Химия Инфо

Атомы, молекулы и ионы

Кусочек меди, вода и воздух кажутся сплошными, но химия объясняет их свойства через строение из очень маленьких частиц. Важно различать атомы, молекулы и ионы: это разные понятия. Не каждое вещество состоит из отдельных молекул, а заряд частицы нельзя определить по числу символов в её формуле.

Атом и химический элемент

Атом — электронейтральная частица химического элемента, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов. Принадлежность к элементу определяется числом протонов в ядре.

В ядре находятся протоны и нейтроны; исключение среди обычных изотопов — водород-1, ядро которого содержит один протон и не содержит нейтронов. Электроны образуют электронную оболочку. Протон имеет заряд +1 в единицах элементарного заряда, электрон −1, нейтрон электрически нейтрален.

ЧастицаГде находится в атомеЗарядМасса в долях массы протона, приближённо
ПротонВ ядре+11
НейтронВ ядре01
ЭлектронВ электронной оболочке−1Около 1/1836 массы протона

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя ядро занимает очень малую часть его объёма. Типичные размеры атомов имеют порядок 10−10 м. Атом нельзя представлять твёрдым шариком с резкой поверхностью, а электрон — маленькой планетой с заданной круговой траекторией.

Условная модель ядра атома с протонами и нейтронами и окружающими электронами
Условная схема: размеры ядра и электронов не соответствуют масштабу, нарисованные линии не являются буквальными траекториями электронов.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым числом протонов. Порядковый номер Z в периодической системе равен этому числу. У всех атомов кислорода восемь протонов, у всех атомов натрия — одиннадцать. Сумму протонов и нейтронов называют массовым числом A. Это целое число для конкретного изотопа, а не порядковый номер и не средняя относительная атомная масса.

Z = число протонов; A = число протонов + число нейтронов.

Число нейтронов = A − Z; число электронов нейтрального атома = Z.

Атомы одного элемента с разными числами нейтронов называют изотопами. Например, углерод-12 и углерод-13 содержат по шесть протонов, но соответственно шесть и семь нейтронов. В обычной химической реакции ядро сохраняется, поэтому элемент остаётся тем же.

Химические символы

Каждый элемент обозначают символом: первая буква прописная, вторая, если есть, строчная. H — водород, O — кислород, C — углерод, N — азот, Na — натрий, Cl — хлор, Fe — железо, Cu — медь. Поэтому Co — символ кобальта, а CO — формула угарного газа, содержащего углерод и кислород. Регистр букв меняет смысл записи.

Символ элемента не всегда является формулой простого вещества. Кислород в обычном газообразном состоянии записывают O2, а не O: его молекула двухатомна. Для гелия используют He, поскольку газ состоит из отдельных атомов.

Молекулы

Молекула — электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более химически связанных атомов.

Атомы в молекуле могут принадлежать одному элементу, как в H2, O2 и O3, или разным, как в H2O и CO2. Нижний индекс показывает число атомов данного элемента; отсутствие индекса означает единицу. Одна молекула воды содержит три атома, но это не означает, что она является смесью трёх веществ.

Модели атома аргона и молекул азота, кислорода, воды, углекислого газа, озона и терпинеола
На схеме аргон представлен отдельным атомом, а остальные показанные частицы — молекулы. Цвета шариков условны. Терпинеол — пример органического вещества, которое может присутствовать среди летучих компонентов растительного происхождения.

Не все вещества молекулярны. В кристалле хлорида натрия расположены ионы, в алмазе атомы углерода связаны в протяжённую сетку, а металлы имеют особое немолекулярное строение. Поэтому выражения «молекула соли NaCl» и «одноатомная молекула гелия» в данном школьном описании заменяют на «формульная единица соли» и «атом гелия».

Формульная единица передаёт простейшее соотношение частиц в ионном веществе. Запись NaCl означает соотношение ионов натрия и хлорид-ионов 1 : 1, а не существование в кристалле отдельных пар, изолированных от соседей.

Ионы и их заряд

Ион — атомная или многоатомная частица с электрическим зарядом. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами.

Одноатомный ион образуется при потере или присоединении электронов. Потеря электронов даёт положительный заряд, присоединение — отрицательный. Число протонов при этом не меняется: натрий Na и ион Na+ относятся к одному элементу.

