§ 7. Атомы, молекулы и ионы

Определения и обозначения

Атом — электронейтральная частица вещества, состоящая из ядра и электронов. Ядро несёт положительный заряд, а электроны — отрицательный. В нейтральном атоме их заряды взаимно компенсируются, поэтому частица в целом не заряжена. Это понятие помогает описывать мельчайшие частицы химических элементов.

Молекула — частица вещества, состоящая из атомов, соединённых химическими связями. Связи удерживают атомы вместе, а молекула сохраняет основные химические свойства вещества. Например, молекулы воды состоят из атомов водорода и кислорода. Это определение нужно, чтобы понимать, из каких частиц построено вещество.

Ион — заряженная частица, образующаяся из атома или группы атомов при отдаче или присоединении электронов. Потеря электронов даёт положительный заряд, а присоединение — отрицательный. Ионы важны для описания состава веществ и процессов, в которых участвуют заряженные частицы.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Именно число протонов отличает один элемент от другого. Например, все атомы кислорода имеют по восемь протонов, хотя число нейтронов у них может различаться. Понятие элемента позволяет объединять атомы с одинаковым строением ядра.

Как это устроено

В центре атома находится ядро, а вокруг него располагаются электроны. Ядро содержит протоны и нейтроны, причём протоны имеют положительный заряд, а нейтроны заряда не имеют. Поэтому общий заряд ядра зависит только от числа протонов: каждый протон добавляет к нему одну положительную единицу. Электроны не входят в ядро и несут отрицательный заряд.

В нейтральном атоме количество электронов совпадает с количеством протонов. Каждый электрон компенсирует по величине заряд одного протона, но имеет противоположный знак. Поэтому при сложении зарядов получается ноль. Если числа электронов и протонов не совпадают, частица уже не является нейтральным атомом, а имеет заряд.

Число протонов задаёт принадлежность атома к химическому элементу, потому что именно оно определяет заряд ядра. Если число протонов изменилось бы, ядро стало бы ядром другого элемента. Число нейтронов может быть другим, не меняя принадлежность к элементу: нейтроны не влияют на заряд ядра. Поэтому атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но могут отличаться числом нейтронов.

Атомы соединяются друг с другом химическими связями, потому что такое соединение может быть устойчивым. Группа связанных атомов образует молекулу, а её состав показывают химической формулой. Символы в формуле обозначают химические элементы, а нижний индекс справа от символа показывает число атомов этого элемента. Если индекса нет, подразумевается один атом: формула H₂O означает два атома водорода и один атом кислорода.

Ион появляется, когда атом или группа атомов отдаёт либо присоединяет электроны. При потере электронов отрицательных зарядов становится меньше, чем положительных, поэтому возникает положительный ион. При присоединении электронов отрицательный заряд преобладает, и частица становится отрицательным ионом. Число протонов не меняется, потому что электронный обмен затрагивает электроны, а не ядро.

Сравнение атома, молекулы и иона

Сначала определите, какие частицы входят в состав объекта, затем обратите внимание на его заряд. Формула молекулы показывает атомный состав, а заряд иона записывают справа вверху. Нулевой суммарный заряд означает, что частица в целом нейтральна.

Разбор задач

Задача 1. У атома натрия 11 протонов и 11 электронов. Определите его суммарный заряд.

Нужно сравнить количество положительных и отрицательных зарядов. Каждый протон даёт +1, а каждый электрон — −1. Нейтроны в условии не указаны, но для расчёта электрического заряда они не нужны.

1. Положительный заряд протонов равен +11.
2. Отрицательный заряд электронов равен −11.
3. Складываем: +11 + (−11) = 0.

Ответ: суммарный заряд атома натрия равен нулю, он нейтрален.

Задача 2. Атом магния потерял два электрона. Запишите образовавшийся ион и укажите его заряд.

Потеря электронов означает уменьшение числа отрицательных зарядов. Число протонов в ядре остаётся прежним, поэтому после потери электронов положительный заряд начинает преобладать. Число потерянных электронов показывает величину заряда иона.

1. Обозначаем магний символом Mg.
2. Атом потерял два электрона, значит, его заряд стал +2.
3. Записываем заряд справа вверху от символа: Mg²⁺.

Ответ: образовался положительный ион Mg²⁺ с зарядом +2.

Задача 3. В частице два атома водорода и один атом кислорода. Запишите формулу и определите, является ли частица молекулой или ионом, если её суммарный заряд равен нулю.

Количество атомов определяет индексы в формуле, а общий заряд помогает отличить нейтральную частицу от иона. Символ водорода — H, кислорода — O. Индекс 1 обычно не пишут, а индекс 2 ставят после H.

1. Записываем символы элементов: H и O.
2. Для двух атомов водорода ставим индекс 2; для одного атома кислорода индекс не нужен. Получаем H₂O.
3. Суммарный заряд равен нулю, поэтому это нейтральная молекула, а не ион.

Ответ: формула — H₂O; частица является молекулой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать атом бесструктурной частицей. Так думают, потому что на простых схемах атом иногда изображают одним условным знаком. Но атом состоит из ядра и электронов, и именно их заряды помогают объяснить, почему он бывает нейтральным или превращается в ион. Проверка: при объяснении строения назовите обе части — ядро и электроны.

Ошибка: путать заряд ядра с зарядом атома. Ядро положительно заряжено, но нейтральный атом в целом заряда не имеет, поскольку его электроны компенсируют заряд протонов. Путаница возникает, если учитывать только ядро. Проверка: сравните числа протонов и электронов; если они равны, атом нейтрален.

Ошибка: считать, что при образовании иона меняется ядро. Ион образуется при отдаче или присоединении электронов, а число протонов остаётся прежним. Ошибка появляется из-за того, что заряд частицы меняется и это принимают за изменение самого элемента. Проверка: проследите, что изменилось — число электронов, а не число протонов.

Ошибка: принимать индекс за заряд. Нижний индекс показывает количество атомов элемента в формуле, а не электрический заряд частицы. Их можно спутать, потому что обе записи располагаются рядом с символом элемента. Проверка: индекс стоит справа внизу, а заряд иона — справа вверху, например H₂ и Mg²⁺.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать символы химических элементов и понимать, что в ядре есть протоны и нейтроны, а вокруг него — электроны. Эти знания помогают связывать состав атома с его зарядом и принадлежностью к элементу. Позже различие между атомами, молекулами и ионами понадобится при изучении химической связи, потому что оно объясняет, какие частицы соединяются. Оно также помогает читать химические формулы, определять состав веществ и разбирать химические реакции.

Что запомнить

• Ядро атома содержит протоны и нейтроны, вокруг него находятся электроны.
• Заряд ядра определяется числом протонов.
• В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.
• Молекула состоит из связанных атомов.
• Ион имеет электрический заряд.
• Потеря электронов образует положительный ион, присоединение — отрицательный.
• При образовании иона ядро атома не изменяется.