§ 26. Строение вещества. Атомы и молекулы

Определения и обозначения

Молекулярное строение вещества — представление о том, что вещество состоит из мельчайших частиц, разделённых промежутками. Это не значит, что частицы лежат вплотную: между ними есть пространство. Такая модель помогает объяснять свойства вещества и наблюдаемые явления.

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. У атома есть ядро и электроны, но в химических превращениях важно, к какому элементу он относится. Понятие атома нужно, чтобы описывать состав вещества и различать химические элементы.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая химические свойства этого вещества. Атомы в ней соединены в определённом составе и порядке. Понятие молекулы позволяет объяснить, из каких частиц построены многие вещества.

Диффузия — самопроизвольное проникновение частиц одного вещества между частицами другого из-за их движения. Например, частички запаха смешиваются с воздухом и распространяются по комнате. Диффузия помогает обнаружить движение частиц, даже если сами частицы не видны.

Как это устроено

Физическое тело имеет форму и занимает место, а сделано оно из вещества: например, стакан — тело, а стекло — вещество. Тело можно разделить на всё более мелкие части, не меняя саму идею о том, что оно сделано из вещества. Опыт показывает, что многие свойства вещества объясняются частицами, слишком маленькими для наблюдения глазом. Поэтому учёные используют модель: тело состоит из мельчайших частиц вещества.

Если частицы разделены промежутками, вещество может немного сжиматься: при сдавливании некоторые частицы сближаются, а свободного пространства становится меньше. Промежутки также позволяют частицам одного вещества проникать между частицами другого. Например, вода и растворённое в ней вещество постепенно перемешиваются, потому что их частицы движутся и оказываются рядом. В твёрдых телах промежутки и расстояния между частицами тоже есть, но частицы удерживаются сильнее и расположены близко.

Частицы не могут оставаться неподвижными: их движение проявляется в том, что вещества постепенно смешиваются даже без перемешивания. Если рядом с открытым флаконом духов воздух, молекулы пахучего вещества распространяются среди молекул воздуха. Это самопроизвольное смешивание называют диффузией. Чем выше температура, тем обычно быстрее движутся частицы, поэтому диффузия идёт быстрее.

Атом и молекула — не одно и то же. Атом относится к определённому химическому элементу, а молекула представляет собой частицу вещества и часто включает атомы разных элементов. Например, молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Молекулы образуются, когда атомы соединяются и удерживаются вместе; некоторые вещества могут состоять не из молекул, а из других частиц.

Молекулы одного вещества имеют одинаковый состав и строение, поэтому вещество сохраняет свои химические свойства. Молекулы разных веществ могут содержать разные атомы или разное число и расположение атомов. Именно поэтому вода и кислород — разные вещества, хотя в обоих есть атомы кислорода. При обычном смешивании частички одного вещества оказываются рядом с частицами другого, но не превращаются автоматически в новые молекулы.

Сравнение вещества, атома и молекулы

Сначала определите, о чём идёт речь: о веществе в целом, об отдельном атоме или о связанной группе атомов. Затем сравните состав и роль объекта. Учтите, что не каждое вещество состоит из молекул.

Разбор задач

Запах духов распространяется по комнате

Условие. Нужно объяснить, почему запах духов постепенно ощущается в разных местах комнаты. Запах связан с частицами пахучего вещества, которые попадают в воздух. Вопрос — как они достигают человека на расстоянии от флакона.

1. Духи испаряются, и их молекулы оказываются в воздухе.
2. Молекулы духов непрерывно и хаотически движутся, поэтому перемещаются в разные стороны.
3. Между частицами воздуха есть промежутки, и молекулы пахучего вещества постепенно проникают между ними.
4. Распространение частиц одного вещества среди частиц другого называют диффузией.

Ответ. Запах распространяется по комнате благодаря движению молекул духов и их диффузии в воздухе. Он достигает разных мест не потому, что воздух целиком переносится от флакона, а потому, что частицы постепенно перемешиваются.

Атомы в пяти молекулах воды

Условие. В одной молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Нужно найти, сколько атомов содержится в пяти молекулах воды. Сначала считаем общее число атомов в одной молекуле, не забывая ни один элемент.

1. В одной молекуле: 2 атома водорода + 1 атом кислорода = 3 атома.
2. Таких молекул пять, поэтому число атомов в них в пять раз больше.
3. Выполняем умножение: 5 × 3 = 15.
4. Проверяем смысл результата: пять одинаковых молекул содержат пять наборов по три атома.

Ответ. В пяти молекулах воды содержится 15 атомов: 10 атомов водорода и 5 атомов кислорода. Разделение по элементам подтверждает общий подсчёт: 10 + 5 = 15.

Краситель в холодной и горячей воде

Условие. В два одинаковых стакана налили холодную и горячую воду и добавили одинаковое количество красителя. Нужно определить, где вода окрасится быстрее. Сравниваем скорость движения частиц при разных температурах.

1. Частицы красителя и воды движутся и постепенно перемешиваются благодаря диффузии.
2. В горячей воде температура выше, поэтому частицы в среднем движутся быстрее.
3. Из-за более быстрого движения частицы красителя быстрее распространяются по воде.
4. Следовательно, при прочих равных условиях окрашивание быстрее начнётся в горячем стакане.

Ответ. Быстрее окрасится горячая вода. При повышении температуры частицы движутся быстрее, поэтому диффузия ускоряется.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что промежутков между частицами нет, потому что тело кажется сплошным. Глаз не различает крошечные частицы и расстояния между ними, поэтому сплошной вид не доказывает отсутствия промежутков. Проверяйте себя вопросом: объясняет ли модель частиц наблюдаемые свойства, например сжатие или смешивание веществ?

Вторая ошибка — путать атом и молекулу. Их названия могут казаться взаимозаменяемыми, но атом относится к элементу, а молекула состоит из связанных атомов. Чтобы проверить себя, спросите: речь об одной частице элемента или о группе атомов, образующей частицу вещества?

Третья ошибка — воображать частицы неподвижными, потому что их движение обычно не видно. Движение слишком мелких частиц незаметно напрямую, но его последствия можно наблюдать при диффузии. Проверьте объяснение: если частицы неподвижны, почему тогда вещества постепенно перемешиваются?

Четвёртая ошибка — думать, что при смешивании молекулы одного вещества превращаются в молекулы другого. Обычно частицы просто перемешиваются и сохраняют свой состав; новые вещества образуются при химической реакции. Для самопроверки выясните, произошла ли реакция, а не делайте вывод о превращении только по факту смешивания.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно различать физическое тело и вещество: тело занимает место и имеет форму, а вещество — материал, из которого оно состоит. Также полезно уметь описывать наблюдаемые свойства тел, например сжатие и смешивание. Представление о движущихся частицах объясняет диффузию и то, почему скорость некоторых явлений зависит от температуры. Позже оно понадобится при изучении агрегатных состояний, давления, температуры и химических реакций.

Что запомнить

• Все вещества состоят из мельчайших частиц.
• Между частицами вещества есть промежутки.
• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Атом — частица химического элемента.
• Молекула состоит из связанных атомов и сохраняет химические свойства вещества.
• Диффузия подтверждает движение частиц вещества.
• При повышении температуры движение частиц обычно ускоряется.