Атомы, молекулы и ионы

# Учение о молекулах и атомах

Древнегреческий философ Демокрит предположил 2500 лет назад, что все тела состоят из невидимых, мельчайших, неделимых и вечно движущихся частиц — атомов, что в переводе означает «неделимый».

Учение о молекулах и атомах в основном было разработано в XVIII–XIX вв.
М. В. Ломоносов утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ учёный объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них.

Джон Дальтон — английский учёный, основоположник атомно-молекулярного учения. Тем не менее некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные Ломоносовым за полвека до Дальтона, оказались более достоверными и научными. Например, английский учёный отрицал возможность существования молекул, образованных одинаковыми атомами.

Атомно-молекулярное учение получило окончательное признание только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.

# Атомы

Атомы — это мельчайшие химически (но не физически) неделимые частицы из которых состоят молекулы.
Молекулы, в отличие от атомов, являются химически делимыми частицами!

Мельчайшими частицами, сохраняющими характерные химические свойства таких веществ, являются атомы. Так, из отдельных атомов состоят благородные газы — гелий, неон, аргон и др. 

# Элементарные частицы

Атомы имеют сложное строение. Ядро находится в центре любого атома и состоит из протонов и нейтронов, имеющих общее название — нуклоны (от англ. nucleus — ядро).

Протон является частицей с положительным зарядом, так как обладает зарядом равным заряду электрона, но противоположным по знаку (+1), и массу (она принята в химии за единицу), примерно равную массе атома водорода. В условных единицах заряд протона равен +1. Символ протона — ₁p или p⁺.

Нейтрон является нейтральной частицей с зарядом равным 0 (нулю) и имеют массу, примерно равную массе протона, то есть 1. Символ нейтрона — ₀n или n⁰.

Электрон обладает отрицательным зарядом и равен -1. Электроны движутся вокруг ядра. Символ электрона — е^-. Масса электрона ничтожна мала и ее не учитывают при расчете массы атома. Таким образом, можно сказать, что вся масса атома сосредоточена внутри ядра.

Массовое число — это сумма чисел протонов и нейтронов в атоме. Обозначают ее буквой A.

Например, массовое число атома алюминия расчитывают так:

$\underset{протоны}{\overset{\text{Z}}{13}}+\underset{нейтроны}{\overset{\text{N}}{14}}=\underset{массовое число}{\overset{\text{A}}{27}}$

Ядра атомов всегда положительно заряжены, так как состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. 

Элементарные частицы — это протоны, нейтроны и электроны.

Атомы электронейтральны так как содержат равное число протонов и электронов. В атоме сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных зарядов. Ядра различных атомов содержат разное число протонов и нейтронов. Порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева соответствует количество протонов и нейтронов.

# Основные характеристики элементарных частиц

# Заряд ядра

Заряд ядра является главной характеристикой любого атома. Заряд ядра равен числу протонов и обозначается буквой Z.

Химический элемент — это разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра.

На сегодняшний день (на 2021 год) известно 118 химических элементов. У каждого элемента свое название и символ (химический знак). Символы интернациональны и состоят из одной или двух букв латинского названия элемента.

# Размеры атомов

Различные химические элементы имеют разные массы и размеры своих атомов.

Атомы имеют форму шара, именно поэтому их размеры характеризуются радиусом и диаметром.

Самый маленький атом у водорода (H). Приблизительно его диаметр равен $1 * {10}^{-8}см, или 1 * {10}^{-10}м$. Диаметр атома хлора равен $\approx 1,8 * {10}^{-8}см$ и т.д.

Такие малые величины принято выражать в ангстремах (Å) и нанометрах (нм):

В этих единицах диаметр атома водорода приблизительно равен 1Å, или 0,1нм. Массы атомов также являются очень малыми величинами.

Массы атомов, выраженных в обычных единицах массы (г или кг) — называются абсолютными атомными массами и обозначаются m_a.

Атом водорода имеет самую маленькую массу:
m_a(H) = 1,67 * 10^-27кг = 1,67 * 10^-24г

Значения абсолютных масс атомов углерода и кислорода:

Очень неудобно вести расчеты с такими малыми величинами, поэтому в химии используют относительные атомные массы вместо абсолютных атомных масс. 

# Атомная единица массы

За единицы атомных масс принимается 1/12 часть абсолютной массы атома углерода С. Представьте, что атом углерода это шарик и мысленно разделите его на 12 равных частей. Масса одной части и будет атомной единицей массы. 

Атомная единица массы (а.е.м.) — это 1/12 часть абсолютной массы атома углерода.

Зная абсолютную массу атома углерода, можно выразить а.е.м. в килограммах или в граммах:

$1а.е.м.=\frac{m_a\left(C\right)}{12}=\frac{19,93*{10}^{-27}}{12}=1,66*{10}^{-27}кг=1,66*{10}^{-24}г$

Относительная атомная масса элемента — это число, которое показывает, во сколько раз абсолютная масса атома данного элемента больше 1/12 части абсолютной массы атома углерода, т.е. атомной единицы массы.

