рейнеке

В зависимости от элементного состава кислоты делят на бескислородные и кислородные, например HBr и H2SO3. Кислотный остаток — это структурный элемент молекулы кислоты, который выступает как единое целое в ходе химических реакций.

В таблице 4 приведены формулы и названия наиболее распространенных кислот и их солей.

Сильные кислоты: HI, HBr, HCl, HClO3, HClO4, H2SO4, HNO3.

Кислородсодержащие кислоты и основания объединяют в общий класс гидроксидов.

Амфотерными называют гидроксиды, способные реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Амфотерные гидроксиды: Al(OH)3, Cr(OH)3, Zn(OH)2, Pb(OH)2, Be(OH)2, Sn(OH)2. Некоторые гидроксиды, например Cu(OH)2, Fe(OH)3, проявляют амфотерные свойства с преобладанием основных.

Большинство кислородных кислот получают реакцией соответствующих оксидов с водой:

Некоторые кислоты получают из солей путём вытеснения более сильной кислотой, например:

Бескислородные кислоты получают прямым взаимодействием неметалла с водородом либо действием более сильных кислот на соответствующие соли:

При обычных условиях кислоты представляют собой жидкости (HNO3, H2SO4), твёрдые (H3PO4) и газообразные (HCl) вещества. Большая часть кислот смешиваются с водой в любых соотношениях. Водные растворы кислот имеют pH

Хотите ещё проще? Мы создали новый курс, где максимум за 7 дней вы овладете химией с нуля. Подробннее по ссылке

Урок №7. Атомы и молекулы. Ионы

Эта лекция будет посвящена следующим понятиям: «атом», «молекула», «ион».

Возникновение представлений об атомах и молекулах

Посмотрите презентацию: Атомы и молекулы (о ткрыть «Атомы и молекулы»)

Древнегреческий философ Демокрит 2500 лет назад высказал мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших невидимых, непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов. Слово “атом” в переводе означает “неделимый”. Позднее, в средние века, учение об атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие науки в целом, и химии в частности.

Учение о молекулах и атомах было разработано в середине 18 века великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 – 1765 гг.) Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускл (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ ученый прозорливо объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них. Удивительно верной и смелой для того времени была мысль М. В. Ломоносова о том, что некоторые корпускулы (молекулы) могут состоять из одинаковых элементов (атомов). Учение об атомах получило дальнейшее развитие в трудах известного английского ученого Джона Дальтона (1766 – 1844 гг.).

Можно ли опытным путем доказать, что молекулы состоят из атомов?

То, что атомы действительно существуют, подтверждают многие химические реакции. Так, например, при пропускании постоянного тока через воду в одной из трубок прибора собирается газ, в котором тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Это кислород. В другой трубке собирается вдвое больше газа, который от зажженной лучинки загорается. Это водород.

Схема аппарата для разложения воды (аппарат Гофмана)

Объяснить это явление можно так. Мельчайшая частица воды – молекула состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода. При пропускании постоянного тока через воду ее молекулы распадаются и образуются химически неделимые частицы – атомы кислорода и водорода. Затем атомы соединяются по два, и из двух молекул воды образуется одна – двухатомная молекула кислорода и две водорода.

Состав атома углерода

Одни атомы, взаимодействуя с другими атомами, могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов. В результате электрически нейтральный атом превращается в заряженную частицу — ион. Если атом теряет один или несколько электронов, его называют положительно заряженным ионом. Атом, дополнительно присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу.

А — ne =A n+

А 0 – нейтрально заряженный атом

A n+ – положительно заряженный ион – катион

А + ne =A n-

А 0 – нейтрально заряженный атом

A n- – отрицательно заряженный ион – катион

Ион — это атом или группа атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом.

Некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные М. В. Ломоносовым за полвека до Д. Дальтона, оказались более достоверными и научными. Например, английский ученый категорически отрицал возможность существования молекул, состоящих из одинаковых атомов. Его взгляды отрицательно сказались на развитие химии. Учение о молекулах и атомах окончательно было принято только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.

Итак, что такое молекулы и атомы?

Молекулы – мельчайшие частицы вещества, состав которых и химические свойства такие же, как у данного вещества. Молекулы – предельный результат механического дробления вещества.

Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Молекулы, в отличие от атомов, являются химически делимыми частицами.

В конце XIX—начале XX в. было обнаружено, что атомы состоят из более мелких частиц. Эти частицы были названы элементарными частицами. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные частицы — электроны. Заряд электрона принято считать равным —1.

Ядро атома, в свою очередь, также состоит из элементарных частиц. В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда, — нейтроны. Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).

Например, атом водорода состоит из ядра, в котором находится только один протон и один электрон. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся 2 протона и 2 нейтрона, а также 2 электрона. Атом лития состоит из ядра, в котором находятся 3 протона, 4 нейтрона, а также 3 электрона.

Атом углерода состоит из ядра, в котором находятся 6 протонов, 6 нейтронов, а также 6 электронов (см. рисунок).

Молекулы и атомы

Содержание

Молекулы

Что будет, если вещество начать делить на мельчайшие составляющие? Мы дойдем до частицы, разделив которую, вещество утратит свои свойства.

Рассмотрим это на примере воды. 1 грамм воды составляют $3,35 cdot 10^<22>$ равных частиц, каждая из которых обладает свойствами воды. Они называются молекулами.

Молекула – это самая мелкая частица вещества, которая сохраняет все химические свойства вещества

Вода образовывается в процессе сжигания некоторых веществ: газа, бензина, древесины и пр. Ее также выделяет водородный двигатель, но не в том виде, что мы привыкли, а в молекулярном, но это все же вода.

