§ 25. Атомное строение вещества

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Это понятие помогает описывать, из каких частиц построены вещества. Атомы одного элемента относятся к одному виду, хотя могут немного различаться по массе.

Атомное ядро — центральная часть атома с положительным электрическим зарядом, в которой сосредоточена почти вся его масса. Ядро удерживает электроны благодаря электрическому притяжению зарядов разных знаков. Его устройство помогает объяснить, почему атом не является однородным шариком.

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. Электроны движутся вокруг ядра и участвуют в электрических явлениях. Сравнивая число электронов с зарядом ядра, можно понять, нейтрален атом или заряжен.

Молекула — электрически нейтральная частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая химические свойства этого вещества. Связь означает, что атомы образуют устойчивое целое. Состав молекулы записывают химической формулой, например H₂O.

Как это устроено

Когда-то атомы представляли неделимыми частицами, потому что в обычных химических превращениях они не распадаются на более мелкие составляющие. Но изучение электрических явлений показало, что из атомов можно получить заряженные частицы, а значит, внутри них есть частицы с зарядом. Так возникло представление о сложном строении атома: у него есть ядро и электроны. Это не отменяет того, что атом остаётся наименьшей частицей химического элемента, сохраняющей его принадлежность к этому элементу.

В центре атома расположено положительно заряженное ядро, а вокруг него движутся отрицательные электроны. Их не следует представлять как крошечные планеты, летящие по точно заданным дорожкам: эта схема лишь помогает увидеть расположение частей атома. Ядро намного меньше всего атома, но в нём сосредоточена почти вся масса. Оно притягивает электроны, потому что разноимённые электрические заряды притягиваются.

Само ядро имеет положительный заряд, но весь атом в обычном состоянии нейтрален. Причина в том, что положительные заряды ядра компенсируются отрицательными зарядами электронов. Если количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, их сумма равна нулю. Поэтому нельзя переносить заряд ядра на атом целиком: заряд одной части атома и общий заряд — не одно и то же.

Атомы могут связываться друг с другом и образовывать молекулы. Число и виды связанных атомов определяют состав молекулы, а состав связан с химическими свойствами вещества. Например, молекула воды содержит водород и кислород, а молекула кислорода — только атомы кислорода. Поэтому вещества, в которых есть разные сочетания атомов, обладают разными свойствами.

Атомы разных химических элементов отличаются строением ядра, прежде всего числом положительно заряженных протонов. Химический элемент — это совокупность атомов одного вида; название элемента не следует путать с названием вещества. Один и тот же элемент может входить в состав разных веществ, а вещество может состоять из атомов одного или нескольких элементов. Разные сочетания атомов и их количества дают большое разнообразие веществ.

Сравнение атома и молекулы

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, о какой частице идёт речь: об отдельном атоме или о соединении атомов. Затем сравните её состав и роль в веществе. Помните, что некоторые вещества состоят из отдельных атомов, а не из молекул.

Разбор задач

Задача 1. Для молекул воды H₂O и кислорода O₂ укажите, какие атомы и в каком количестве входят в каждую молекулу. Индекс в формуле показывает число атомов соответствующего элемента. Если индекса нет, считают один атом.

1. В формуле H₂O индекс 2 стоит после H, значит, в молекуле два атома водорода.
2. После O индекса нет, поэтому кислород представлен одним атомом.
3. В O₂ индекс 2 относится к кислороду: в молекуле два атома кислорода.

Ответ: H₂O содержит два атома водорода и один атом кислорода; O₂ — два атома кислорода. Индекс показывает количество атомов в одной молекуле, а не число молекул.

Задача 2. Объясните, почему атом с равным числом положительно заряженных частиц в ядре и электронов нейтрален. Здесь сравнивают не число всех частиц внутри атома, а именно положительные и отрицательные заряды. Нейтроны заряда не имеют и в этом сравнении не участвуют.

1. Каждый протон ядра имеет положительный заряд, а каждый электрон — отрицательный.
2. Если протонов и электронов поровну, суммарные положительный и отрицательный заряды одинаковы по величине.
3. Заряды противоположных знаков взаимно компенсируются, поэтому общий заряд равен нулю.

Ответ: атом электрически нейтрален, потому что суммарный заряд его протонов равен по величине суммарному заряду электронов и противоположен ему.

Задача 3. По схеме атома выясните, что произойдёт с его зарядом, если электрон удалится или добавится. Сначала проверьте, что исходный атом нейтрален: в нём число электронов компенсирует заряд ядра. Затем выясните, в какую сторону изменился отрицательный заряд.

1. Если электрон удалился, отрицательного заряда стало меньше, чем положительного. Атом превращается в положительный ион.
2. Если электрон добавился, отрицательного заряда стало больше, чем положительного. Возникает отрицательный ион.
3. В обоих случаях число протонов в ядре не меняется; меняется число электронов и общий заряд частицы.

Ответ: потеря электрона даёт положительный ион, приобретение электрона — отрицательный.

Типичные ошибки

Ошибка: считать атом и молекулу одним и тем же. Так можно решить, что каждая молекула — один атом, хотя молекула может содержать несколько связанных атомов. Путаница возникает из-за того, что обе частицы очень малы. Проверьте себя: запишите состав частицы — ядро и электроны означают атом, а соединённые атомы образуют молекулу.

Ошибка: представлять атом полностью неделимым. Такое представление появилось потому, что в обычных процессах атом не распадается на части. Но атом имеет внутреннее строение — ядро и электроны. Для проверки назовите обе его основные части.

Ошибка: считать, что ядро и атом имеют одинаковый заряд. Ядро положительно, но у нейтрального атома есть электроны с отрицательным зарядом. Ошибка возникает, если рассматривать ядро как весь атом. Проверьте, учитываете ли вы электроны и общий заряд всей частицы.

Ошибка: путать химический элемент с веществом. Элемент — вид атомов, а вещество может быть построено из атомов или молекул. Их смешивают, поскольку названия элементов часто встречаются в названиях веществ и формулах. Проверьте себя вопросом: речь идёт о виде атомов или о материале с определёнными свойствами?

Связь с другими темами

Ранее вы узнали, что вещества состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Теперь строение атомов и молекул помогает точнее описывать эти частицы и записывать состав веществ химическими формулами. Понятие электрона понадобится при изучении электризации и электрического тока: изменение числа электронов может сделать частицу заряженной. А представление о ядре и электронах станет основой для дальнейшего изучения строения вещества.

Что запомнить

• Вещество имеет атомное строение.
• Атом состоит из ядра и электронов.
• Ядро положительно заряжено, электрон имеет отрицательный заряд.
• В нейтральном атоме положительные и отрицательные заряды компенсируются.
• Молекула состоит из связанных атомов.
• Химический элемент — совокупность атомов одного вида.
• При изменении числа электронов атом может превратиться в заряженный ион.