Относительная атомная масса обозначается символом A_r (индекс «r» — первая буква английского слова «relative» в переводе «относительный»). 

Относительная атомная масса элемента X равна:
$A_r\left(X\right)=\frac{m_a\left(X\right)}{1/12m_a\left(C\right)}=\frac{m_a\left(X\right)}{1 а.е.м.}$

Относительная атомная масса водорода:
$A_r\left(H\right)=\frac{m_a\left(H\right)}{1 а.е.м.}=\frac{1,67*{10}^{-27}кг}{1,66*{10}^{-27}кг}\approx 1$

Относительная атомная масса кислорода:
$A_r\left(O\right)=\frac{m_a\left(O\right)}{1 а.е.м.}=\frac{26,67*{10}^{-27}кг}{1,66*{10}^{-27}кг}\approx 16$

Видно, что масса атома водорода приблизительно равна массе 1/12 части атома углерода, а масса атома кислорода приблизительно в 16 раз больше массы 1/12 части атома углерода.

Внимание! Относительные атомные массы элементов, как и любые относительные величины — безразмерны.

Обычно используют приблизительные значения относительных атомных масс. К примеру:

# Молекулы

Атомы могут друг с другом соединяться. Результатом этого соединения являются более сложные частицы — молекулы. Состав молекулы определяет состав всего вещества. Различия в химических свойствах веществ обусловлены различиями в составе и строении молекул, из которых состоят эти вещества.

Молекула — мельчайшая частица вещества, способная существовать самостоятельно, сохраняющая его состав и химические свойства.

Состав любой молекулы можно выразить химической формулой. Молекула водорода имеет формулу H₂. Число «2» в этой формуле показывает число атомов водорода в молекуле водорода. Числа, показывающие сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы, называют индексами. 

Молекула хлороводорода имеет формулу HCl, так как она состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. Молекула воды имеет формулу H₂O. Эта формула показывает, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Молекула серной кислоты (H₂SO₄) состоит из двух атомов водорода H, однго атома серы S и четырех атомов кислорода O.

Есть молекулы, в составе которых находятся несколько одинаковых групп атомов. В формулах таких молекул эти группы атомов заключают в скобки, а индекс за скобками показывает количество этих групп в молекуле. Например, формула Cu(NO₃)₂ показывает, что в молекуле есть один атом меди и две группы атомов NO₃, то есть двух атомов азота и шести атомов кислорода.

# Качественный и количественный состав

Таким образом, химические формулы показывают качественный и количественный состав молекул.

Качественный состав показывает, из каких атомов состоит молекула.
Пример:
молекулы воды (H₂O) и пероксида водорода (H₂O₂) состоят из атомов водорода (H) и кислорода (O), а молекула углекислого газа (CO₂) — из атомов углерода (C) и кислорода (O).

Количественный состав показывает, сколько атомов каждого вида содержится в молекуле.
Пример:
молекула воды (H₂O) состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), а молекула пероксида водорода (H₂O₂) — из двух атомов водорода (H) и двух атомов кислорода (O).

Закон постоянства состава (Ж. Пруст, Франция, 1808 год) гласит:
Каждое чистое вещество имеет постоянный качественный и количественный состав, который не зависит от способа получения вещества.

В молекулах может быть разное число атомов, например:

• У инертных газов гелия (He), неона (Ne), аргона (Ar), криптона (Kr), ксенона (Xe), радона (Rn), оганесона (Og) молекулы одноатомные.
• Молекулы кислорода (O₂), водорода (H₂), азота (N₂), хлора (Cl₂), брома (Br₂), иода (I₂) двухатомные.
• Молекула озона (O₃) состоит из 3 атомов, а серы (S₈) — из 8.
• Молекула этилового спирта (C₂H₆O) содержит 2 атома углерода, 6 атомов водорода и 1 атом кислорода, а молекула сахара (C₁₂H₂₂O₁₁) — 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода.

Модели молекул и названия веществ, входящих в состав лесного воздуха:

То, сколько и каких именно атомов содержится в молекуле определяет ее химические свойства, а также порядок в котором соединены друг с другом атомы в молекуле.

Пример:
молекулы кислорода (O₂) и озона (O₃) отличаются только количественным составом. Кислород — газ без запаха. Необходим живым организмам для дыхания. Озон имеет запах, может вызывать отравление.

# Масса молекулы

Масса любой молекулы равна сумме масс образующих ее атомов. Если при расчете массы молекулы используются относительные атомные массы, то получается относительная молекулярная масса, обозначаемая символом M_r.

 Относительная молекулярная масса воды H₂O:
$M_r\left(H_{2}O\right)=A_r\left(H\right)+A_r\left(H\right)+A_r\left(O\right)=2A_r\left(H\right)+A_r\left(O\right)=2*1+16=18$ 

Относительная молекулярная масса сульфата железа (III) Fe₂(SO₄)₃:
${\mathrm{M}}_{\mathrm{r}}\left[{\mathrm{Fe}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3\right]=2{\mathrm{A}}_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{Fe}\right)+3{\mathrm{A}}_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{S}\right)+12{\mathrm{A}}_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{O}\right)=2*56+3*32+12*16=400$

Относительная молекулярная масса вещества M_r — это число, показывающее во сколько раз абсолютная масса молекулы данного вещества больше 1/12 части абсолютной массы атома углерода C. 
Эта величина безразмерная.