Заряд одноатомного иона в единицах e = число протонов − число электронов.

Ионы бывают одноатомными, например Mg2+ и Cl−, и многоатомными, например NH4+ и SO42−. Верхний индекс обозначает заряд всей частицы. В ионе аммония NH4+ один атом азота и четыре атома водорода; это не нейтральная молекула аммиака NH3.

В растворе соли ионы окружены молекулами воды и могут перемещаться. Однако само наличие ионов ещё не означает, что твёрдый кристалл проводит ток: для проводимости важна возможность перемещения заряженных частиц. Подробности рассматриваются в теме электролитов.

Три разобранных примера

1. Состав атома алюминия-27

У алюминия Z = 13, массовое число данного изотопа A = 27. В нейтральном атоме 13 протонов и 13 электронов. Число нейтронов:

N = 27 − 13 = 14.

Число 27 относится к этому изотопу. Для подсчёта нейтронов нельзя без уточнения подставлять округлённую среднюю атомную массу из таблицы вместо массового числа.

2. Что показывает формула Cu(NO3)2?

Индекс 2 после скобок относится ко всей группе NO3. В одной формульной единице нитрата меди(II) одному атому меди соответствуют два атома азота и шесть атомов кислорода:

Cu: 1; N: 1 · 2 = 2; O: 3 · 2 = 6.

В ионном кристалле это соотношение соответствует одному катиону Cu2+ и двум нитрат-ионам NO3−. Суммарный заряд равен нулю:

(+2) + 2 · (−1) = 0.

3. Сколько электронов в Mg2+?

У магния 12 протонов. Заряд +2 означает, что электронов на два меньше, чем протонов:

Число электронов = 12 − 2 = 10.

При образовании иона изменяется электронная оболочка, а не ядро. Из заряда +2 нельзя сделать вывод, что число нейтронов равно двум.

Масса частиц и частые ошибки

Абсолютные массы атомов очень малы. Для сравнения используют относительную атомную массу Ar, а для молекул — относительную молекулярную массу Mr; эти величины безразмерны. Средние атомные массы зависят от изотопного состава и часто нецелые. Их нельзя путать с массовым числом A или с молярной массой M, которую в школьных расчётах выражают в г/моль.

  • Нельзя считать порядковый номер суммой протонов и нейтронов: это число протонов.
  • Индекс внизу и заряд вверху имеют разный смысл: O2 и O2− — разные частицы.
  • Коэффициент перед формулой относится ко всей частице: 2H2O означает две молекулы воды, а не молекулу с изменённым составом.
  • Свойства большой порции не приписывают отдельной частице: одна молекула воды не является каплей жидкости.

Проверьте себя

  1. В атоме азота-14 Z = 7. Сколько протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме?
  2. Сколько атомов в молекуле O3? Является ли она смесью?
  3. У фтора Z = 9. Найдите число электронов в F−, а для фтора-19 — также число нейтронов.
  4. Какая частица NH4+: атом, нейтральная молекула или многоатомный ион? Сколько в ней атомов?
  5. Сколько атомов каждого элемента соответствует формульной единице Al2(SO4)3?

Ответы и объяснения

  1. Протонов 7, электронов 7. Число нейтронов находят вычитанием:

    N = 14 − 7 = 7.

  2. Три химически связанных атома кислорода. Это молекула озона, а не смесь веществ.
  3. Отрицательный заряд означает один дополнительный электрон; массовое число определяет сумму протонов и нейтронов:

    Число электронов = 9 + 1 = 10; N = 19 − 9 = 10.

  4. Многоатомный катион аммония, содержащий пять атомов. Заряд +1 относится ко всей группе.
  5. Два атома алюминия, три атома серы и двенадцать атомов кислорода. Индекс после скобок умножает число атомов каждого элемента внутри них:

    Al: 2; S: 1 · 3 = 3; O: 4 · 3 = 12; всего 2 + 3 + 12 = 17.

Связанные темы

Далее: простые и сложные вещества, атомно-молекулярная теория, относительная атомная и молекулярная масса, моль.

Источники

Определения сверены с IUPAC Gold Book: атом, химический элемент, молекула, ион. Подсчёт частиц и строение соединений: OpenStax о строении атома и ионных и молекулярных соединениях.