Размер молекулы

Каковы же размеры молекул? Если бы мы смогли уложить в один ряд 10 000 000 молекул воды, то получилась бы нить длиной в 2 мм. А в $1 см^3$ воздуха содержится около $27 cdot 10^<18>$ молекул.

Если представить, что маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдет только через 840 000 лет.

Еще немного интересный факт: если размер молекулы увеличить до размера точки в конце предложения в книге, то толщина человеческого волоса стала бы равна 40м, а человек, стоя на поверхности Земли, упирался бы головою в Луну.

Современная наука позволяет нам увидеть эти малейшие составляющие нашего мира с помощью электронного микроскопа. На рисунке 5 представлены фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа, и их графическая интерпретация.

Рисунок 5. Фотографии молекул, полученные с помощью электронного микроскопа.

Помните, что все тела, окружающие нас, похожие друг на друга, всегда будут различны. В природе вы не встретите ни двух одинаковых снежинок, ни людей, ни песчинок, ни животных, но молекулы одного и то же вещества всегда будут одинаковы.

Атомы

Будем ли мы считать молекулы самыми мельчайшими частицами? Например, если мы разделим молекулы воды, то свойства воды потеряются. Мы получим атомы двух химических элементов: 1 атом кислорода (O) и 2 атома водорода (H).

Термин «атом» переводится с греческого, как «неделимый», хотя современная наука уже опровергла данный факт, и вы узнаете об этом в следующих курсах физики.

Атом – это частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств

Каждый атом – это химический элемент. Все химические элементы перечислены в таблице Менделеева (рисунок 6).

Читайте также  Доврачебная помощь при неотложных состояниях

Рисунок 6. Периодическая таблица Менделеева.

Мы можем сравнить атомы с буквами, при помощи которых собирается бесконечное количество слов – молекул. Таким образом, из атомов водорода и кислорода (взятые в разных количествах) мы получим молекулы разных веществ.

Например, если взять 2 атома водорода (H) и 1 атом кислорода(O), то получим молекулу воды $H_2 O$ (рисунок 7)

Рисунок 7. Молекула воды.

А если взять 2 атома водорода (H) и 2 атома кислорода (O), то получим перекись водорода $H_2O_2$ (рисунок 8).

Рисунок 8. Молекула перекиси водорода.

Итак, физические тела состоят из вещества, вещество состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов (рисунок 9).

Рисунок 9. Схема строения вещества.

Сложные и простые вещества

У сложных веществ молекулы состоят из атомов нескольких химических элементов. Например, молекула воды состоит из атомов кислорода и водорода, поэтому вода – сложное вещество.

У простых веществ молекулы состоят только из одного химического элемента. Например – кислород. Наглядное изображение приведено на рисунке 10.

Рисунок 10. Простые и сложные вещества.

Атомы: строительные блоки молекул

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах:

1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.


Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

Читайте также  Испанские танцы. Музыкальная литература

Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

Атомы и молекулы

Ключевые слова конспекта: Атомно-молекулярное учение, атомы, молекулы и ионы, элементарные частицы, ядро, электрон, протон, нейтрон.

Древнегреческий философ Демокрит 2500 лет назад предположил, что все тела состоят из мельчайших, невидимых, неделимых, вечно движущихся частиц — атомов. В переводе «атом» означает «неделимый».

Учение о молекулах и атомах в основном было разработано в XVIII— XIX вв. Великий русский учёный М. В. Ломоносов утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ учёный объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них.

Основоположником атомно-молекулярного учения принято считать известного английского учёного Джона Дальтона. Тем не менее некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные Ломоносовым за полвека до Дальтона, оказались более достоверными, научными. Например, английский учёный отрицал возможность существования молекул, образованных одинаковыми атомами.

Атомно-молекулярное учение получило окончательное признание только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.

Молекулы

Каждое отдельно взятое вещество состоит из одинаковых молекул. Например, вещество вода состоит из молекул воды. Но размеры молекул воды очень малы, поэтому даже маленькая капелька воды содержит огромное количество молекул, которые имеют одинаковые состав и свойства.

Молекулы — это мельчайшие частицы многих веществ, состав и химические свойства которых такие же, как у данного вещества. При химических реакциях молекулы распадаются, то есть они являются химически делимыми частицами. Молекулы состоят из атомов.

Атомы

Следует иметь в виду, что существуют также вещества, состоящие из отдельных одинаковых атомов. Мельчайшими частицами, сохраняющими характерные химические свойства таких веществ, являются атомы. Так, из отдельных атомов состоят благородные газы — гелий, неон, аргон и др. Атомы в отличие от молекул в ходе химических реакций не делятся на более мелкие части.

Атомы — это мельчайшие химически неделимые частицы вещества.

Элементарные частицы

В конце XIX—начале XX в. было обнаружено, что атомы состоят из ешё более мелких частиц. Эти частицы были названы элементарными частицами. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные частицы — электроны. Заряд электрона принято считать равным —1.

Ядро атома, в свою очередь, также состоит из элементарных частиц. В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда,— нейтроны. Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).

Например, атом водорода состоит из ядра, в котором находится только один протон и один электрон. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся 2 протона и 2 нейтрона, а также 2 электрона. Атом лития состоит из ядра, в котором находятся 3 протона, 4 нейтрона, а также 3 электрона.

Ионы

Одни атомы, взаимодействуя с другими атомами, могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов. В результате электрически нейтральный атом превращается в заряженную частицу — ион. Если атом теряет один или несколько электронов, его называют положительно заряженным ионом. Атом, дополнительно присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу. Подробнее электронно-ионная теория рассматривается в курсе физики (читать Конспект «Электронно-ионная теория»)

Конспект урока «Атомы, молекулы и ионы».

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: