§ 1. Атомы, молекулы, вещества

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. В ядре находятся протоны и нейтроны, а электроны образуют окружающую его оболочку. Именно атомы служат основой химических элементов и участвуют в образовании веществ. Это понятие помогает описывать, из каких частиц складывается материя.

Молекула — электрически нейтральная частица, образованная связанными между собой атомами. Она сохраняет химические свойства вещества, хотя отдельные атомы в составе молекулы могут вести себя иначе, чем в свободном виде. Например, молекулу воды образуют атомы водорода и кислорода. Понятие молекулы нужно, чтобы говорить о составе вещества как о целом.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Вещество — материал с определённым составом и набором свойств. Поэтому слово «кислород» может обозначать химический элемент, то есть вид атомов, или простое вещество, состоящее из этих атомов. Различение помогает не путать обозначение атомов с конкретным материалом.

Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента, а сложное вещество — из атомов разных элементов. Так, O₂ — простое вещество, а H₂O — сложное. Классификация зависит от видов атомов, а не от их общего количества. Она позволяет определить тип вещества по его составу.

Как это устроено

Строение атома объясняет, почему атомы относят к разным элементам. В ядре положительный заряд создают протоны, и число протонов определяет заряд ядра. Поэтому у всех атомов одного элемента это число одинаково, а у атомов разных элементов — различается. Электроны имеют отрицательный заряд, и в нейтральном атоме их столько же, сколько протонов; именно так атом в целом не имеет заряда.

Атомы соединяются благодаря взаимодействию между ними: в результате возникают химические связи. Если частица состоит из нескольких связанных атомов и электрически нейтральна, её называют молекулой. Состав каждой молекулы задаётся тем, какие виды атомов в неё вошли и сколько атомов каждого вида соединено. Поэтому формула H₂O сообщает не просто название вещества, а состав одной его молекулы.

Молекулярное строение присуще не всем веществам, потому что атомы могут объединяться не только в отдельные молекулы. Например, в некоторых твёрдых веществах атомы образуют протяжённую структуру, а в других веществах частицы — это ионы, то есть заряженные атомы или группы атомов. Их взаимное расположение и притяжение создают единое вещество, а не набор отдельных молекул. Поэтому формулу такого вещества нельзя автоматически понимать как запись одной молекулы.

Простое или сложное вещество определяют по тому, сколько разных химических элементов входит в его состав. В O₂ два атома, но оба принадлежат одному элементу — кислороду, поэтому вещество простое. В H₂O три атома, которые относятся к двум элементам — водороду и кислороду, поэтому вещество сложное. Значит, общее число атомов и число видов элементов отвечают на разные вопросы.

В формуле молекулы символы показывают химические элементы, а маленькие цифры справа внизу от символа — число атомов этого элемента. В H₂ два атома водорода, а в O₂ — два атома кислорода; индекс относится только к символу перед ним. Если индекса нет, это означает один атом данного элемента: в H₂O у кислорода индекс не записан, значит, его атом один. Формула позволяет быстро прочитать состав, но сама по себе не сообщает, как именно атомы расположены в пространстве.

Атом, молекула и вещество: основные различия

Сначала определите, о чём говорит запись: об отдельном атоме, молекуле или веществе. Затем проверьте, какие элементы представлены символами и какие индексы стоят рядом с ними. Помните, что формула может описывать состав вещества, не являющегося молекулярным.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, что обозначают записи O и O₂: атом или молекулу; назовите число атомов кислорода в каждой. Нужно различить символ элемента и формулу частицы, а затем прочитать индекс. Не следует считать, что любая буква с индексом обозначает отдельный химический элемент. Записи рассматриваем в контексте частиц кислорода.

1. O — символ химического элемента кислорода; без индекса запись соответствует одному атому кислорода.
2. O₂ — формула молекулы кислорода, состоящей из связанных атомов; индекс 2 указывает, что атомов кислорода два.
3. Сопоставляем число атомов: в первой записи один, во второй — два. В обоих случаях представлен только один химический элемент — кислород.

Ответ: O — атом кислорода, один атом; O₂ — молекула кислорода, два атома.

