§ 20. Атомы и молекулы, их характеристики

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электронейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Ядро содержит почти всю массу атома, а электроны образуют его оболочку. Если атом теряет или присоединяет электроны, он превращается в заряженный ион.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из связанных атомов. Например, молекула воды H₂O включает два атома водорода и один атом кислорода. Состав молекулы помогает понять, из каких элементов образовано вещество.

Атомная единица массы — единица для сравнения масс атомов и молекул, равная 1/12 массы атома углерода-12. Её обозначают а.е.м.; численно она приблизительно равна 1,66·10⁻²⁷ кг. Такая единица удобнее килограмма при описании микроскопических частиц.

Относительная молекулярная масса — отношение массы молекулы к атомной единице массы: Mr = mмолекулы / 1 а.е.м. Она показывает, во сколько раз молекула тяжелее выбранной единицы и не имеет единицы измерения. Значение Mr вычисляют по химической формуле вещества.

Как это устроено

Вещества рассматривают как состоящие из отдельных частиц, потому что многие наблюдения объясняются их движением и промежутками между ними. Например, запах распространяется по комнате, растворённое вещество перемешивается, а газ можно сжимать. Если бы вещество было сплошным и не имело частиц, такие явления нельзя было бы объяснить движением отдельных составляющих.

Атом имеет компактное положительно заряженное ядро и окружающую его электронную оболочку. Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны намного легче нуклонов — частиц ядра. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в маленьком ядре, хотя размеры атома определяются в основном электронной оболочкой.

Атомы могут объединяться за счёт взаимодействия между ними и образовывать молекулы. Связь удерживает атомы на определённых расстояниях и задаёт состав частицы. Поэтому изменение числа или вида атомов меняет свойства вещества: H₂O и H₂O₂ состоят из одних и тех же элементов, но являются разными веществами.

Размер атомов и молекул оценивают по расстояниям между частицами в веществе: типичный масштаб получается около 10⁻¹⁰ м. Массу отдельного атома или молекулы сравнивают с атомной единицей массы; поскольку она имеет порядок 10⁻²⁷ кг, а относительные массы обычно равны десяткам, масса частицы получается порядка 10⁻²⁶ кг. Это оценочные порядки, а не одинаковые значения для всех частиц.

Чтобы найти относительную молекулярную массу, используют химическую формулу. Индекс показывает, сколько атомов элемента входит в молекулу, поэтому соответствующую относительную атомную массу умножают на индекс. Затем все полученные произведения складывают, например: Mr(H₂O) = 2Ar(H) + Ar(O).

Сравнение атома и молекулы

Таблица помогает различить отдельную частицу элемента и объединение атомов. При сравнении массы молекулы нужно учитывать все атомы, входящие в её состав. Размеры приведены приблизительно: конкретные частицы могут отличаться.

Разбор задач

1. Относительная молекулярная масса воды

Определим Mr воды H₂O, если Ar(H) = 1, Ar(O) = 16. Индекс 2 у водорода означает, что в одной молекуле два атома H, а у кислорода индекса нет, значит, он один.

1. Записываем сумму относительных атомных масс: Mr(H₂O) = 2Ar(H) + Ar(O).
2. Подставляем значения: Mr = 2·1 + 16.
3. Выполняем вычисление: Mr = 18.

Ответ: относительная молекулярная масса воды равна 18.

2. Масса молекулы углекислого газа относительно атомной единицы массы

Для CO₂ возьмём Ar(C) = 12 и Ar(O) = 16. Индекс 2 относится только к кислороду, поэтому углерод учитывается один раз, а кислород — два раза.

1. Составляем выражение: Mr(CO₂) = Ar(C) + 2Ar(O).
2. Подставляем значения: Mr = 12 + 2·16 = 44.
3. По смыслу Mr молекула CO₂ тяжелее атомной единицы массы в 44 раза.

Ответ: Mr(CO₂) = 44, масса молекулы в 44 раза больше атомной единицы массы.

3. Масса одной молекулы кислорода

Кислород O₂ состоит из двух атомов O, поэтому сначала найдём его относительную молекулярную массу. Дано Ar(O) = 16 и 1 а.е.м. = 1,66·10⁻²⁷ кг. После нахождения Mr можно перейти от относительной величины к настоящей массе.

1. Находим Mr(O₂): Mr = 2Ar(O) = 2·16 = 32.
2. Используем связь массы и относительной молекулярной массы: m = Mr · 1,66·10⁻²⁷ кг.
3. Получаем m = 32·1,66·10⁻²⁷ кг ≈ 5,31·10⁻²⁶ кг.

Ответ: масса одной молекулы кислорода приблизительно равна 5,31·10⁻²⁶ кг.

Типичные ошибки

Атом и молекулу иногда путают, представляя молекулу как одно ядро с электронами. На самом деле это строение атома, а молекула обычно включает несколько связанных атомов. Проверьте себя: если названы ядро и электронная оболочка, речь идёт об атоме; если указано объединение атомов, — о молекуле.

При вычислении Mr забывают индексы или умножают на индекс только часть выражения. Индекс относится к символу элемента непосредственно перед ним и показывает число таких атомов. Полезно сначала перечислить все атомы молекулы, а затем сложить их вклады.

Относительной атомной и молекулярной массе иногда приписывают кг. Ошибка возникает из-за смешения относительной величины с настоящей массой частицы. Если в формуле есть отношение к атомной единице массы, единицы сокращаются и результат остаётся безразмерным.

Неверно считать, что любое вещество обязательно состоит из молекул. В атомных кристаллах частицы представлены атомами, а в ионных — положительными и отрицательными ионами. Проверяйте строение конкретного вещества: молекулярная формула не означает, что все вещества имеют молекулярную решётку.

Связь с другими темами

Перед изучением темы нужно знать химические символы элементов, индексы в формулах, строение атома и смысл понятия химического элемента. Без этого трудно правильно прочитать состав молекулы и выполнить расчёт.

Атомы и молекулы понадобятся при изучении количества вещества, постоянной Авогадро и молярной массы. Эти понятия позволяют переходить от массы образца к числу содержащихся в нём частиц.

Представление о частицах объясняет диффузию, броуновское движение и различия агрегатных состояний. Оно также используется при выводе уравнения состояния идеального газа.

Что запомнить

• Вещество имеет дискретное строение и состоит из частиц.
• Атом включает ядро и электронную оболочку.
• Молекула состоит из связанных атомов и сохраняет химические свойства вещества.
• Размеры атомов и молекул имеют порядок 10⁻¹⁰ м.
• Массы атомов и молекул имеют порядок 10⁻²⁶ кг.
• Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс всех атомов в формуле.
• Относительные атомные и молекулярные массы не имеют единиц измерения.