§ 8. Химические вещества построены из атомов и молекул

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента. В центре атома находится ядро, вокруг него — электроны; ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов задаёт заряд ядра и тем самым определяет элемент. Это понятие помогает понять, какие частицы называют атомами конкретного элемента.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных между собой атомов и сохраняющая основные химические свойства этого вещества. Атомы в молекуле удерживаются химическими связями, то есть взаимодействиями между ними. Например, молекула воды состоит из трёх атомов. Понятие молекулы позволяет описывать состав вещества на уровне отдельных частиц.

Химическое вещество — то, из чего состоят материальные тела; оно характеризуется определённым составом и свойствами. Например, стеклянный стакан — тело, а стекло — вещество, из которого он сделан. Одно и то же вещество можно использовать для создания предметов разной формы. Различие между телом и веществом помогает не путать предмет с его материалом.

Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы вместе в молекуле. Благодаря такой связи атомы не разлетаются в стороны, а образуют устойчивую частицу. В формулах отдельный знак связи обычно не записывают: состав передают символами элементов и индексами. Это понятие объясняет, почему атомы объединяются в молекулы.

Как это устроено

Представим металлическую ложку. Это материальное тело, сделанное из вещества — металла; вещество, в свою очередь, состоит из очень маленьких частиц. Так можно двигаться от предмета, который виден и который можно держать в руках, к невидимому устройству вещества. Такая последовательность связывает знакомые нам тела с частицами, из которых они состоят.

Атомы одного химического элемента имеют одинаковый заряд ядра, потому что в их ядрах одинаковое число протонов. Если число протонов изменится, это будет уже атом другого элемента. Поэтому химический элемент — это не конкретный предмет или образец вещества, а вид атомов. Различие зарядов ядер позволяет отличать атомы разных элементов друг от друга.

Атомы могут соединяться химическими связями и образовывать молекулы. В молекуле каждый вид атомов и их количество важны: они задают состав частицы, который записывают формулой. Например, формула H₂O сообщает о двух атомах водорода и одном атоме кислорода. Если изменить количество или вид атомов, получится частица с другим составом.

Некоторые молекулы состоят из атомов одного элемента, например O₂ — из двух атомов кислорода. Такие молекулы образуют простые вещества. В других молекулах соединены атомы разных элементов: в H₂O есть водород и кислород, а в H₂S — водород и сера. Поэтому по составу молекулы можно понять, к каким элементам относятся входящие в неё атомы.

Свойства отдельной частицы и свойства вещества — не одно и то же. Молекула представляет собой одну частицу, а образец вещества содержит огромное количество таких частиц; свойства вещества проявляются у всего их множества. Поэтому отдельную молекулу нельзя рассматривать как маленькую порцию вещества, которую можно увидеть или ощутить. Формула сообщает состав частицы, а не размер и не количество всего образца.

Сравнение атома и молекулы

Сначала определите, о какой частице говорится: об отдельном атоме или о группе связанных атомов. Затем сравните её состав и связь с химическим элементом. Помните, что таблица показывает общие различия, а молекулы есть не у всех веществ.

Разбор задач

Задача 1. Определите, сколько атомов каждого элемента входит в одну молекулу воды H₂O. Нужно расшифровать символы и индекс, не принимая формулу за обозначение нескольких молекул.

1. Находим в формуле символы: H — водород, O — кислород.
2. У H справа стоит индекс 2, значит, в одной молекуле два атома водорода.
3. У O индекса нет, поэтому кислород представлен одним атомом.

Ответ: молекула H₂O содержит два атома водорода и один атом кислорода. Индекс относится только к символу, после которого он записан.

Задача 2. Сравните молекулы O₂ и H₂O: укажите, атомы каких элементов и в каком количестве входят в каждую. Сначала разберём каждую формулу отдельно, а затем сравним получившийся состав.

1. В O₂ указан только кислород O, а индекс 2 означает два его атома.
2. В H₂O индекс 2 относится к водороду H, а у кислорода O индекса нет, значит, его атом один.
3. В первой молекуле есть атомы только одного элемента, во второй — двух разных элементов.

Ответ: O₂ состоит из двух атомов кислорода; H₂O — из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Следовательно, O₂ имеет простой состав, а H₂O — сложный.

Задача 3. В молекуле вещества содержатся два атома водорода и один атом серы. Запишите её формулу и объясните, что она сообщает о составе молекулы. Нужно поставить символы элементов и указать индекс там, где атомов больше одного.

1. Находим символы элементов: водород обозначается H, сера — S.
2. После H записываем индекс 2, поскольку атомов водорода два.
3. Для серы индекс не ставим: один атом в формуле обозначают просто символом S.

Ответ: формула — H₂S. Она сообщает, что в одной молекуле связаны два атома водорода и один атом серы; формула не указывает, сколько таких молекул находится в образце.

Типичные ошибки

Считать атом и молекулу одним и тем же — значит не замечать разницы между одной частицей элемента и группой связанных атомов. Такую ошибку допускают, потому что оба слова обозначают невидимые частицы вещества. Проверьте себя: может ли частица содержать несколько атомов? Если да, это молекула, а не отдельный атом.

Путать химический элемент и простое вещество — значит смешивать вид атомов с веществом, образованным такими атомами. Путаница возникает потому, что у них часто похожие названия, например кислород. Проверьте значение слова: элемент обозначает атомы с определённым зарядом ядра, а простое вещество состоит из атомов одного элемента.

Считать, что любая молекула содержит атомы только одного элемента, неверно: например, в воде есть водород и кислород. Ошибка появляется, если запомнить лишь примеры вроде O₂. Чтобы проверить себя, перечислите все символы в формуле: если их несколько, молекула включает разные элементы.

Индекс в формуле — не число молекул, а число атомов элемента в одной молекуле. Ошибку легко допустить, если читать цифру отдельно от символа. Проверьте себя: индекс относится к ближайшему символу слева, а отсутствие индекса означает один атом; число молекул обычно указывают коэффициентом перед формулой.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать названия и химические символы элементов, а также отличать тело от вещества. Представления об атомах и молекулах пригодятся, когда вы будете учиться записывать химические формулы и устанавливать состав веществ. Они помогают объяснить и химические реакции: при реакции исходные частицы превращаются в новые, а атомы перегруппировываются. Поэтому понимание частиц связывает формулы с тем, что происходит при превращениях веществ.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц.
• Атом — частица химического элемента.
• Молекула образована связанными атомами.
• В молекуле могут быть атомы одного или разных элементов.
• Химическая формула показывает состав частицы вещества.
• Индекс в формуле указывает число атомов элемента в молекуле.