Задача 2. Определите, является ли H₂O простым или сложным веществом, и укажите, сколько атомов каждого элемента входит в одну молекулу. Для этого нужно прочитать индексы, а затем посчитать не только все атомы, но и разные виды элементов. Отсутствие индекса тоже несёт информацию. Сравним состав записи с определением простого вещества.

1. В формуле H₂O записаны символы H и O, значит, в составе есть водород и кислород — два разных элемента.
2. Индекс 2 после H показывает два атома водорода; у O индекса нет, поэтому атом кислорода один.
3. Так как атомы принадлежат разным химическим элементам, вещество сложное. Всего в одной молекуле три атома.

Ответ: H₂O — сложное вещество; одна молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода.

Задача 3. В пробе содержатся молекулы O₂ и CO₂. Определите, какие из этих веществ простые, а какие сложные, и сколько всего атомов каждого элемента приходится на одну молекулу каждого вещества. Удобно сначала разобрать формулы по отдельности. Затем определяем число видов элементов и читаем индексы. Так мы не перепутаем количество атомов с количеством элементов.

1. В O₂ есть только символ O, поэтому представлен один химический элемент. Индекс 2 означает два атома кислорода; вещество простое.
2. В CO₂ есть символы C и O, то есть два разных элемента. Углерод записан без индекса — его атом один, а индекс 2 у кислорода означает два атома; вещество сложное.
3. Проверяем общий вывод: O₂ содержит два атома одного элемента, а CO₂ — три атома двух элементов. Именно виды элементов, а не общее число атомов, определяют простое или сложное вещество.

Ответ: O₂ — простое вещество, в молекуле два атома кислорода; CO₂ — сложное вещество, в молекуле один атом углерода и два атома кислорода.

Типичные ошибки

Считать химический элемент и простое вещество одним и тем же — значит смешивать вид атомов с материалом, который из них образован. Так происходит, потому что одно название часто используют в обоих контекстах. Проверяйте себя вопросом: речь о виде атомов или о веществе? Например, элемент кислород — это вид атомов, а O₂ — простое вещество.

Индекс в формуле иногда принимают за число молекул, хотя он показывает число атомов элемента в одной молекуле. Ошибка возникает из-за того, что цифра стоит рядом с символом, а не перед всей формулой. Проверьте, к какому символу относится маленькая цифра справа внизу. В H₂O индекс 2 относится к водороду, а не означает две молекулы воды.

Представление, будто любая частица вещества обязательно является молекулой, не учитывает немолекулярное строение. Обычно молекулы легче вообразить, поэтому их принимают за универсальную модель. Уточняйте, говорится ли о конкретном строении вещества: оно может состоять из атомов или ионов. Это помогает не называть молекулой любую частицу.

Называть вещество сложным только потому, что его молекула содержит несколько атомов, — неверный способ классификации. Причина ошибки — смешение числа атомов с числом видов элементов. Перечислите символы в формуле и посчитайте, сколько разных элементов они обозначают. В O₂ два атома, но один элемент, поэтому вещество простое.

Связь с другими темами

Для чтения формул нужно знать символы химических элементов и отличать символ одного элемента от записи состава вещества. Например, O обозначает элемент или атом кислорода, а O₂ — формулу молекулы кислорода. Это различие помогает не ошибаться при подсчёте частиц. На его основе изучают состав веществ и способы их записи.

Понятия атома, молекулы и вещества понадобятся при составлении и чтении уравнений химических реакций. Формулы показывают, какие частицы и вещества участвуют в реакции, а знание состава помогает правильно считать атомы. Позже эти представления связывают строение вещества с его свойствами. Так можно объяснять химические изменения, а не только запоминать их обозначения.

Что запомнить

• Атом — частица, из которой состоят химические элементы.
• Молекула состоит из связанных атомов и электрически нейтральна.
• Химический элемент — не то же самое, что простое вещество.
• Простое вещество состоит из атомов одного элемента, сложное — из атомов разных элементов.
• Индекс в формуле показывает число атомов элемента в молекуле.
• Не все вещества состоят из молекул.