2. Молекулы

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может быть настолько малой, что её нельзя увидеть невооружённым глазом. Это понятие нужно, чтобы объяснять свойства вещества не только в целом, но и через его частицы.

Атом — частица химического элемента, входящая в состав молекулы. Молекула может состоять из одинаковых атомов, например H₂, или из разных, например H₂O. Различая атомы и молекулы, легче понимать состав любого вещества.

Молекулярное строение вещества — представление о веществе как о совокупности отдельных молекул, разделённых промежутками. Частицы постоянно находятся в движении, хотя само вещество может казаться неподвижным. Такая модель помогает объяснять диффузию, сжимаемость и другие свойства тел.

Химическая формула — запись состава молекулы с помощью символов химических элементов и индексов. Индекс показывает число атомов элемента в одной молекуле, а отсутствие индекса означает один атом. Формула позволяет быстро определить состав частицы и вести подсчёты для целого образца.

Как это устроено

Молекулы нельзя увидеть глазом, но их существование подтверждается наблюдаемыми явлениями. Например, запах духов постепенно распространяется по комнате, потому что частицы вещества движутся и перемешиваются с частицами воздуха. Диффузия, испарение и сжимаемость газов получают понятное объяснение, если считать вещество состоящим из очень малых движущихся частиц.

Одно вещество образовано множеством молекул определённого состава. В стакане воды находятся не одна-две, а огромное количество одинаковых молекул H₂O. Свойства вещества зависят от состава и строения его молекул, поэтому вода, кислород и углекислый газ ведут себя по-разному.

Внутри молекулы атомы соединены между собой. Важно не только, какие атомы входят в частицу, но и как они расположены и связаны друг с другом. Поэтому изменение состава или порядка соединения атомов может привести к появлению другого вещества с другими свойствами.

Размеры молекул чрезвычайно малы, поэтому обычные предметы кажутся сплошными. Оценить порядок их размеров можно по опытным данным: если очень тонкую плёнку распределить по большой площади, толщину слоя сопоставляют с числом частиц в нём. Такие оценки показывают, что размеры молекул имеют порядок 10⁻⁹–10⁻¹⁰ м, хотя точное значение зависит от вещества.

Формулу читают как состав одной молекулы, а не как описание всего образца. В записи CO₂ символ C означает один атом углерода, а индекс ₂ после O — два атома кислорода. Если перед формулой стоит число, например 3H₂O, оно показывает число молекул: это три молекулы воды, в каждой из которых по два атома водорода и одному атому кислорода.

Состав и запись простейших молекул

Сначала найдите индекс возле каждого символа, а затем сложите числа атомов в одной молекуле. Буква без индекса означает один атом, а число перед формулой показывает количество молекул в образце. В последней строке таблицы N — любое заданное число молекул.

Разбор задач

Задача 1. По формулам H₂, O₂ и H₂O определите, сколько атомов каждого вида содержится в одной молекуле каждого вещества. Нужно читать индексы только внутри формулы и помнить, что отсутствие индекса означает единицу.

1. В H₂ индекс 2 относится к водороду: одна молекула содержит два атома H.
2. В O₂ индекс 2 относится к кислороду: одна молекула содержит два атома O.
3. В H₂O индекс 2 показывает два атома H, а после O индекса нет, значит, атом кислорода один.

Ответ: H₂ — 2 атома водорода; O₂ — 2 атома кислорода; H₂O — 2 атома водорода и 1 атом кислорода.

Задача 2. Сколько всего атомов содержится в пяти молекулах воды H₂O? Сначала определим количество атомов в одной молекуле, затем учтём, что одинаковый состав повторяется пять раз.

1. В одной молекуле H₂O: 2 + 1 = 3 атома.
2. В пяти молекулах: 3 · 5 = 15 атомов.
3. Проверим по видам: водорода 2 · 5 = 10 атомов, кислорода 1 · 5 = 5 атомов, всего 10 + 5 = 15.

Ответ: в пяти молекулах воды содержится 15 атомов, из них 10 атомов водорода и 5 атомов кислорода.

Задача 3. В образце содержится 3 · 10²² молекул углекислого газа CO₂. Определим общее число атомов углерода и кислорода, не смешивая подсчёты разных элементов.

1. Одна молекула CO₂ содержит 1 атом углерода и 2 атома кислорода.
2. Число атомов углерода равно 1 · 3 · 10²² = 3 · 10²².
3. Число атомов кислорода равно 2 · 3 · 10²² = 6 · 10²².

Ответ: в образце 3 · 10²² атомов углерода и 6 · 10²² атомов кислорода. Всего атомов будет 9 · 10²², если требуется найти их общее количество.

Типичные ошибки

Ошибка: считать молекулу и атом одним и тем же. Так происходит, когда внимание обращают только на название частицы, а не на её состав. Проверьте себя: спросите, может ли данная частица включать несколько атомов; если да, это молекула, а не отдельный атом.

Ошибка: принимать индекс в формуле за число молекул. Индекс относится к символу элемента и показывает число его атомов внутри одной молекулы. Чтобы найти число молекул, ищите отдельное число перед всей формулой.

Ошибка: считать, что между молекулами нет промежутков. Такое представление возникает потому, что промежутки слишком малы и не видны в обычной жизни. Вспомните молекулярную модель: частицы разделены промежутками, а в газах их относительный размер особенно заметен.

Ошибка: ожидать, что молекулы одного вещества видны как отдельные крупные частицы. Молекулы имеют чрезвычайно малые размеры, поэтому глаз воспринимает множество частиц как сплошное вещество. Если объект виден, это обычно образец вещества, а не отдельная молекула.

Связь с другими темами

Для изучения молекул нужны знания о веществах, химических элементах и символах элементов. Представление о частицах станет основой темы о строении вещества, тепловом движении, диффузии и агрегатных состояниях. Позже молекулы помогут объяснить химические реакции и физические свойства веществ.

Что запомнить

• Вещества состоят из мельчайших частиц — молекул.
• Молекула сохраняет химические свойства соответствующего вещества.
• Молекулы состоят из атомов.
• Молекулы одного вещества имеют одинаковый состав.
• Индекс в формуле показывает число атомов элемента в одной молекуле.
• Молекулы разделены промежутками, а их размеры чрезвычайно малы.