§ 8. Молекулы. Атомно-молекулярная теория

Определения и обозначения

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из атомов одного или разных химических элементов, соединённых друг с другом. Например, молекула воды включает атомы водорода и кислорода. Понятие молекулы помогает представить, из каких частиц построено вещество и какая частица сохраняет его свойства.

Атом — наименьшая частица химического элемента, сохраняющая его принадлежность к этому элементу. В молекулах атомы соединяются в определённом составе и порядке. Например, атомы водорода могут входить в состав молекул воды. Представление об атомах помогает описывать состав молекул и различать элементы, из которых они образованы.

Атомно-молекулярная теория — учение о частицах, из которых состоят вещества, об их движении и взаимодействии. Согласно этому учению, наблюдаемые свойства веществ связаны с поведением очень маленьких частиц. Теория помогает объяснить, почему вещества смешиваются, меняют состояние и сохраняют свои свойства при обычных физических изменениях. Она связывает то, что можно наблюдать, с устройством вещества.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Например, после открытия флакона частицы пахучего вещества постепенно смешиваются с воздухом. Диффузия может происходить в газах и жидкостях, а в твёрдых телах идёт значительно медленнее. Это понятие помогает объяснить распространение вещества без перемещения всего тела целиком.

Как это устроено

Вещество можно делить на всё более мелкие части, потому что оно имеет дискретное строение, то есть состоит из отдельных частиц, а не представляет собой сплошную среду. При дроблении кусочки сначала остаются тем же веществом: их частицы сохраняют прежний состав. Однако делить можно лишь до молекул, сохраняющих химические свойства вещества. Если разрушить молекулы, изменится состав частиц, а значит, и само вещество.

Молекулы составлены из атомов, а их состав удобно записывать химической формулой. Символы показывают, атомы каких элементов входят в молекулу, а индексы справа от символов — сколько таких атомов в ней содержится. Например, H₂O означает два атома водорода и один атом кислорода. Индекс не указывают, если атом данного элемента в молекуле один, поэтому запись CO₂ содержит один атом углерода и два атома кислорода.

Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся, хотя само тело может казаться неподвижным. Это движение связано с тем, что частицы обладают энергией; при нагревании их движение обычно становится интенсивнее. В результате частицы одного вещества постепенно попадают в промежутки между частицами другого. Такое взаимное перемешивание называется диффузией и объясняет, например, почему газ в сосуде со временем распределяется по всему доступному объёму.

Частицы не только движутся, но и взаимодействуют: на близком расстоянии они притягиваются, а при чрезмерном сближении отталкиваются. Поэтому расстояния между ними не произвольны, а зависят от соотношения сил и энергии движения. В газе частицы расположены далеко друг от друга и свободно перемещаются; в жидкости они остаются близко, но меняют соседей. В твёрдом теле частицы удерживаются около определённых положений и главным образом колеблются.

Атомно-молекулярная теория позволяет объяснять видимые явления поведением невидимых частиц. Например, она связывает распространение запаха с движением частиц и объясняет различия между газом, жидкостью и твёрдым телом их расположением и подвижностью. При этом не каждое вещество состоит из отдельных молекул: некоторые имеют немолекулярное строение, где частицы образуют общую структуру. Поэтому теорию применяют с учётом того, как именно устроено конкретное вещество.

Частицы вещества и положения атомно-молекулярной теории

Сначала определите, о какой частице или явлении идёт речь, затем найдите его характеристику. Последний столбец показывает, как связать теорию с наблюдением или записью формулы. Таблица также напоминает, что атом и молекула — разные понятия.

Разбор задач

Задача 1. Рассмотрите формулу H₂O и укажите, из атомов каких элементов и в каком количестве состоит одна молекула воды. Нужно прочитать символы элементов и учесть индексы справа от них. Если индекса нет, атом этого элемента в молекуле один. Разберём формулу последовательно.

1. Найдём символы: H обозначает водород, O — кислород.
2. У H стоит индекс 2, значит, в молекуле два атома водорода.
3. У O индекса нет, значит, атом кислорода один.

