Атомы, молекулы, химические элементы

В теме 1.1 вещества различались по свойствам: одно кипит при 100 °C, другое плавится при 801 °C, третье притягивается магнитом. Почему у веществ такие разные свойства? Ответ скрыт в мельчайших частицах, из которых состоят вещества, и в том, как эти частицы соединены друг с другом.

Атом

Мысль о том, что вещество нельзя делить бесконечно, высказал ещё древнегреческий философ Демокрит в V веке до нашей эры. Мельчайшие частицы он назвал атомами, от греческого слова «атомос» — неделимый. Настоящей научной теорией атомистика стала только в начале XIX века благодаря английскому учёному Джону Дальтону.

Сегодня мы знаем, что атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества. Слово «химически» здесь важно: в химических реакциях атомы не разрушаются и не превращаются в другие атомы, а только соединяются друг с другом по-новому. При этом сам атом устроен сложно: в его центре находится крошечное положительно заряженное ядро, а вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Подробно строение атома разобрано в теме 2.2.

Атомы невообразимо малы: их размер составляет около одной десятимиллионной доли миллиметра. Если бы яблоко увеличили до размеров Земли, то атомы этого яблока стали бы размером с само яблоко.

Химический элемент

Атомы бывают разных видов. Атомы одного вида одинаково ведут себя в реакциях, потому что у них одинаковый заряд ядра. Химический элемент — это определённый вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Все атомы с зарядом ядра +1 — это атомы элемента водорода, с зарядом +8 — кислорода, с зарядом +26 — железа.

Сейчас известно 118 химических элементов, и около девяноста из них встречаются в природе, остальные получены искусственно. Распространены элементы очень неравномерно. Почти половина массы земной коры приходится на кислород, около четверти — на кремний, дальше идут алюминий и железо. Живые организмы построены в основном из кислорода, углерода, водорода и азота: на них приходится около 96 % массы человеческого тела.

Знаки химических элементов

Каждый элемент обозначают символом — знаком химического элемента. Знак составляют из первой буквы латинского названия элемента, а если с этой буквы начинаются названия нескольких элементов, добавляют одну из следующих букв. Например, углерод по-латыни carboneum, его знак \(\ce{C}\); кальций (calcium) — \(\ce{Ca}\), медь (cuprum) — \(\ce{Cu}\), хлор (chlorum) — \(\ce{Cl}\). Большинство знаков произносят как название элемента, но некоторые читают иначе, и это нужно запомнить.

Молекула

В большинстве веществ атомы не существуют поодиночке, а связаны в группы. Молекула — это наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства и состоит из атомов, связанных друг с другом. Молекула воды \(\ce{H2O}\) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, молекула кислорода \(\ce{O2}\) — из двух атомов кислорода, молекула углекислого газа \(\ce{CO2}\) — из атома углерода и двух атомов кислорода.

Если разделить каплю воды на всё более мелкие капли, то последней частицей, которая ещё будет водой, окажется одна молекула \(\ce{H2O}\). Если разрушить и её, получатся атомы водорода и кислорода, а у них свойства совсем не такие, как у воды.

Молекулярное и немолекулярное строение

Не все вещества состоят из молекул. Вещества молекулярного строения построены из отдельных молекул, которые притягиваются друг к другу слабо. Поэтому такие вещества легко плавятся и кипят, многие из них при комнатной температуре — газы или жидкости: кислород, азот, углекислый газ, вода, спирт. Молекулярное строение имеют и некоторые твёрдые вещества с невысокой температурой плавления: лёд, сахар, иод, сера.

Вещества немолекулярного строения построены из атомов или ионов (заряженных частиц), которые прочно связаны друг с другом во всём кристалле, так что отдельных молекул в них нет. Так устроены металлы, соли (поваренная соль \(\ce{NaCl}\)), алмаз, кварц. Чтобы расплавить такое вещество, нужно разорвать множество прочных связей, поэтому вещества немолекулярного строения твёрдые, тугоплавкие и нелетучие. Как именно частицы располагаются в кристаллах, рассказано в теме 3.2.