Атом, молекула, ион. Оценка размеров молекул
Из чего состоит всё вокруг?
Любой предмет вокруг тебя — стол, воздух, вода, твоё тело — состоит из невообразимо маленьких частиц. Это не философия и не догадка: существование этих частиц доказано экспериментально, а их свойства измерены с высокой точностью. Три ключевых понятия — атом, молекула и ион.
Атом
Атом — это наименьшая химически неделимая частица вещества, сохраняющая все химические свойства данного элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него.
Строение атома:
- Ядро — в центре атома, состоит из протонов (заряд +) и нейтронов (без заряда). В ядре сосредоточена почти вся масса атома.
- Электроны — лёгкие частицы с зарядом −, движутся вокруг ядра. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
Всего существует 118 видов атомов — по числу химических элементов таблицы Менделеева. Атом водорода — самый лёгкий, атом урана — один из самых тяжёлых.
Масштаб
Типичный размер атома — около 10⁻¹⁰ м = 0,1 нм (одна десятимиллиардная метра). Если увеличить атом до размера яблока — яблоко вырастет до размера Земли.
Молекула
Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из двух или более атомов, соединённых химической связью.
Молекулы бывают очень разными — от простейших до гигантских:
| Вещество | Формула | Из каких атомов |
|---|---|---|
| Вода | H₂O | 2 атома водорода + 1 атом кислорода |
| Кислород | O₂ | 2 атома кислорода |
| Углекислый газ | CO₂ | 1 углерод + 2 кислорода |
| ДНК (молекула наследственности) | — | Миллиарды атомов — гигантская молекула |
Важно: атомы одного и того же элемента могут образовывать совершенно разные вещества. Углерод в форме алмаза и углерод в форме графита — это одни и те же атомы, но соединённые по-разному, и свойства у них абсолютно разные.
Ион
Ион — это атом или молекула, получившие электрический заряд в результате потери или приобретения одного или нескольких электронов.
Как образуются ионы:
- Потерял электрон → стало меньше отрицательного заряда → атом стал положительным ионом — катионом (знак «+»).
- Приобрёл электрон → стало больше отрицательного заряда → атом стал отрицательным ионом — анионом (знак «−»).
Примеры:
- Na⁺ — ион натрия (потерял 1 электрон). Содержится в поваренной соли.
- Cl⁻ — ион хлора (приобрёл 1 электрон). Тоже в поваренной соли.
- Ca²⁺ — ион кальция (потерял 2 электрона). Содержится в костях и зубах.
Ионы в жизни
Именно ионы обеспечивают проводимость электрического тока в растворах (электролитах), работу аккумуляторов, передачу нервных импульсов в живых организмах и множество химических реакций.
Как оценить размер молекулы?
Молекулы настолько малы, что их невозможно увидеть обычным способом. Но физики придумали остроумные методы их измерения — задолго до появления электронных микроскопов.
Метод масляной плёнки (опыт Рэлея)
Один из простейших и красивейших методов — опыт с масляной плёнкой на воде. Его суть:
- Берём известный объём масла V и выливаем его на поверхность воды.
- Масло растекается тонким слоем и образует круговую плёнку площадью S.
- Предполагаем, что плёнка имеет толщину ровно в одну молекулу — это мономолекулярный слой.
- Тогда диаметр молекулы равен толщине плёнки: d = V / S
Пример расчёта
Объём капли масла: V = 1 мм³ = 10⁻⁹ м³
Площадь плёнки: S = 1 м²
Диаметр молекулы: d = V/S = 10⁻⁹ / 1 = 10⁻⁹ м = 1 нм
Это и есть характерный размер молекулы!
Размеры частиц: порядки величин
Чтобы осмыслить масштаб, сравним размеры разных объектов:
| Объект | Размер | В метрах |
|---|---|---|
| Атомное ядро | ~1 фм | 10⁻¹⁵ м |
| Атом | ~0,1 нм | 10⁻¹⁰ м |
| Молекула воды | ~0,3 нм | 3 × 10⁻¹⁰ м |
| Молекула ДНК (ширина) | ~2 нм | 2 × 10⁻⁹ м |
| Вирус | ~100 нм | 10⁻⁷ м |
| Волос человека | ~70 мкм | 7 × 10⁻⁵ м |
Осознай масштаб
В одном миллиметре — примерно 10 миллионов молекул воды, выстроенных в ряд. В капле воды объёмом 1 мл содержится около 3 × 10²² молекул — это 30 000 000 000 000 000 000 000 штук.
Итог
Запомни главное
Атом — наименьшая частица элемента, состоит из ядра и электронов. Размер ~10⁻¹⁰ м.
Молекула — частица вещества из нескольких атомов, сохраняет химические свойства вещества.
Ион — атом или молекула с электрическим зарядом (потерял или приобрёл электроны).
Оценка размера молекулы: метод масляной плёнки — d = V/S.
Типичный размер молекулы: 10⁻⁹ – 10⁻¹⁰ м.
Ответ. Атом электрически нейтрален: число протонов в равной степени относится к электронам. Ион — это атом, в котором это равенство нарушено. Атом натрия содержит 11 протонов и 11 электронов. Когда он направляет один электрон, остается 11 протонов и 10 электронов — суммарный заряд становится +1. Так осуществляется катион Na⁺.
Ответ. Переводим объем в кубические метры: 0,001 мм³ = 10⁻³ × (10⁻³)³ = 10⁻³ × 10⁻⁹ = 10⁻¹² м³. Диаметр молекулы: d = V/S = 10⁻¹² / 0,5 = 2 × 10⁻¹² м. Это несколько меньшее значение значения — реальный опыт дает около 10⁻⁹ — 10⁻¹⁰ м, так что объем капли в веществе необходимо уточнить, но метод и формула верны.
Ответ. Потому что атомы в молекулах соединяются химической связью и обеспечивают единую частицу с новым явлением. Вода — жидкость при нагревании, тушит огонь и необходима для жизни. Водород — горючий газ, кислород — газ, поддерживающее горение. Смесь этого газа не имеет ничего общего с водой. Только соединившись в молекуле H₂O, атомы определили вещество с совершенно иными свойствами.
Оцените урок:
