Атомы и молекулы
Около 2000 лет назад в Древнем Риме была написана оригинальная поэма «О природе вещей». Ее автором был римский поэт Лукреций Кар. Звучными стихами рассказал Лукреций в своем поэтическом произведении о взглядах древнегреческого философа Демокрита на мир, об его учении, о невидимых частичках, из которых построен весь наш мир. Наблюдая различные явления, Демокрит пытался дать им объяснение. Вот, например, вода. При сильном нагревании она превращается в невидимый пар и улетучивается. Как это можно объяснить?
Ясно, что такое свойство воды связано каким-то образом с ее внутренним строением. Или почему, например, мы ощущаем запахи различных цветов на далеком расстоянии? Размышляя над подобными вопросами, Демокрит пришел к убеждению, что тела только кажутся нам сплошными, на самом деле они состоят из мельчайших частиц.
У различных тел эти частицы различны по своей форме, но они настолько малы, что увидеть их невозможно. Поэтому-то любое тело и кажется нам сплошным. Предположение, что все тела в мире: и земля, и животные, и растения, и воздух, и сам человек — построены из невидимых частиц, очень просто объясняло ранее непонятные явления природы.
В самом деле, если вода не является сплошным телом, а состоит из «водяных» частиц, то не представляет особого труда объяснить ее превращение в пар. Когда кипящая вода превращается в пар, то это означает, что частицы воды отрываются от ее поверхности и улетают в воздух, уже не соединяясь друг с другом, как это было в воде. Так же легко можно объяснить и то, почему мы ощущаем запахи различных цветов. От душистых веществ, находящихся в цветах, отрываются и разлетаются в воздухе отдельные невидимые частички.
Эти частички вызывают ощущение запаха. К мысли о таком строении окружающих тел Демокрит приходил и другим путем. Размышляя над вопросом, что будет, если мы начнем делить какое-либо вещество, скажем ту же воду, на все более мелкие части, он невольно задумывался над тем, сможем ли мы продолжать это деление беспредельно. Нет, отвечал философ, если делить воду достаточно долго на все более и более мелкие капельки, то мы получим наконец такие частички воды, которые дальше уже делить будет нельзя. Демокрит назвал эти мельчайшие, неделимые далее частички, из которых состоят вода и все другие тела, атомами, что по-гречески означает «неделимые».
Вот как сформулировал он свое учение об атомах: «Ничто не существует, кроме атомов и пустого пространства. Все прочее есть мнение. Сладкое существует только во мнении, во мнении существует тепло, холод, цвета…
Атомы бесконечны в числе и бесконечно различны но форме». «Различие всех предметов зависит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия атомов не существует». В 1647 г. француз Пьер Гассенди издал книгу, в которой развил дальше учение Демокрита.
Он попытался объяснить, каким именно образом могут возникать и возникают в мире миллионы разнообразных тел природы. Для этого, утверждал он, не нужно большого числа различных атомов. Ведь атомы — это все равно, что строительный материал для домов. Из трех различных видов строительных материалов — кирпичей, досок и бревен — можно построить огромное число самых разнообразных домов.
Точно так же из нескольких десятков различных атомов природа может создать многие тысячи разнообразнейших тел. При этом в каждом теле различные атомы соединяются в небольшие группы. Эти группы Гассенди назвал молекулами, т. е. «массочками» (от латинского слова «молес» — масса). Молекулы различных тел отличаются друг от друга числом входящих в них атомов и видом («сортом») этих атомов. Нетрудно сообразить, что из нескольких десятков различных атомов можно создать огромное количество различных их комбинаций — молекул.
Вот почему так велико разнообразие окружающих нас тел. Однако многое еще во взглядах Гассенди было ошибочно. Так, он считал, что имеются особые атомы тепла, холода, вкуса и запаха. Как и другие ученые того времени, он не мог полностью освободиться от влияния Аристотеля, от признания его невещественных элементов. В сочинениях М. В. Ломоносова, великого просветителя и основателя науки в России, содержатся уже другие мысли, получившие подтверждение на опыте много позднее.
