Все вещества состоят из крошечных частиц - атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.

О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает "неделимый", поэтому эти частицы назвали атомами.

Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий - земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии - примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.

Одной из главных задач алхимии было создание "эликсира жизни" - снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно. Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.

Переворот в науке

Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины - электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.

В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) - не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это - безусловно ошибочная теория.

Строение атома

В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.

Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.

Элементы

Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме - атомный номер элемента. Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.

Во многих веществах атомы объединяются в группы, называемые молекулами. Так, газ водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода. Часто, однако, молекулы вещества состоят из атомов более одного элемента. Такие вещества называются соединениями. Например, вода является соединением, где каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Во многих молекулах насчитывается гораздо большее количество атомов. Некоторые белковые молекулы представляют собой сложные соединения из нескольких тысяч атомов. Некоторые природные элементы встречаются только в соединениях. Так, натрий - это металл, настолько легко соединяющийся с другими веществами, что его нельзя обнаружить в чистом виде. Он широко известен в сочетании с хлором в виде хлорида натрия - поваренной соли.

Атомы в молекулах связываются различными путями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.

Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.

В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.

Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные типы атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами - все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотопов различаются - например, они имеют разные точки замерзания или кипения.

Говоря о конкретном изотопе того или иного элемента, ученые называют его массовое число. Например, углерод-12 - это обычный природный изотоп углерода. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.

Атомный вес

Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его массовое число.

Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, - это сумма атомных весов всех атомов в одной молекуле данного вещества.

Многосложный атом

С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна для того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.

По современным представлениям:

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

Неправильно говорить, что «атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства», т. к. химический элемент – это вид частиц (атомов, ионов, ядер) с определенным зарядом ядра; поэтому элемент не состоит из атомов!

Кроме того, химические свойства – это энергетика и скорость химической реакции, а они зависят не только от состава реагирующей частицы, но и от ее энергетического состояния, геометрической формы и т. п., потому химическими свойствами обладают не атомы (и молекулы), а их совокупности – химические вещества.

Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей, определяющая состав вещества.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газо- и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру (большинство органических веществ; неметаллы, кроме бора, кремния, аллотропных модификаций углерода; углекислый газ СО 2 ; вода Н 2 О).

Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл NaCl, друза кварца, кусок железа и др.). К веществам немолекулярного строения относятся соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы и др.

Химическая связь между молекулами у веществ с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами в молекуле, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие.

1.3.2. Массы атомов и молекул. Моль

Массы атомов и молекул чрезвычайно малы, поэтому для них используют специальную единицу измерения – атомную единицу массы (сокращенное обозначение «а. е. м.»):

1 а. е. м. = 1,66·10 –27 кг.

Например, абсолютная масса атома алюминия:

m o (Al) = 4,482·10 –26 кг = 27 а. е. м.

Чаще используют безразмерные величины – относительные атомные и молекулярные массы.

Относительная атомная масса A r – число, показывающее, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

A r (Al) = = 27.

Относительная молекулярная масса M r – число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

M r (SO 2) =

= 64.

Наряду с единицами массы и объема, в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенное обозначение – «моль»).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, ядер, электронов, радикалов), сколько содержится атомов в 0,012 кг (12 г) углерода 12 C.

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро структурных единиц, а именно

N A = 6,02·10 23 моль –1 .

Моль вещества имеет определенную массу (молярную массу) и определенный объем (молярный объем).

Молярная (мольная) масса М – это масса 1 моль вещества, выраженная в единицах массы:

M(Al) = 27 г/моль; M(H 2 SO 4) = 98 г/моль.

Молярный (мольный) объем V m – объем 1 моль вещества, выраженный в единицах объема:

V m (CO 2) = 22,4 л/моль (н. у.) 1 ; V m (H 2 O) = 18 мл/моль.

Пример 1.1 . Во время войны во Вьетнаме (1962–1971 гг.) американские войска широко использовали дефолианты в борьбе с партизанами. Дефолиант «agent orange» (оранжевый реактив) вызывает ускоренное опадание листьев деревьев. Всего над джунглями было распылено 57 тыс. т этого препарата, в котором в виде примеси содержалось до 170 кг диоксина. Сейчас этот дефолиант известен под названием 2,4-D (2,4-дихлорфеноуксусная кислота).Рассчитайте массу одной молекулы дефолианта (молекулярная формула С 8 Н 6 O 3 Cl 2): а) в граммах; б) в атомных единицах массы.

Решение:

а). Для расчета массы молекулы 2,4-дихлорфеноуксусной кислоты необходимо знать ее молярную массу:

М(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 8 · 12 + 6 · 1 + 3 · 16 + 2 · 35,5 = 221 (г/моль).

Рассчитываем количество вещества по следующим формулам:

ν = m / M; ν = N / N A ,

где m – масса, M – молярная масса, N – число атомов или молекул, N A = 6,02·10 23 моль –1 – постоянная Авогадро.

