Мнение о том, что все тела состоят из мельчайших, невидимых, вечно движущихся частиц – атомов, выразил древнегреческий философ Демокрит 2500 лет назад. Однако доказать это экспериментально он не мог. Учение об атомах и молекулах разработал в середине XVIII века русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
М. В. Ломоносов
Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Более конкретные представления об атомах возникли значительно позже в результате развития физики и химии, которые базировались на научном эксперименте. То, что атомы действительно существуют, было подтверждено экспериментально. Так, при пропускании постоянного электрического тока сквозь воду в аппарате для разложения воды, в одной из трубок (1) прибора собирается газ, в котором тлеющая лучина ярко вспыхивает. Это – кислород. В другой трубке (2) вдвое больше газа, занимающегося от зажженной лучины. Это – водород. Процесс разложения воды можно описать так: мельчайшая частица воды (молекула воды), образованная двумя атомами Гидрогена и одним атомом Оксигена, при пропускании постоянного электрического тока разлагается на атомы. Затем одинаковые атомы из разложенных молекул соединяются по два.
Рис. 30. Аппарат для разложения воды.
Рис. 31. Схема разложения молекулы воды (а) и образования молекул водорода (б) и кислорода (в).
Из двух молекул воды образуется одна двухатомная молекула кислорода (из атомов Оксигена) и две двухатомные молекулы водорода (из атомов Гидрогена).
С изобретением оптических приборов, дающих очень большое увеличение, удалось наблюдать атомы.
Рис. 32. Атомы Никола и Платины.
Каждое тело во вселенной, даже самая отдаленная звезда состоит из атомов. Отдельные атомы слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть, но объединившись вместе, они образуют все известные химические вещества. Некоторые из этих веществ твердые или жидкие и видимые, другие же газообразные и невидимые. Самая крошечная частица, которую можно разглядеть в обычный микроскоп, состоит из десяти миллиардов атомов.
Что представляет собой атом? Каково его строение?
Атомы имеют сложное строение. Они состоят из протонов, нейтронов и электронов. Каждая из этих частиц имеет определенную массу. Массы протонов и нейтронов почти одинаковы (mp+ = 1,0073, mn0= 1,0086 в а.е.м.), а масса электрона в 1840 раз меньше массы протона (me–= 0,00055).
Каждый атом имеет ядро и электронную оболочку.
Рис. 33. Строение атома: а) электронный слой с электронами; б) ядро с протонами и нейтронами.
Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из более крупных по сравнению с электроном частиц протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена основная масса атома. Элементарные частицы ядра содержатся так называемыми ядерными силами. Вокруг ядра в значительной расстоянии от него вращаются совсем маленькие частицы – электроны, образующие отрицательно заряженную электронную оболочку атома.
Электроны удерживаются у ядра атома силами электрического притяжения, поскольку имеют противоположный протонам заряд.
Масса электрона очень мала, поэтому можно считать, что вся масса атома сконцентрирована в ядре.
Рис. 34. Сравнение массы ядра и электрона.
Однако радиус ядра атома в десятки раз меньше радиуса атома с электронами, размещенными в электронном слое. Число протонов в атоме равно числу электронов, поэтому атом в целом электронейтрален. Число протонов совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице элементов. Д. И. Менделеева.
Например, ядро атома Гидрогена состоит только из одного протона с зарядом +1 и одного электрона. Порядковый номер Гидрогена равен единице.
Рис. 35. Строение атома Гидрогена.
У атома Гелия два протона и два нейтрона в ядре и два электрона вокруг ядра.
Рис. 36. Строение атома Гелия.
В переводе с греческого языка слово «атом» означает «неделимый». В настоящее время известно, что их атомы можно разделить на более мелкие частицы.
Ионы
Как нам уже известно, атом является электронейтральным. Атом Гидрогена состоит из ядра с зарядом +1 и электрона с зарядом –1. Но если из атома Гидрогена извлечь электрон, баланс зарядов нарушится, останется частица, представляющая собой ядро атома с зарядом +1. Ее обозначают Н+ и называют ионом Гидрогена.
Атомы некоторых химических элементов легко и охотно теряют или приобретают электроны, превращаясь в заряженные частицы. Атомы металлических элементов обычно легко теряют от одного до трех электронов, превращаясь в положительно заряженные ионы или катионы: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Al3+, Fe3+. Атомы неметаллических элементов, наоборот, лучше присоединяют к себе электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы или анионы: Cl–, O2–, S2–, N3–, C4–. Да, атому Литию выгодно отдать свой один электрон, а атому Флуора выгодно принять один электрон. При этом атом Лития превращается в положительно заряженный ион Li+, а атом Флуора – в отрицательно заряженный ион F–.
|
Атом Лития Li0 |
Ион Лития Li+ |
 |
|
|
Атом Флуора F0 |
Флуорид-ион F— |
 |
|
Положительный ион содержит больше протонов, чем электронов.
Отрицательный ион содержит больше электронов, чем протонов.
В переводе с греческого слово «ион» означает «уходящий» – в электрическом поле заряженные частицы в отличие от электронейтральных, способны двигаться.
Следовательно, при взаимодействии между собой атомы могут терять или присоединять электроны и становиться заряженными (положительно или отрицательно). Различные атомы могут отдавать или подключать годовое число электронов.
Способность атома присоединять или отдавать электроны зависит от заряда ядра, числа электронов в электронном слое и расположения электронов вокруг ядра.
Они могут существовать самостоятельно, однако их свойства отличаются от свойств атомов. Атомы Гидрогена, например, образуют двухатомные молекулы водорода, которые существуют в газообразном состоянии, ионы Гидрогена существуют в растворах и придают кислотам кислый вкус. Атомы Хлора образуют простое вещество Cl2 – ядовитый газ желто-зеленого цвета с резким запахом. Атомы Натрия, сочетаясь между собой, образуют простое вещество – серебристо-белый твердый металл с металлическим блеском. Поваренная соль NaCl образована ионами Na+ и Cl–, бесцветное кристаллическое вещество без запаха, неядовитое, нет металлического блеска.
Ионы, как правило, образуются в процессе растворения веществ.
Молекулы
Атомы могут по-разному сочетаться друг с другом. Как при составлении букв алфавита образуются сотни тысяч разных слов, так из атомов образуются либо молекулы, либо кристаллы разных веществ. В состав молекулы могут входить от двух одинаковых или разных атомов, а могут несколько десятков, сотен и даже тысяч.
Рис. 37. Схема молекулы ДНК.
Молекула представляет собой определенную группу крепко связанных атомов. Слово происходит от латинского «moles», что означает «очень маленькая масса».
Из молекул построено много веществ. Известно, например, несколько веществ, образованных всего из двух видов атомов: атомов Оксигена и атомов Гидрогена. К таким веществам относятся: водород, кислород, озон, вода.
Рис. 38. Схема молекул: а) два атома Гидрогена образуют молекулу водорода; б) два атома Оксигена образуют молекулу кислорода; в) три атома Оксигена образуют молекулу озона; г) одна молекула водорода и две молекулы кислорода образуют две молекулы воды.
Два атома Гидрогена, соединяясь между собой, образуют молекулу водорода. Два атома Оксигена образуют молекулу кислорода, три атома Оксигена – молекулу озона. Два атома Гидрогена и один атом Оксигена образуют молекулу воды. В этой молекуле атом Оксигена связан с каждым из атомов Гидрогена.
Нельзя говорить, что молекула сохраняет все свойства вещества, потому что физические свойства вещества – плотность, жесткость, температура плавления и другие – предопределяются совокупностью молекул данного вещества, характером его внутреннего строения.
Можно ли сказать: «алмаз состоит из атомов Карбона, обладающих чрезвычайной твердостью»?
Подобно молекулам, атомы – структурные единицы вещества характеризуют его химический состав и химические свойства.
Итог
- Атомы состоят из электронов, протонов, нейтронов. Протоны и нейтроны расположены в ядре атома, а электроны – в электронной оболочке.
- Молекула – электронейтральная частица вещества, состоящая из нескольких атомов.
- Йон – это заряженный атом.
- Утрата атомом электронов превращает его в положительно заряженный ион.
- Присоединение атомом электронов превращает его в отрицательно заряженный ион.
?
- Что такое атом?
- Что такое молекула?
- Что такое ион?
- Из каких частиц состоит атом?
- Чем отличаются протоны от электронов?
- Почему атом электронейтрален?
- Почему масса атома сосредоточена в ядре?
- В каком случае атом превращается в ион?
Цифры и факты
• Если положить в ряд 200 миллиардов атомов Гидрогена, то образуется «нить» длиной всего один метр.
• В одной капельке воды насчитывается сто квинтиллионов атомов. Число, которое в нашей системе счисления изображается единицей с 20 нулями.
• Крошечная частица пыли, едва видимая невооруженным глазом, состоит из квадриллиона (1015) атомов.
• Самый легкий из атомов – атом Гидрогена, самый тяжелый из существующих в природе – атом Урана. Его масса в 238 раз превышает массу атома Гидрогена.
• Экран монитора и телевизора – это часть катодной трубки, на которой поток электронов рисует световое изображение.
Любознательным
У атома Гидрогена есть один электрон, который вращается вокруг ядра атома миллиарды раз за миллионную долю секунды и таким образом придает атому форму и заставляет его вести себя так, будто он сплошной. Чтобы понять, насколько атом пуст, попробуйте представить соотношение между размером ядра атома гидрогена и расстоянием до его электрона. Если бы это ядро, состоящее из одного протона, было величиной с теннисный мячик, то электрон бы вращался вокруг него на расстоянии трех километров.
Рис. 38. Модель атома Гидрогена.
• Многие молекулы имеют специфический запах. Так молекулы гидрогена сульфида H2S, – образуют газ, который имеет неприятный запах протухших яиц. Достаточно заменить один единственный атом Сульфура одним атомом Оксигена, чтобы этот запах исчез и образовалось новое вещество – вода.
Домашний эксперимент
Атоми. Ионы
На свежий срез картофелины капните разбавленный раствор йода: появится синий цвет – это в присутствии молекул йода (J2) посинел крахмал, который находится в картофеле. На это же место на картофелине капни немного раствора натрий сульфита (Na2SO3), синяя окраска быстро исчезает.
Под действием натрия сульфита йод превратится в заряженный ион J–, а в таком состоянии он уже не взаимодействует с крахмалом.
