§20. Атомы и молекулы, их характеристики

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица химического элемента. Он состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг него; ядро содержит протоны и нейтроны. Это понятие нужно, чтобы описывать состав элементов и строение вещества на самом малом уровне.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из связанных атомов одного или разных химических элементов. По молекуле можно понять состав вещества и записать его химическую формулу.

Относительная атомная масса Aᵣ — отношение массы атома к 1/12 массы атома углерода-12. Она показывает, во сколько раз масса данного атома больше выбранной эталонной доли. Величина безразмерна, потому что в отношении делятся две массы, выраженные в одинаковых единицах.

Относительная молекулярная масса Mᵣ — отношение массы молекулы к 1/12 массы атома углерода-12. Её находят сложением относительных атомных масс всех атомов молекулы с учётом их числа. Она позволяет сравнивать массы молекул разных веществ без перехода к килограммам.

Как это устроено

Размеры атомов и молекул очень малы: их характерный порядок составляет около 10⁻¹⁰ м. Конкретный размер зависит от частицы, потому что атомы разных элементов имеют различное строение, а молекулы отличаются числом и расположением атомов. Поэтому указанное значение является не точным размером, а ориентиром для оценки.

Массы отдельных частиц тоже чрезвычайно малы и обычно лежат примерно в пределах 10⁻²⁷–10⁻²⁵ кг. Записывать и сравнивать такие числа в килограммах неудобно, особенно когда речь идёт о множестве разных атомов. Поэтому используют отношение массы частицы к общей эталонной массе.

Единая атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода-12 и обозначается 1 а.е.м. Если массу атома выразить в этих единицах, получится её относительная атомная масса. В килограммах 1 а.е.м. приблизительно равна 1,66·10⁻²⁷ кг, поэтому относительная масса связана с обычной массой через умножение на это значение.

Молекула содержит определённое число атомов каждого элемента, и вклад каждого из них складывается. Поэтому сначала находят относительные атомные массы элементов, затем умножают каждую на число атомов и складывают результаты: Mᵣ = n₁Aᵣ₁ + n₂Aᵣ₂ + … . Такой способ напрямую следует из того, что масса молекулы примерно равна сумме масс входящих в неё атомов.

У одной и той же химической формулы состав молекулы постоянен, поэтому постоянна и её масса. Относительная молекулярная масса позволяет сравнивать молекулы разных веществ, даже если их реальные массы записывать в килограммах неудобно. Например, по значениям Mᵣ можно установить, молекула какого вещества тяжелее.

Характеристики атомов и молекул

В таблице собраны основные признаки двух типов частиц. При сравнении сначала смотрите на состав и роль частицы, а затем — на порядок её размера и массы. В последней строке учитывайте, что относительная масса не измеряется в килограммах.

Разбор задач

Задача 1

Масса атома углерода-12 равна 1,99·10⁻²⁶ кг. Требуется найти единую атомную единицу массы. По определению она составляет одну двенадцатую часть этой массы.

1. Запишем определение: 1 а.е.м. = m(C-12)/12.
2. Подставим значение: 1 а.е.м. = 1,99·10⁻²⁶ кг / 12.
3. Выполним деление и округлим результат: 1 а.е.м. ≈ 1,66·10⁻²⁷ кг.

Ответ: 1 а.е.м. ≈ 1,66·10⁻²⁷ кг. Деление на 12 обязательно, поскольку эталоном служит не вся масса атома углерода-12, а только её двенадцатая часть.

Задача 2

Найдём относительную молекулярную массу воды H₂O, если Aᵣ(H) = 1, а Aᵣ(O) = 16. Индекс 2 после водорода означает, что в молекуле два атома водорода. Кислородный индекс отсутствует, значит, атом кислорода один.

1. Запишем сумму вкладов: Mᵣ(H₂O) = 2Aᵣ(H) + Aᵣ(O).
2. Подставим данные: Mᵣ(H₂O) = 2·1 + 16.
3. Сложим значения: Mᵣ(H₂O) = 18.

Ответ: относительная молекулярная масса воды равна 18. Единицы измерения не ставятся, потому что это отношение двух масс.

Задача 3

Оценим массу молекулы углекислого газа CO₂ при Aᵣ(C) = 12, Aᵣ(O) = 16 и 1 а.е.м. = 1,66·10⁻²⁷ кг. Формула CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода. Сначала найдём относительную молекулярную массу, а затем переведём её в килограммы.

1. Mᵣ(CO₂) = Aᵣ(C) + 2Aᵣ(O) = 12 + 2·16 = 44.
2. Масса молекулы равна m = Mᵣ·1 а.е.м.
3. m = 44·1,66·10⁻²⁷ кг = 73,04·10⁻²⁷ кг ≈ 7,3·10⁻²⁶ кг.

Ответ: масса молекулы CO₂ примерно равна 7,3·10⁻²⁶ кг. Сначала получена безразмерная относительная масса, поэтому единицы появились только после умножения на а.е.м.

Типичные ошибки

Относительную атомную или молекулярную массу записывают в килограммах. Так происходит из-за привычки указывать единицы у любой массы, но относительная величина является отношением двух масс. Проверьте себя: в ответе на Aᵣ или Mᵣ единиц быть не должно.

В формуле учитывают каждый элемент только один раз и забывают индексы. Индекс показывает число атомов, поэтому его нужно умножить на относительную атомную массу элемента. Для проверки перепишите формулу словами: CO₂ — один углерод и два кислорода.

Сумму относительных атомных масс называют массой молекулы в килограммах. Это разные величины: сумма даёт Mᵣ без единиц, а массу в килограммах получают умножением на 1,66·10⁻²⁷ кг. Проверьте наличие этого множителя, если требуется обычная масса.

Атом и молекулу считают взаимозаменяемыми понятиями. Атом является частицей химического элемента, а молекула — частицей вещества, состоящей из атомов. Спросите себя, сохраняется ли у рассматриваемой частицы химическое свойство вещества: это помогает выбрать правильный термин.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что вещества состоят из частиц, и уметь читать химические формулы. Без этого невозможно определить, сколько атомов каждого элемента входит в молекулу и правильно вычислить Mᵣ.

Размеры и массы частиц понадобятся при изучении молекулярно-кинетической теории. Эти представления также связаны с расчётами количества вещества, где число частиц сопоставляют с их массой.

Что запомнить

• Атом — частица химического элемента, а молекула — частица вещества, состоящая из атомов.
• Размеры атомов и молекул имеют порядок 10⁻¹⁰ м.
• Массы атомов и молекул обычно имеют порядок 10⁻²⁷–10⁻²⁵ кг.
• Единая атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода-12.
• Относительные атомная и молекулярная массы являются безразмерными.
• Относительную молекулярную массу находят сложением относительных атомных масс с учётом числа атомов каждого элемента.