Например, относительная молекулярная масса воды M_r(H₂O) = 18. Это значит, что масса молекулы воды в 18 раз больше 1/12 части массы атома углерода. 

# Массовая доля

По формуле вещества можно рассчитать массовую долю каждого химического элемента, который ходит в состав вещества.

Массовая доля (ω) химического элемента в данном веществе равна отношению относительной атомной массы данного элемента, умноженной на число его атомов в молекуле, к относительной молекулярной массе вещества:
$\mathrm{\omega }\left(\mathrm{X}\right)=\frac{{\mathrm{A}}_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{X}\right)*\mathrm{n}}{{\mathrm{M}}_{\mathrm{r}}}$
здесь 
ω(X) — это массовая доля элемента X (безразмерна!);
A_r(X) — относительная атомная масса элемента X;
n — число атомов элемента X в молекуле вещества;
M_r— относительная молекулярная масса вещества.

Массовые доли обычно выражают в процентах, для этого умножим на 100%:
$\omega \%\left(X\right)=\frac{A_r\left(X\right)*n}{M_r}*100\%$

Пример:

Массовая доля водорода и кислорода в воде (H₂O)
$\omega \%\left(H\right)=\frac{A_r\left(H\right)*2}{M_r\left(H_{2}O\right)}*100\%=\frac{1*2}{18}*100\%=11,1\%$

$\omega \%\left(O\right)=100\%-\omega \%\left(H\right)=100\%-11,1\%=88,9\%$

# Разложение воды

Молекулы разрушаются до атомов и не сохраняются, когда происходит химическая реакция.

Можно ли доказать с помощью опыта, что молекулы состоят из атомов? Да, можно. И вот, например, как. Если пропускать через воду постоянный электрический ток, то в одной из трубок прибора собирается газ в котором тлеющая лучинка ярко вспыхивает — это кислород (O₂). В другой трубке собирается двое больше газа, который может загорается от зажженной лучины — это водород.
Объясняется этот опыт так. Молекула воды — это мельчайшая частица из которой состоит вода. Эта молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При прохождении тока через воду происходит распад молекул воды на химически неделимые атомы кислорода и водорода. Затем атомы соединяются по два и из двух молекул воды образуются одна двухатомная молекула кислорода и две — водорода.

# Ионы

При взаимодействии атомов друг с другом одни атомы могут терять, а другие присоединять электроны. В таком случае нарушается электронейтральность атома (у одного атома электронов становится больше или меньше, чем протонов) и атом превращается в заряженную частицу — ион.

Ионы — это положительные или отрицательно заряженные частицы, в которые превращаются атомы или группы атомов в результате отдачи или присоединения электронов

Когда атом теряет один или несколько электронов, то его называют положительно заряженным ионом — ведь в таком случае у атома больше положительно заряженных частиц — протонов. Атом, присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом (подумайте почему).

Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу.

# Классификация ионов

Ионы классифицируют по различным признакам:

• по знаку заряда — на катионы (положительно заряженные ионы — при возникновении электрического тока они будут двигаться к отрицательному электроду — катоду) и анионы (отрицательно заряженные ионы — при возникновении электрического тока они будут двигаться к положительному электроду — аноду);
• по наличию водной оболочки — на гидратированные и негидратированные;
• по составу — на простые (состоят из одинаковых химических элементов, например: Na⁺, Mg²⁺, Cl^-) и сложные (состоят из разных химических элементов, например: ${\mathrm{SO}}_3^{-2}$, ${\mathrm{NH}}_3^{+}$, ${\mathrm{SO}}_4^{-2}$).

В растворе (или расплаве) электролитов ионы движутся хаотически. 

Растворы электролитов электронейтральны, потому что в этих растворах сумма зарядов катионов равна сумме зарядов анионов

При пропускании через раствор (или расплав) электрического тока положительно заряженные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательно заряженные ионы движутся к положительно заряженному электроду (аноду).

К катионам относятся ион водорода H⁺, ион аммония (${\mathrm{NH}}_4^{+}$); ионы металлов Na⁺, K⁺, Fe²⁺, Al³⁺ и другие.
К анионам относятся гидроксид-ион OH^-, ионы кислотных остатков I^-, Br^-, Cl^-, ${\mathrm{NO}}_3^{-}$ и другие.

# Названия и символы важнейших химических элементов

# Примеры произношения символов в химических формулах:

• H₂O — «аш-два-о»;
• Ca₃(PO₄)₂ — «кальций-три-пэ-о-четыре-дважды»;
• NaCl — «натрий-хлор»;
• Al₂(SO₄)₃ — «алюминий-два-эс-о-четыре-трижды»;
• AgNO₃ — «аргентум-эн-о-три»;
• [Fe(OH)₂]₂S — «феррум-о-аш-дважды-дважды-эс».