1. Атомы

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его принадлежность к этому элементу. Атомы одного элемента имеют одинаковый состав и свойства, хотя сами элементы различаются. Это понятие помогает описывать, из каких частиц построено вещество.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Элемент обозначает целую разновидность атомов, а не одну конкретную частицу: например, атом кислорода — отдельная частица, а кислород как элемент — вид таких атомов. Различие нужно, чтобы не путать название вида частиц с названием одной из них.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных атомов и сохраняющая химические свойства вещества. Атомы в молекуле соединены в определённом сочетании, поэтому молекула воды отличается от молекулы другого вещества. Понятие молекулы позволяет объяснять состав вещества и его свойства.

Атомно-молекулярное учение — представление о том, что все вещества состоят из отдельных частиц, находящихся в непрерывном движении. Частицами могут быть атомы, молекулы и другие образования. Это учение связывает наблюдаемые свойства вещества с движением и строением его частиц.

Как это устроено

Вещество нельзя считать сплошным: оно складывается из отдельных атомов и молекул, между которыми есть промежутки. Частицы настолько малы, что обычным глазом нельзя рассмотреть ни их, ни промежутки между ними. Однако вещество кажется непрерывным, потому что в привычном образце находится огромное число частиц, и глаз не различает каждую отдельно.

Молекулы возникают, когда атомы соединяются в определённых сочетаниях. Число атомов и то, к каким элементам они относятся, могут быть разными, поэтому состав молекул разных веществ не совпадает. Например, молекула воды H₂O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а иной набор атомов образует другое вещество.

Атомы не видны невооружённым глазом из-за чрезвычайно малых размеров. Мы непосредственно наблюдаем свойства образца — например, его цвет или плотность, — но не отдельные частицы, из которых он составлен. Их существование подтверждают опытом: наблюдаемые изменения вещества можно объяснить, если считать, что оно состоит из частиц.

Атомы разных химических элементов отличаются, прежде всего, зарядом ядра; у атомов одного элемента этот заряд одинаков. Состав частиц задаёт, какие атомы могут соединяться и какие молекулы образуются. Поэтому различие в составе и строении частиц связано с различием свойств веществ: вода и кислород, например, имеют разные молекулы и ведут себя по-разному.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, поэтому со временем частицы могут перемешиваться. Частицы запаха, покинувшие источник, перемещаются в воздухе и достигают носа, из-за чего запах распространяется по комнате. По той же причине вещества смешиваются даже без перемешивания рукой: их частицы постепенно проникают между частицами другого вещества.

Частицы вещества и их особенности

Сравнивай частицы по тому, из чего они состоят и какие свойства сохраняют. Так проще увидеть, что атом относится к элементу, а молекула — к веществу. В примерах указан один из возможных вариантов, а не единственный вид атома или молекулы.

Разбор задач

Задача 1. Объясни, почему кусок железа и железные опилки состоят из частиц одного и того же вида. Нужно сравнить не размер и форму образцов, а то, из какого элемента они состоят.

1. Кусок и опилки получены из железа, поэтому оба образца относятся к одному веществу.
2. Железо как химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Изменение формы и размера образца не превращает атомы железа в атомы другого элемента.
3. Следовательно, оба образца состоят из атомов железа, хотя число частиц в каждом образце и их расположение различаются.

Ответ: и кусок железа, и железные опилки состоят из атомов одного химического элемента — железа.

Задача 2. Сколько атомов содержится в молекуле воды H₂O и какие элементы в неё входят? Индекс в формуле показывает число атомов соответствующего элемента; если индекса нет, атом один.

1. Индекс 2 после H означает, что в молекуле два атома водорода.
2. После O индекса нет, значит, в молекуле один атом кислорода.
3. Складываем число атомов: 2 + 1 = 3. Виды атомов — водород и кислород.

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

Задача 3. Как оценить число молекул в капле воды, если известны её объём и примерный размер молекулы? Точные значения для расчёта должны быть заданы; если их нет, численный ответ получить нельзя. Для оценки представим молекулу как крошечную частицу с характерным размером d.

1. Запишем объём капли V и выразим его в единицах, согласованных с размером d.
2. Для грубой оценки примем объём одной частицы равным d³. Это упрощение: реальная молекула не обязательно имеет форму куба.
3. Разделим объём капли на примерный объём одной молекулы: N ≈ V / d³. Получится оценка числа частиц, а не точный подсчёт.

Ответ: число молекул оценивают как N ≈ V / d³; для численного результата нужны заданные значения объёма капли и размера молекулы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать атом и молекулу одним и тем же. Так можно подумать, потому что и то и другое — частицы вещества, однако молекула может включать несколько связанных атомов. Проверка: спроси себя, можно ли указать, из каких атомов состоит частица; если да, перед тобой описание молекулы.

Ошибка: утверждать, что атом абсолютно неделим. Такое представление возникает из старого значения слова «атом», но атом имеет внутреннее строение: ядро и электроны. В этой теме его рассматривают как частицу химического элемента, а не как частицу без частей. Проверяй, не смешиваешь ли роль атома в химическом составе с его внутренним устройством.

Ошибка: путать химический элемент и вещество. Элемент — вид атомов, а вещество может состоять из атомов одного или нескольких элементов. Например, в воде есть атомы водорода и кислорода. Для проверки определи, говоришь ли ты о разновидности атомов или о материале с определёнными свойствами.

Ошибка: считать, что между частицами нет промежутков и что они неподвижны. Так кажется, если судить только по цельному виду предмета, но распространение запаха и смешивание объясняются движением частиц. Проверка: представь вещество как множество частиц, разделённых промежутками и находящихся в непрерывном движении.

Связь с другими темами

До изучения атомов полезно знать, что вещества имеют физические свойства и могут смешиваться. Эти наблюдения становятся понятнее, если рассматривать вещество как совокупность частиц, а не как сплошную массу. Состав частиц помогает связать свойства образца с его строением.

Представление о движущихся частицах подготавливает изучение диффузии и броуновского движения. Диффузией называют взаимное проникновение частиц разных веществ, а броуновское движение связано с беспорядочными толчками частиц окружающей среды. Обе темы показывают, как поведение частиц проявляется в наблюдаемых явлениях.

Модель частиц пригодится при изучении агрегатных состояний, давления и температуры. Она также помогает разбирать химические явления, при которых изменяется состав и соединение частиц. Поэтому понятия атома и молекулы становятся основой для дальнейших тем физики и химии.

Что запомнить

• Все вещества состоят из отдельных частиц.
• Атом — частица химического элемента.
• Молекулы состоят из связанных атомов.
• Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении.
• Между частицами вещества есть промежутки.
• Свойства вещества связаны с составом и строением его частиц.