Ответ: одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Проверка: в формуле указаны два элемента, а общее число атомов равно трём. Индекс 2 относится только к символу H перед ним.

Задача 2. В сосуде смешали два газа. Объясните, почему со временем их частицы распределяются по всему объёму. Само перемешивание не означает, что газы «затягивает» в какую-то часть сосуда. Нужно учесть беспорядочное движение частиц и наличие промежутков между ними. Это явление называют диффузией.

1. Частицы обоих газов непрерывно движутся в разных направлениях.
2. При движении частицы одного газа попадают в области, где находится другой газ.
3. Со временем частицы перемешиваются и распределяются по всему доступному объёму.

Ответ: газы смешиваются из-за непрерывного беспорядочного движения их частиц; взаимное проникновение частиц называется диффузией. В закрытом сосуде она приводит к распределению обоих газов по всему объёму. Учитывайте, что это не мгновенный процесс: частицы должны переместиться и перемешаться.

Задача 3. В образце содержится 4 молекулы CO₂. Определите общее число атомов углерода и кислорода. Сначала выясним состав одной молекулы по формуле, а затем умножим число атомов каждого элемента на число молекул. Не следует считать индекс числом молекул: он указывает число атомов внутри одной молекулы. Выполним подсчёт отдельно для каждого элемента.

1. В одной молекуле CO₂ один атом углерода: у C индекса нет.
2. В одной молекуле два атома кислорода: у O стоит индекс 2.
3. Для четырёх молекул умножаем: углерод — 4 × 1 = 4 атома, кислород — 4 × 2 = 8 атомов.

Ответ: в образце 4 атома углерода и 8 атомов кислорода, всего 12 атомов. Проверить результат можно, сложив числа атомов каждого элемента: 4 + 8 = 12. Такой способ подходит для подсчёта атомов в любом заданном числе одинаковых молекул.

Типичные ошибки

Ошибка: считать атом и молекулу одним и тем же. Это разные понятия: молекула может состоять из нескольких атомов, например H₂O. Путаница возникает потому, что некоторые молекулы состоят всего из одного атома. Проверяйте себя по формуле: если в ней несколько атомов, молекула и атом точно не одно и то же.

Ошибка: думать, что частицы неподвижны, если вещество выглядит неподвижным. Обычно видимое тело не перемещается целиком, но его частицы продолжают тепловое движение. Такое заблуждение возникает из-за того, что частицы нельзя разглядеть без специальных приборов. Проверка: вспомните, что диффузия и нагревание связаны с движением частиц, даже если движения всего тела не видно.

Ошибка: считать, что между частицами вещества нет промежутков. Если бы частицы занимали всё пространство без промежутков, объяснить их сближение, движение и различия между состояниями вещества было бы невозможно. Заблуждение появляется потому, что сплошной кусок вещества кажется непрерывным. Проверяйте себя, сравнивая расположение частиц в газе, жидкости и твёрдом теле: расстояния между ними различаются.

Ошибка: утверждать, что любое вещество состоит только из молекул. Некоторые вещества имеют немолекулярное строение, в котором частицы образуют общую структуру. Ошибка возникает, когда свойства знакомых молекулярных веществ без проверки переносят на все материалы. Если описываете состав вещества, не делайте вывод только по привычке: уточните, есть ли в нём отдельные молекулы.

Связь с другими темами

Для изучения строения вещества пригодятся знания о том, что вещества различаются составом и агрегатным состоянием. Также нужно уметь читать химическую формулу: символы обозначают элементы, а индексы показывают число атомов в молекуле. Атомно-молекулярная теория помогает объяснять диффузию и свойства агрегатных состояний. Она понадобится и при изучении химических реакций и расчётов по формулам, когда важно понимать, какие атомы и в каком количестве входят в состав вещества.

Что запомнить

• Вещества имеют дискретное строение: они состоят из частиц.
• Молекула состоит из атомов и сохраняет химические свойства вещества.
• Атомы служат строительными частицами молекул.
• Частицы вещества непрерывно движутся.
• Частицы взаимодействуют, притягиваясь и отталкиваясь.
• Диффузия происходит вследствие движения частиц.
• Не все вещества имеют молекулярное строение.