Глава I.5 Атомно-молекулярное учение. Химические элементы

В XVII в. французский учёный Пьер Гассенди ввёл в науку понятие «молекула» (от лат. moles – масса, с уменьшительным суффиксом – cula), что означает «чрезвычайно маленькая масса». Как вы уже знаете из курса физики, вещества состоят из молекул, а те, в свою очередь, из атомов. Молекулы веществ отличаются друг от друга размерами, массой, строением и свойствами. Несмотря на микроскопические размеры (конец иглы построен из миллиардов атомов), атомы тоже различаются массой, размерами и строением. В настоящее время известно 118 видов атомов.

Каждый химический элемент имеет три формы существования: свободные (изолированные) атомы, простые вещества и сложные вещества. Например, в атмосфере Солнца химический элемент водород существует в виде атомов (рис. 28, а); Солнце более чем наполовину состоит из водорода. На Земле же два атома водорода соединяются в молекулу (рис. 28, б). Такие молекулы построены очень просто – из атомов одного химического элемента.

К ним относятся металлы, кислород, азот, сера, фосфор и др.

Однако атомы водорода могут соединяться и с атомами других химических элементов. Такие молекулы построены сложнее, а вещества, состоящие из них, называют сложными.

Например, в молекуле воды два атома водорода соединены с одним атомом кислорода (рис. 28, в), поэтому вода – сложное вещество. Сложными являются углекислый газ, молекулы которого состоят из атомов углерода и кислорода, серная кислота, построенная из атомов водорода, серы и кислорода.

Из известных 118 химических элементов в природе встречается 90. Вы, наверное, обратили внимание, что названия химических элементов часто совпадают с названиями простых веществ. Логично предположить, что в природе простых веществ тоже должно быть 90. Однако это не так. Известно более 400 простых веществ.

Оказывается, атомы одного химического элемента могут соединяться в разные молекулы или кристаллы:

• атомы кислорода образуют как двухатомные молекулы кислорода, так и трёхатомные молекулы озона (рис. 29);
• атомы серы соединяются как в молекулы ромбической серы, состоящие из восьми атомов, так и в большие молекулы пластической серы, образуемые множеством атомов (рис. 30);
• атомы углерода образуют как кристаллы алмаза и графита, так и молекулу фуллерена С₆₀, которая состоит из 60 атомов и напоминает футбольный мяч (рис. 31).

Свойства аллотропных модификаций одного химического элемента различны. Например, при обычных условиях кислород – газ без цвета и запаха, тогда как озон – голубоватый газ с запахом свежести.

Сложных веществ гораздо больше, чем простых – свыше 100 миллионов!

Подобно тому как 33 буквы русского алфавита образуют различные комбинации – десятки тысяч слов, так и из химических элементов природа и человек создали всё многообразие мира веществ.

Изучение состава и строения веществ привело к созданию атомно-молекулярного учения. Одно из его положений определяет сущность химических реакций: одни вещества могут превращаться в другие. Для этого нужно изменить сочетание атомов в молекулах, т. е. осуществить химическое превращение. Сущность химической реакции заключается в разрушении молекул исходных веществ и образовании из тех же атомов молекул новых веществ. Например, при разложении воды электрическим током образуются молекулы водорода и кислорода (рис. 32).

Истоки атомно-молекулярного учения нужно искать в далёком прошлом. За 400 лет до н. э. древнегреческие философы Левкипп и Демокрит ввели понятие «атом». Путём умозаключений они пришли к выводу, что в результате деления вещества на части можно получить такую мельчайшую частицу, дальнейшее деление которой будет уже невозможно. Эти частицы назвали атомами, что означает «неделимые».

Хотя представления древних греков об атомах и выглядят удивительно современно, их не вспоминали до середины XVIII в. В 1741 г. Михаил Васильевич Ломоносов сформулировал основы атомно-молекулярного учения. Учение об атомах получило дальнейшее развитие в трудах английского учёного, физика и химика Джона Дальтона.

За более чем двухтысячелетнюю историю атомно-молекулярного учения представления о строении веществ постоянно совершенствовались.

Например, оказалось, что большое число веществ состоит не из молекул или атомов, а из ионов. Это поваренная соль, сода, перманганат калия (марганцовка).

Таким образом, различают вещества молекулярного и немолекулярного строения (схема 2).

Схема 2