§ 6. Атоми. Молекули

Ще понад дві тисячі років тому вчені замислювалися над тим, із чого складаються речовини. Розмірковуючи над цим питанням, відомий давньогрецький філософ Демокріт припустив, що всі речовини мають складатися з певних частинок із дуже маленькими масами. Він назвав їх атомами, що означає «неподільні».

Існування атомів було доведено порівняно недавно, лише в XIX столітті, і разом із тим учені встановили, що атом не є неподільною частинкою. Атом складається з ядра, навколо якого рухаються електрони. Ядро будь-якого атома позитивно заряджене, а електрони мають негативний заряд. За рахунок цього електрони притягуються до ядер й обертаються навколо них на певних відстанях. У такий спосіб утворюється атом.

Заряд в електронів дуже маленький. Частинок із меншим зарядом у природі не існує, тому заряд електрона приймають за одиницю. Оскільки він негативний, то заряд електрона становить -1. Заряд ядер атомів також вимірюється в умовних одиницях, але зі знаком «+». В атомах позитивний заряд ядер нейтралізується негативним зарядом електронів, унаслідок чого атом не має електричного заряду. Якщо заряд ядра атома дорівнює +1, то такий атом містить один електрон (у сумі +1 – 1 = 0), а якщо заряд ядра дорівнює +3, то атом містить три електрони і т. д.

Атоми — це найдрібніші електронейтральні частинки речовини, які складаються з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів, що рухаються навколо ядра.

На початку XX століття датський фізик Ернест Резерфорд запропонував одну з перших моделей будови атомів. Він порівнював атом із Сонячною системою (мал. 49, 50, с. 54). Але це порівняння дуже приблизне, оскільки атом має складнішу будову, з якою ви ознайомитеся в наступному класі.

Мал. 49. Будова Сонячної системи. Планети обертаються навколо Сонця

Мал. 50. Будова атома. Електрони обертаються навколо ядра атома

Розміри атомів дуже маленькі — близько 10 -10 м (0,0000000001 м), а ядро атома ще менше: його діаметр становить близько 10 -15 м (0,000000000000001 м), тобто в сто тисяч разів менший, ніж діаметр атома.

Дізнайтеся більше

У природі електронейтральні атоми трапляються досить рідко. Найчастіше в результаті певних дій (здебільшого в хімічних реакціях) атоми віддають або приєднують електрони. У цьому випадку заряд ядра вже не компенсується зарядом електронів, і атом перетворюється на електрично заряджену частинку. Такі частинки називають йонами.

Якщо атом приєднує електрони, то в нього з’являється надмірний негативний заряд і він перетворюється на негативно заряджений йон із зарядом -1.

Відповідно, якщо атом приєднує два електрони, то заряд йона дорівнює -2:

Якщо ж атом втрачає електрони, то він перетворюється на позитивно заряджений йон. Заряд йона, який утворюється внаслідок втрати атомом одного електрона, дорівнює +1:

Якщо ж атом втрачає два або три електрони, заряд його йона дорівнює відповідно +2 або +3:

Багато речовин складаються з протилежно заряджених йонів, зокрема звичайні кухонна сіль та сода.

Звичайна кухонна сіль складається з йонів, тобто є речовиною йонної будови

Із різних атомів можуть «складатися» різноманітні молекули. Атоми з’єднуються один з одним у певному порядку за допомогою особливих хімічних зв’язків.

В одній молекулі може об’єднуватися різне число атомів, причому атоми можуть сполучатися в різному порядку. У цьому випадку утворюються молекули різних речовин. Наприклад, молекула кисню складається з двох атомів, молекула води — з трьох, а молекула сахарози — із сорока п’яти. Якщо атоми умовно уявити у вигляді маленьких кульок, то молекули матимуть вигляд набору різних кульок певної форми та розмірів (мал. 51).

Мал. 51. Моделі молекул: а — вуглекислого газу; б — води; в — кисню; г — сахарози. Моделі можна зображувати як кульки, що перекриваються, або як кульки, сполучені зв’язками в одну молекулу

Склад та будова молекул речовин зумовлюють їхні властивості. Різні речовини мають різні молекули, а отже, й різні властивості.

Молекули — це найдрібніші частинки речовини, здатні існувати самостійно і є носіями хімічних властивостей речовин.

Властивості молекул суттєво впливають не тільки на хімічні, але й на фізичні властивості речовин. Якщо молекули важкі та щільно розташовані одна відносно одної, то така речовина буде мати значну густину. Якщо молекули сильно притягуються одна до одної, то таку речовину складно розплавити та випарити. Кожна молекула має певну форму й розмір, від цього залежить, чи матиме речовина запах. А здатність молекул поглинати видиме світло визначатиме колір речовини.

Хоча поняття про найдрібніші частинки речовини і термін «атом» існують ще з античних часів, термін «молекула» в хімічній мові з’явився порівняно недавно. Одним із перших учених сучасної хімії був Роберт Бойль. Найдрібніші частинки речовини він назвав «корпускулами», що латиною означає «маленьке тіло», «тільце» або «частинка». Через півстоліття ці частинки стали називати «масовими частинками» або «мас-корпускулами». А оскільки латиною слово «маса» вимовляється як «молес», то «молес-корпускули» згодом скорочено перетворилися на «молекули».

Атоми і молекули в речовинах

Молекули та атоми — це частинки, з яких складаються речовини. Коли ми говоримо про найдрібніші частинки речовини, то майже завжди маємо на увазі молекули. Молекули бувають найрізноманітнішими. Наприклад, молекула кисню складається з двох атомів, а молекула сірки трохи більша — вона складається з восьми атомів. Молекули білків, що містяться у складі всіх живих організмів, набагато більші, у них налічується сотні тисяч, а іноді й мільйони атомів (мал. 52).

Мал. 52. Молекули речовин молекулярної будови: а — молекула води складається з трьох атомів; б — сірки — з восьми; в — білка — із сотень тисяч

Існують речовини, молекули яких складаються лише з одного атома. До них належить, наприклад, гелій (газ, яким наповнюють повітряні кульки), а також деякі інші речовини. Про речовини, які складаються з молекул, говорять, що вони мають молекулярну будову.

У багатьох речовинах взагалі важко виділити окремі молекули. Наприклад, алмази складаються з атомів, які дуже міцно зв’язані один з одним (мал. 53). Можна сказати, що кожний алмаз — це одна величезна молекула (супермолекула), яка складається із сотень тисяч мільярдів атомів. Таких речовин доволі багато, і щодо них термін «молекула» зазвичай взагалі не застосовують. Про такі речовини говорять, що вони складаються з атомів і мають атомну будову. Атомну будову мають метали, кварц, графіт і багато інших речовин.

Мал. 53. Алмаз складається з величезної кількості атомів, з’єднаних один з одним у певному порядку. Він має атомну будову

Дізнайтеся більше

Структура речовин дуже впливає на їхні фізичні властивості. Між окремими молекулами взаємодія значно слабша, ніж між атомами або йонами, тому речовини молекулярної будови дуже крихкі й характеризуються низькими температурами плавлення та кипіння. Якщо речовина за звичайних умов перебуває в рідкому або газоподібному станах, то вона однозначно має молекулярну будову.

Тверді речовини молекулярної будови при нагріванні зазвичай досить легко розплавляються. До речовин із молекулярною будовою належать вода, кисень, азот, вуглекислий газ, сірка, поліетилен, спирт тощо.

Речовини немолекулярної будови за звичайних умов завжди перебувають у твердому агрегатному стані. Завдяки сильній взаємодії між атомами та йонами вони мають високі температури плавлення та кипіння.

1. Речовини можуть складатися з атомів та молекул. Найдрібнішою хімічно неподільною частинкою речовини є атом. Атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються негативно заряджені електрони (кожний електрон має заряд -1).

2. Число електронів в атомі дорівнює заряду ядра атома. Унаслідок цього атом — електронейтральна частинка.

3. Атоми з’єднуються один з одним, утворюючи молекули. У молекулі може міститися різне число атомів: від двох до мільйонів.

4. Молекула — найдрібніша частинка речовини, що є носієм її властивостей. Склад і будова молекул зумовлюють як хімічні, так і фізичні властивості речовин.

Контрольні запитання

1. З яких частинок можуть складатися речовини?

2. Які частинки називають атомами, молекулами?

3. Із чого складаються атоми?

4. Який заряд мають атомні ядра й електрони?

5. Чим відрізняються атоми від молекул?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. У складі атомів містяться заряджені частинки, проте атоми є електронейтральними. Чому?

2. Як змінюється заряд атомів, якщо вони віддають або приєднують електрони?

3. Скільки електронів міститься у складі атома, якщо заряд його ядра дорівнює +8?

4. Чи відрізняються розміри атомів і молекул? Чому? Яка частинка менша?

5. Чим відрізняються за складом і властивостями речовини молекулярної і немолекулярної будови?

6. У протонів — частинок у ядрі атомів — та електронів заряди однакові за величиною, але протилежні за знаком. Якщо в атомі міститься 15 протонів, то скільки електронів буде в цьому атомі?

7. Скільки атомів буде міститися в молекулі, якщо вона утворилася об’єднанням однієї молекули води й однієї молекули вуглекислого газу?

8. Визначте заряд частинки, якщо вона містить: а) ядро із зарядом +26 та 26 електронів; б) ядро із зарядом +8 та 10 електронів; в) ядро із зарядом +11 та 10 електронів; г) ядро із зарядом +6 та 6 електронів; д) ядро із зарядом +9 та 10 електронів; е) ядро із зарядом +12 та 10 електронів.

9. Сірка складається з молекул, що містять по 8 атомів, а в графіті окремих молекул виділити неможливо. Яку з цих речовин легше розплавити?

10 * . Знайдіть у додаткових джерелах інформацію про характерні властивості молекул та їхній вплив на властивості речовини.

• Якщо атом збільшити до розмірів яблука, то в такому разі яблуко збільшиться до розмірів земної кулі.

• У чайній ложці води атомів у вісім разів більше, ніж чайних ложок води в Атлантичному океані.

• Платон вважав, що найдрібніші частинки речовини (матерії) мають вигляд правильних багатогранників.

2. Молекули

Молекули — найдрібніші частинки речовини, здатні існувати самостійно, що є носіями хімічних властивостей речовин.

Молекули води і гідроген пероксиду складаються з атомів Гідрогену і Оксигену, а молекула вуглекислого газу — з атомів Карбону і Оксигену.

Кількісний склад показує, скільки атомів кожного виду міститься в молекулі.

Молекула води складається з двох атомів Гідрогену і одного атому Оксигену, а молекула пероксиду водню — з двох атомів Гідрогену і двох атомів Оксигену.

В інертних газах гелію, неону, аргону, криптону, ксенону, радону молекули одноатомні .

Молекула етилового спирту містить \(2\) атоми Карбону, \(6\) атомів Гідрогену і \(1\) атом Оксигену, а молекула цукру — \(12\) атомів Карбону, \(22\) атоми Гідрогену і \(11\) атомів Оксигену.

Хімічні властивості молекули визначаються тим, скільки і яких атомів у ній міститься, а також в якому порядку вони з’єднані між собою.

Молекули кисню і озону відрізняються тільки кількісним складом. Кисень — газ без запаху, необхідний живим організмам для дихання. Озон має запах, може викликати отруєння.