Ломоносов пишет, что молекула может быть однородной и разнородной. В первом случаев молекулы группируются однородные атомы. Во втором — молекула состоит из атомов, отличных друг от друга. Если какое-либо тело составлено из однородных молекул, то это тело надо считать простым. Наоборот, если тело состоит из молекул, построенных из различных атомов, такое тело Ломоносов называет смешанным.
Теперь мы хорошо знаем, что различные тела природы имеют именно такое строение. В самом деле, возьмем, например, газ кислород: в каждой его молекуле содержится по два одинаковых атома кислорода. Это — молекула простого вещества. Если же атомы, составляющие молекулы, различны,— это уже «смешанное», сложное химическое соединение. Молекулы такого соединения состоят из атомов тех химических элементов, которые входят в состав этого соединения.
Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Можно сказать и иначе — каждое простое вещество построено из атомов одного химического элемента; сложное вещество включает. в себя атомы двух и более элементов. Таким образом, понятию сложного вещества отвечает молекула, состоящая из различных атомов.
Простое вещество строится из молекул, состоящих из одинаковых атомов. Многие ученые очень долго «не верили в атомы». Один из них писал еще в самом конце прошлого века, что через несколько десятилетий атомы «удастся разыскать лишь в пыли библиотек». Сейчас подобные суждения кажутся смешными. Мы знаем теперь столь огромное число подробностей о «жизни» атома, что сомневаться в его существовании все равно, что подвергать сомнению реальность Черного моря.
Конечно, доказательства существования атома пришли не сразу, но противники атома были «положены на обе лопатки» уже тогда, когда удалось «взвесить» атом. Относительные веса атомов определили химики. Сначала за единицу атомного веса был принят вес атома водорода.
Атомный вес азота оказался равным примерно 14, кислорода — 16, хлора—35,5… Так как кислородные соединения наиболее распространены, то впоследствии был сделан несколько иной выбор относительных единиц атомного веса, в которых число 16,000 приписывалось кислороду. Атомный вес водорода оказался равным в этой шкале 1,008. Рядом интересных опытов физикам удалось измерить абсолютный вес атомов. Так как относительные веса известны, то для этого достаточно было измерить в граммах вес атома какого-либо одного вещества, например водорода. Разумеется, физики не изготовляли весов, на которые можно положить один атом и уравновесить его гирькой.
Вес атома определялся косвенными измерениями. Например, с помощью электронного микроскопа или рентгеновских лучей можно измерить величину объема (приходящегося на одну молекулу). С другой стороны, плотность вещества устанавливается простыми измерениями. Если умножить плотность на объем, то будет найдена масса молекулы в граммах.
Масса атома с атомным весом, равным единице, оказалась равной m0 = 1,66-10-24 г. Чтобы получить вес атома в граммах, надо умножить относительный атомный вес на m0. Представить себе малость этой величины можно, если вообразить, что у каждого человека на земном шаре (а население Земли более двух миллиардов) вы потребуете по миллиарду атомов. Сколько вещества соберете вы таким образом? Всего несколько миллионных долей грамма. Или такое сравнение: земной шар во столько же раз тяжелее яблока, во сколько раз яблоко тяжелее атома водорода.
Обратная величина от m0 носит название числа Авогадро: Это огромное число имеет следующий важный смысл. Возьмем вещество в таком количестве, чтобы число граммов его веса равнялось относительному весу атома или молекулы М. Такое количество называется 1 грамм-атом или 1 грамм-молекула (часто для краткости вместо грамм-молекула говорят «моль»). Вес молекулы в граммах равен М*m0. Поэтому число молекул в грамм-молекуле любого вещества равно числу Авогадро.
Источник
Урок №7. Атомы и молекулы. Ионы
Атомы и молекулы
Эта лекция посвящена следующим понятиям: атом, молекула, ион, элементарные частицы в составе атома.
