Атомно-молекулярное учение. Химические элементы

В этом уроке вы узнаете, из каких частиц состоит всё вокруг, как из небольшого набора атомов собираются миллионы разных веществ и как химические реакции перестраивают этот невидимый конструктор. Вы научитесь отличать простые вещества от сложных и узнаете секрет их удивительного многообразия.

Молекулы и атомы

Закипающий чайник выпускает в воздух пар, который затем оседает прозрачными каплями на холодном оконном стекле. Этот привычный круговорот происходит потому, что вода состоит из отдельных частиц — молекул. Понятие «молекула» пришло из семнадцатого века, когда ученый Пьер Гассенди использовал латинское слово, означающее «чрезвычайно маленькая масса».

Вы уже знаете из курса физики, что молекулы постоянно движутся. В химии важно другое: именно от этих частиц зависят химические свойства конкретного вещества.

Если мы попробуем мысленно заглянуть внутрь капли воды, то обнаружим, что сами молекулы не являются сплошными. Они напоминают крошечные сцепленные детали конструктора, которые называют атомами. Даже на кончике тонкой стальной швейной иглы помещаются миллиарды атомов, настолько они малы. В настоящее время науке известно $118$ различных видов атомов.

Каждый химический элемент может существовать в трех разных формах: 

• в виде изолированных одиночных атомов
• в составе простых веществ
• в виде сложных соединений

Например, в жаркой атмосфере Солнца, которое более чем наполовину состоит из водорода, этот элемент существует в виде свободных атомов. На нашей планете условия другие, поэтому здесь два атома водорода прочно соединяются вместе, образуя молекулу газа.

{"questions":[{"instruction":"Выберите верное утверждение, описывающее соотношение атома и молекулы","content":"[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["Молекулы состоят из атомов.","Атомы состоят из молекул.","Атомы и молекулы имеют одинаковый размер.","Молекулы являются химически неделимыми частицами."],"answer":[0]}},"explanation":"Атомы представляют собой наименьшие химически неделимые частицы, из комбинаций которых строятся молекулы.","hints":["Вспомните аналогию с деталями конструктора, которые соединяются вместе.","Обратите внимание на то, какая частица названа в тексте химически неделимой."]}]}

Простые и сложные вещества

Если вы посмотрите на обычный железный гвоздь или вдохнете глоток чистого воздуха, вы столкнетесь с простыми веществами.

К ним относятся металлы, а также знакомые нам газы — кислород и азот. Из $90$ химических элементов, которые встречаются в дикой природе, ученые смогли насчитать более $400$ различных простых веществ.

Причина такого численного расхождения кроется в явлении, которое называют аллотропией. Атомы одного и того же элемента способны связываться в совершенно разные структуры.

Например, атомы кислорода могут объединяться по двое, создавая бесцветный газ кислород, или по трое, образуя голубоватый резкий газ озон. 

Атомы углерода могут выстраиваться в сверхпрочный прозрачный кристалл алмаза, мягкий серый графит или круглую молекулу фуллерена, напоминающую футбольный мяч.

Когда атомы разных элементов объединяются, возникают сложные вещества. В молекуле прозрачной питьевой воды атомы водорода соседствуют с кислородом, а в невидимом углекислом газе с кислородом связан углерод. Нам известно свыше $100$ миллионов сложных веществ. Это невероятное разнообразие похоже на русский язык: всего $33$ буквы алфавита создают десятки тысяч слов, так и $90$ природных элементов собирают весь окружающий мир.

{"questions":[{"instruction":"Какое из перечисленных веществ является сложным по своему составу?","content":"[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["Углекислый газ","Озон","Алмаз","Графит"],"answer":[0]}},"explanation":"Углекислый газ состоит из атомов двух разных элементов — углерода и кислорода, в то время как остальные варианты состоят из атомов одного элемента.","hints":["Сложные вещества обязательно состоят из атомов нескольких разных элементов.","Вспомните, какие модификации образует чистый углерод или чистый кислород."]}]}

Положения атомно-молекулярного учения

Такое разнообразие простых и сложных веществ подчиняется строгим правилам, которые ученые объединили в общую систему. Истоки этих представлений лежат в глубокой древности, но в 1741 году российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов сформулировал основы, которые позже развил английский исследователь Джон Дальтон. Эти правила получили название атомно-молекулярного учения.

Перестройка частиц и типы строения веществ

Когда мы включаем электрический прибор или наблюдаем за горением, вокруг могут происходить скрытые химические превращения. 

Так, если пропустить электрический ток через обычную воду, ее молекулы полностью разрушатся до свободных атомов, которые тут же перегруппируются в молекулы газов — водорода и кислорода.

Долгое время считалось, что абсолютно всё вокруг состоит исключительно из молекул. Однако физические исследования показали, что это не так. Огромное количество твердых тел вокруг нас, таких как белая поваренная соль, кристаллическая сода или фиолетовая марганцовка, построены не из молекул, а из ионов. 

Из-за этого в химии разделяют вещества молекулярного и немолекулярного строения:

• Вещества молекулярного строения состоят из отдельных молекул или изолированных атомов.
• Вещества немолекулярного строения представляют собой бесконечный каркас из атомов или заряженных ионов. Кристаллы алмаза или крупицы кварца не имеют внутри себя отдельных молекул, они прочно сцеплены во всех направлениях.

{"questions":[{"instruction":"Кто в 1741 году сформулировал основные положения атомно-молекулярного учения?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Михаил Васильевич Ломоносов","Пьер Гассенди","Джон Дальтон","Демокрит"],"answer":[0]}},"explanation":"В 1741 году основы атомно-молекулярного учения были сформулированы именно М. В. Ломоносовым.","hints":["Этот российский ученый возродил идеи древних философов в восемнадцатом веке.","Английский физик Джон Дальтон развил это учение позже."]},{"instruction":"Выберите вещество, которое относится к простым веществам молекулярного строения","content":"[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Озон","Алмаз","Кварц","Корунд"],"answer":[0]}},"explanation":"Озон является простым веществом (состоит только из кислорода) и имеет молекулярное строение.","hints":["Простые вещества содержат в себе атомы только одного вида.","Алмаз и кварц имеют немолекулярную структуру."]},{"instruction":"Что происходит с молекулами исходных веществ в ходе химической реакции?","content":"[[choice-3]]","widgets":{"choice-3":{"type":"choice","options":["Связи между атомами изменяются, и образуются новые вещества.","Они остаются неизменными, но сжимаются.","Они превращаются в ионы без изменения связей.","Они увеличивают свою массу в два раза."],"answer":[0]}},"explanation":"При химических реакциях одни химические связи разрываются, а другие образуются. Атомы перегруппировываются, образуя новые вещества. Полного распада молекул на отдельные атомы при этом не требуется.","hints":["Вспомните пример с разложением молекул воды под действием тока.","Рассмотрим, что сохраняется при химической реакции: атомы не исчезают, но связи между ними изменяются."]},{"instruction":"Как называется способность одного химического элемента образовывать несколько разных простых веществ?","content":"[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["Аллотропия","Диффузия","Электролиз","Модификация"],"answer":[0]}},"explanation":"Способность элемента образовывать несколько простых веществ называют аллотропией.","hints":["Этот термин объясняет, почему из одного углерода получаются и графит, и алмаз.","Само явление создает аллотропные видоизменения."]}]}

Часто задаваемые вопросы