Объединив эти формулы можно выразить массу через число молекул:

m = ν · M = .

Подставляя в полученную формулу N = 1, M = 221 г/моль, N A , находим:

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) =

= 36,7·10 –23 (г).

б). Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на 1 а. е. м.

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2)

Относительная молекулярная масса численно равна молярной массе:

M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 221;

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · 221 = 221 а. е. м.

Пример 1.2. Сколько молекул содержится в 1 л воды?

Решение. 1. Массу 1 л воды можно вычислить, используя величину плотности (плотность воды при 4С равна 1 г/см 3):

m(H 2 O) = V(H 2 O) · ρ(H 2 O);

V(H 2 O) = 1 л = 1 дм 3 = 1000 см 3 ;

m(H 2 O) = 1000 см 3 · 1 г/см 3 = 1000 г.

2. Дальнейшие рассуждения можно вести двумя способами.

1 способ: по количеству вещества.

Пользуясь формулами ν = m / M и ν = N / N A , находим:

ν(Н 2 О) = m(Н 2 О) / M(Н 2 О); ν(Н 2 О) = 1000 г / 18 г/моль = 55,6 моль.

N(H 2 O) = ν(Н 2 О) · N A ; N(H 2 O) = 55,6 моль · 6,02·10 23 моль –1 = 334,7·10 23 = 3,35·10 25 .

2 способ: с помощью пропорции.

18 г (1 моль) H 2 O содержат 6,02·10 23 молекул;

1000 г Н 2 О содержат N молекул.

N(H 2 O) = 1000 · 6,02·10 23 / 18 = 3,35·10 25 .

Пример 1.3. Вычислите молярный объем алюминия, если его плотность составляет 2,7 г/см 3 .

Решение. Для вычисления молярного объема через плотность вещества необходимо знать его молярную массу:

ρ(Al) =

;V m (Al) =

.

V m (Al) =

= 10 см 3 /моль = 0,01 л/моль.

Атом - это мельчайшая, химически неделимая частица вещества. Все вещества состоят из атомов. То, что атомы существуют, предполагал еще Демокрит в IV в. до н. э. Однако доказать, что атомы действительно существуют, ученые смогли только в XIX веке.

Существует более 100 видов атомов. Они отличаются друг от друга своим строением. Когда выше было сказано, что атомы - это химически неделимые частицы, то это не значит, что они неделимы вообще.

Атомы состоят из более мелких частиц - протонов, нейтронов и электронов. В зависимости от того, сколько этих более мелких частиц входит в атом, различают виды атомов. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого есть электронные облака, где двигаются электроны.

Самые простые атомы - это водород и гелий. У первого только один электрон, а у второго - два. Это самые распространенные атомы во Вселенной, так как из них состоят звезды. Но они не самые распространенные на Земле. На Земле распространены более сложные атомы, больше различных их видов. Однако наиболее распространены кислород и кремний.

Молекулы состоят из атомов, которые притягиваются друг к другу. Одинаковые молекулы образуют вещество. Свойства вещества зависят от атомного состава и строения молекул. Имеет значение, какие атомы входят в состав молекулы, как они между собой соединены.

Одну молекулу водорода образуют два атома водорода. Много молекул водорода образуют вещество водород, которое при нормальных условиях - газ. Вода - это вещество, состоящее из молекул, образованных одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. При нормальных условиях вещество вода - это жидкость.

Мельчайшей частицей вещества считается именно молекула, так как она определяет его химические свойства, а не атомы. При химических реакциях, когда одни вещества превращаются в другие, изменяются молекулы - одни исчезают, другие появляются. Однако атомы при этом остаются неизменными. Сколько атомов и каких типов было до химической реакции, столько их будет и после. Просто они будут по-другому между собой объединены и, следовательно, образуют уже другие молекулы, то есть другие вещества.

Если различных видов атомов всего чуть более 100, то число различных видов молекул исчисляется миллионами. Существуют очень сложные молекулы, в состав которых входят сотни и более атомов (преимущественно одного или нескольких видов). Такие молекулы входят в состав живых организмов.

Следует понимать, если две молекулы различаются между собой всего лишь одним атомом, то это уже совершенно разные молекулы, образующие разные вещества. Тогда станет понятным, почему разных атомов не так уж и много, а разных молекул огромное количество.

Размеры атомов и молекул ничтожны, это миллионные доли миллиметра и даже меньше. Их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Понятно, что молекулы больше атомов.

Размеры атомов зависят от их сложности. Чем больше электронов и больше ядро атома, тем больше сам атом. То же самое можно сказать о молекулах. Чем больше атомов входит в их состав и чем крупнее сами атомы, тем больше будет молекула вещества.

По современным представлениям:

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

Неправильно говорить, что «атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства», т. к. химический элемент – это вид частиц (атомов, ионов, ядер) с определенным зарядом ядра; поэтому элемент не состоит из атомов!

Кроме того, химические свойства – это энергетика и скорость химической реакции, а они зависят не только от состава реагирующей частицы, но и от ее энергетического состояния, геометрической формы и т. п., потому химическими свойствами обладают не атомы (и молекулы), а их совокупности – химические вещества.

Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей, определяющая состав вещества.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газо- и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру (большинство органических веществ; неметаллы, кроме бора, кремния, аллотропных модификаций углерода; углекислый газ СО 2 ; вода Н 2 О).

Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл NaCl, друза кварца, кусок железа и др.). К веществам немолекулярного строения относятся соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы и др.

Химическая связь между молекулами у веществ с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами в молекуле, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие.

1.3.2. Массы атомов и молекул. Моль

Массы атомов и молекул чрезвычайно малы, поэтому для них используют специальную единицу измерения – атомную единицу массы (сокращенное обозначение «а. е. м.»):

1 а. е. м. = 1,66·10 –27 кг.

Например, абсолютная масса атома алюминия:

m o (Al) = 4,482·10 –26 кг = 27 а. е. м.

Чаще используют безразмерные величины – относительные атомные и молекулярные массы.

Относительная атомная масса A r – число, показывающее, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

A r (Al) = = 27.

Относительная молекулярная масса M r – число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

M r (SO 2) =

= 64.

Наряду с единицами массы и объема, в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенное обозначение – «моль»).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, ядер, электронов, радикалов), сколько содержится атомов в 0,012 кг (12 г) углерода 12 C.

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро структурных единиц, а именно

N A = 6,02·10 23 моль –1 .

Моль вещества имеет определенную массу (молярную массу) и определенный объем (молярный объем).

Молярная (мольная) масса М – это масса 1 моль вещества, выраженная в единицах массы:

M(Al) = 27 г/моль; M(H 2 SO 4) = 98 г/моль.

Молярный (мольный) объем V m – объем 1 моль вещества, выраженный в единицах объема:

V m (CO 2) = 22,4 л/моль (н. у.) 1 ; V m (H 2 O) = 18 мл/моль.

Пример 1.1 . Во время войны во Вьетнаме (1962–1971 гг.) американские войска широко использовали дефолианты в борьбе с партизанами. Дефолиант «agent orange» (оранжевый реактив) вызывает ускоренное опадание листьев деревьев. Всего над джунглями было распылено 57 тыс. т этого препарата, в котором в виде примеси содержалось до 170 кг диоксина. Сейчас этот дефолиант известен под названием 2,4-D (2,4-дихлорфеноуксусная кислота).Рассчитайте массу одной молекулы дефолианта (молекулярная формула С 8 Н 6 O 3 Cl 2): а) в граммах; б) в атомных единицах массы.

Решение:

а). Для расчета массы молекулы 2,4-дихлорфеноуксусной кислоты необходимо знать ее молярную массу:

М(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 8 · 12 + 6 · 1 + 3 · 16 + 2 · 35,5 = 221 (г/моль).

Рассчитываем количество вещества по следующим формулам:

ν = m / M; ν = N / N A ,

где m – масса, M – молярная масса, N – число атомов или молекул, N A = 6,02·10 23 моль –1 – постоянная Авогадро.

Объединив эти формулы можно выразить массу через число молекул:

m = ν · M = .

Подставляя в полученную формулу N = 1, M = 221 г/моль, N A , находим:

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) =

= 36,7·10 –23 (г).

б). Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на 1 а. е. м.

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2)

Относительная молекулярная масса численно равна молярной массе:

M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 221;

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · 221 = 221 а. е. м.

Пример 1.2. Сколько молекул содержится в 1 л воды?

Решение. 1. Массу 1 л воды можно вычислить, используя величину плотности (плотность воды при 4С равна 1 г/см 3):

m(H 2 O) = V(H 2 O) · ρ(H 2 O);

V(H 2 O) = 1 л = 1 дм 3 = 1000 см 3 ;

m(H 2 O) = 1000 см 3 · 1 г/см 3 = 1000 г.

2. Дальнейшие рассуждения можно вести двумя способами.

1 способ: по количеству вещества.

Пользуясь формулами ν = m / M и ν = N / N A , находим:

ν(Н 2 О) = m(Н 2 О) / M(Н 2 О); ν(Н 2 О) = 1000 г / 18 г/моль = 55,6 моль.

N(H 2 O) = ν(Н 2 О) · N A ; N(H 2 O) = 55,6 моль · 6,02·10 23 моль –1 = 334,7·10 23 = 3,35·10 25 .

2 способ: с помощью пропорции.

18 г (1 моль) H 2 O содержат 6,02·10 23 молекул;

1000 г Н 2 О содержат N молекул.

N(H 2 O) = 1000 · 6,02·10 23 / 18 = 3,35·10 25 .

Пример 1.3. Вычислите молярный объем алюминия, если его плотность составляет 2,7 г/см 3 .

Решение. Для вычисления молярного объема через плотность вещества необходимо знать его молярную массу:

ρ(Al) =

;V m (Al) =

.

V m (Al) =

= 10 см 3 /моль = 0,01 л/моль.