§ 3. Молекулы

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы образованы атомами, соединёнными между собой. Это понятие помогает объяснить, почему разные вещества имеют разные свойства и как вещества могут превращаться друг в друга.

Атом — частица, из которой состоят молекулы. Атомы одного химического элемента или разных элементов способны соединяться в определённых сочетаниях. Зная, какие атомы вошли в молекулу, можно описать состав вещества.

Молекулярное строение вещества — представление о том, что вещество состоит из отдельных молекул, между которыми имеются промежутки. Значит, вещество не является сплошным, даже если на вид кажется однородным. Эта модель помогает объяснять свойства веществ и происходящие с ними изменения.

Модель молекулы — условное изображение её состава и строения. Частицы слишком малы для наблюдения невооружённым глазом, поэтому их изображают, например, в виде соединённых шариков. Модель нужна, чтобы представить, какие атомы входят в молекулу и как они расположены.

Как это устроено

Опыты и наблюдения показывают, что вещества могут смешиваться, распространяться и менять объём. Такие явления можно объяснить, если представить вещество состоящим из отдельных частиц, а не сплошной массой. Между частицами есть промежутки, в которые могут проникать частицы другого вещества. Именно поэтому, например, запах постепенно распространяется по комнате, хотя источника запаха там нет.

Молекулы веществ отличаются составом и строением, потому что в них входит разное число и сочетание атомов. Некоторые молекулы состоят только из атомов одного элемента, как O₂, а другие — из атомов нескольких элементов, как H₂O. От состава и взаимного расположения атомов зависят свойства вещества. Поэтому вещества, содержащие разные молекулы, могут заметно отличаться друг от друга.

При химическом превращении одни вещества становятся другими, значит, меняется состав их молекул. Для этого молекулы исходных веществ могут распадаться, а их атомы — соединяться в новых сочетаниях. Атомы не исчезают и не возникают заново в ходе такого превращения: они перегруппировываются. Поэтому молекулы продуктов реакции имеют иной состав, чем молекулы исходных веществ.

Молекулы настолько малы, что увидеть их в обычный микроскоп нельзя. Это не означает, что о них нельзя узнать: выводы о размерах частиц делают по косвенным опытам, наблюдая измеримые изменения вещества. Представить устройство частицы помогают увеличенные модели. Такая оценка основана на сопоставлении наблюдаемого результата опыта с предположением о размерах частиц.

Модель молекулы передаёт, какие атомы входят в неё и как они расположены относительно друг друга. Условные шарики разных цветов могут обозначать разные химические элементы, а соединения между ними — связи атомов. Однако изображение не показывает истинные размеры атомов и расстояния между ними в масштабе. Поэтому модель удобна для изучения состава, но её нельзя принимать за точную копию молекулы.

Чем различаются атом и молекула

Сначала определите, о какой частице идёт речь: об отдельном атоме или о молекуле, собранной из атомов. Затем посмотрите на состав и пример. Так проще не путать частицу элемента с молекулой вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определите, сколько атомов каждого вида входит в одну молекулу воды H₂O. В формуле есть два элемента: водород H и кислород O. Нужно прочитать индексы после символов, помня, что отсутствие индекса означает один атом.

1. Найдём символ водорода H. После него стоит индекс ₂, значит, в молекуле два атома водорода.
2. Найдём символ кислорода O. Индекса после него нет, поэтому атом кислорода один.
3. Проверим, что речь об одной молекуле: коэффициента перед H₂O нет.

Ответ: в молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода.

Задача 2. Сравните модели молекул кислорода O₂ и углекислого газа CO₂: укажите число и виды атомов в каждой. Сначала прочитайте формулы, затем сравните, один или несколько видов элементов входят в каждую молекулу. Это заодно показывает, простое вещество перед нами или сложное.

1. В O₂ символ O и индекс ₂ означают два атома кислорода. Других символов в формуле нет.
2. В CO₂ символ C без индекса означает один атом углерода, а O₂ — два атома кислорода.
3. В O₂ есть атомы только одного элемента, поэтому кислород — простое вещество. В CO₂ представлены два элемента, значит, углекислый газ — сложное вещество.

Ответ: O₂ содержит два атома кислорода; CO₂ — один атом углерода и два атома кислорода.

Задача 3. В модели молекулы аммиака NH₃ обозначьте атомы азота и водорода и подсчитайте общее число атомов. Сопоставьте каждый символ формулы с видом атома в модели, а индекс используйте для подсчёта. Так можно проверить, правильно ли модель передаёт состав.

1. Символ N без индекса обозначает один атом азота. На модели ему соответствует один шарик, условно показывающий азот.
2. Символ H с индексом ₃ означает три атома водорода. Им соответствуют три шарика другого условного обозначения.
3. Сложим число атомов: 1 + 3 = 4. В модели одной молекулы должно быть четыре атома всего.

Ответ: один атом азота и три атома водорода, всего четыре атома.

Типичные ошибки

Нельзя считать молекулу и атом одним и тем же: молекула может состоять из нескольких атомов, а атом — частица, из которой образуются молекулы. Путаница возникает потому, что оба слова обозначают очень малые частицы. Проверьте себя: если в формуле есть несколько атомов, это состав молекулы, а не одного атома.

Шарики на модели не показывают реальные размеры атомов и молекул. Их рисуют крупными и разными по цвету, чтобы строение было легче рассмотреть. Условный вид модели может ввести в заблуждение, поэтому помните: картинка передаёт состав и расположение, но не масштаб.

Молекулы бывают не только из атомов одного вида: сложные вещества включают атомы разных химических элементов. Ошибку допускают, если ориентируются на пример молекулы простого вещества и переносят его на все вещества. Чтобы проверить себя, перечислите символы элементов в формуле: если их несколько, молекула включает разные виды атомов.

Индекс в формуле показывает число атомов данного элемента в одной молекуле, а коэффициент перед формулой — число молекул. Их путают, когда не замечают положение цифры относительно символа. Например, в 2H₂O две молекулы воды, в каждой из которых по два атома водорода и одному атому кислорода; проверяйте, стоит цифра перед формулой или после символа.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать названия веществ и понимать, что химические элементы обозначают специальными символами. Это позволяет увидеть, какие атомы входят в молекулу, и правильно прочитать индексы. Знание о молекулах пригодится при изучении тепловых явлений и диффузии — распространения частиц одного вещества среди частиц другого. Оно также помогает объяснять различия между твёрдыми телами, жидкостями и газами через расположение и движение частиц.

Что запомнить

• Вещества состоят из отдельных частиц — молекул.
• Между молекулами имеются промежутки.
• Молекулы состоят из атомов.
• Молекулы одного вещества имеют определённый состав и строение.
• Молекулы разных веществ могут состоять из одинаковых или разных видов атомов.
• Модели показывают состав и строение частиц условно, а не в истинном масштабе.