Этапы возникновения представлений об атомах и молекулах
- 2500 лет назад древнегреческий философ Демокрит высказал мысль о том, что все тела в природе состоят из мельчайших невидимых, непроницаемых, неделимых, вечно движущихся частиц – атомов.
- Слово “атом” в переводе означает “неделимый”.
- В средние века, учение об атомах преследовалось религией, которая тормозила развитие науки в целом, и химии в частности.
- В середине 18 века великим русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 – 1765 гг.) было разработано учение о молекулах и атомах. Он утверждал, что тела в природе состоят из корпускул (молекул), в состав которых входят элементы (атомы). Многообразие веществ ученый прозорливо объяснял соединением разных атомов в молекулах и различным расположением атомов в них. Удивительно верной и смелой для того времени была мысль М. В. Ломоносова о том, что некоторые корпускулы (молекулы) могут состоять из одинаковых элементов (атомов).
- Учение об атомах получило дальнейшее развитие в трудах известного английского ученого Джона Дальтона (1766 – 1844 гг.).
Экспериментальным доказательством того, что молекулы состоят из атомов, является реакция разложения воды под действием электрического тока.
При пропускании постоянного тока через воду в одной из трубок аппарата Гофмана (рис. 1) собирается газ, в котором тлеющая лучинка ярко вспыхивает. Это кислород. В другой трубке собирается вдвое больше газа, который от зажженной лучинки загорается. Это водород.
Аппарат Гофмана — используется для электролиза воды, изобрёл немецкий химик-органик Август Вильгельм Гофман .
Молекула воды (Н 2 О) состоит из 2 атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 2). При пропускании постоянного тока через воду ее молекулы распадаются и образуются химически неделимые частицы – атомы кислорода и водорода. Затем атомы соединяются по два, и из двух молекул воды образуется одна – двухатомная молекула кислорода (О 2 ) и две двухатомные молекулы водорода (Н 2 ).
Рис. 2. Схема разложения воды электрическим током
Атомы и ионы
Атомы, взаимодействуя друг с другом, могут терять или, наоборот, приобретать один или более электронов.
В результате электрически нейтральный атом превращается в заряженную частицу — ион.
Если атом теряет один или несколько электронов, его называют положительно заряженным ионом.
Атом, дополнительно присоединивший один или несколько электронов, называют отрицательно заряженным ионом.
Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу.
А 0 — ne — =A n+
А 0 – нейтрально заряженный атом
A n+ – положительно заряженный ион – катион
А 0 + ne — =A n-
А 0 – нейтрально заряженный атом
A n- – отрицательно заряженный ион – анион
Ион — это атом или группа атомов, обладающих положительным или отрицательным зарядом.
Протоны, нейтроны, электроны
Некоторые представления об атомах и молекулах, высказанные М. В. Ломоносовым за полвека до Д. Дальтона, оказались более достоверными и научными.
Например, английский ученый категорически отрицал возможность существования молекул, состоящих из одинаковых атомов. Его взгляды отрицательно сказались на развитии химии.
Учение о молекулах и атомах окончательно было принято только в 1860 г. на Всемирном съезде химиков в Карлсруэ.
Молекулы – мельчайшие частицы вещества, состав которых и химические свойства такие же, как у данного вещества. Молекулы – предельный результат механического дробления вещества.
Атомы – это мельчайшие химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Молекулы, в отличие от атомов, являются химически делимыми частицами.
В конце XIX—начале XX в. было обнаружено, что атомы состоят из более мелких частиц, названных «элементарными частицами».
В центре любого атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные частицы — электроны ( е — ). Заряд электрона принято считать равным (-1).
Ядро атома, в свою очередь, также состоит из элементарных частиц. В состав ядер атомов входят положительно заряженные частицы — протоны ( + р ) и частицы, имеющие почти такую же массу, как протоны, но не имеющие заряда, — нейтроны ( 0 n ). Заряд протона численно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак (+1).
Например, атом углерода (рис. 3) состоит из ядра, в котором находятся 6 протонов, 6 нейтронов, а также 6 электронов:
Источник