§ 5. Атомно-молекулярное учение. Химические элементы

ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ТРИ ФОРМЫ ЕГО СУЩЕСТВОВАНИЯ

• Открытие молекул и атомов: В XVII веке французский философ и естествоиспытатель Пьер Гассенди ввёл в науку термин «молекула» (от латинского moles — масса с уменьшительным суффиксом cula, что означает «чрезвычайно малая масса»). Из физики известно, что вещества состоят из молекул, а молекулы — из мельчайших частиц, называемых атомами.
• Химический элемент: Несмотря на микроскопические размеры, атомы отличаются друг от друга массой, объёмом и внутренним строением. В настоящее время науке известно 118 различных видов атомов. Определённый вид атомов называют химическим элементом.
• Три формы существования химического элемента в природе:

1. Свободные (изолированные) атомы: одиночные атомы элемента, не связанные в молекулы или кристаллы. Например, в раскалённой атмосфере Солнца водород находится в виде свободных атомов (наше светило более чем наполовину состоит именно из водорода);
2. Простые вещества: вещества, образованные атомами только одного химического элемента. На Земле два атома водорода объединяются в прочную двухатомную молекулу газа водорода ($H_2$). К простым веществам относятся также кислород ($O_2$), азот ($N_2$), сера ($S$), фосфор ($P$), железо ($Fe$), медь ($Cu$) и все остальные металлы;
3. Сложные вещества: вещества, образованные атомами разных химических элементов. Например, молекула воды ($H_2O$) построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода; углекислый газ ($CO_2$) состоит из атомов углерода и кислорода; серная кислота ($H_2SO_4$) включает атомы водорода, серы и кислорода.

ФЕНОМЕН АЛЛОТРОПИИ И МНОГООБРАЗИЕ ВЕЩЕСТВ

• Парадокс простых веществ: Из 118 известных элементов в земной коре и атмосфере встречается около 90 (остальные получены искусственно ядерным синтезом). Однако учёным известно не 90, а более 400 простых веществ!
• Аллотропия: Способность одного и того же химического элемента образовывать несколько простых веществ называют аллотропией, а сами эти вещества — аллотропными видоизменениями (модификациями).
• Причины аллотропии:
  • Различное число атомов в молекуле:
  • Кислород образует обычный двухатомный кислород ($O_2$ — прозрачный газ без цвета и запаха, поддерживающий дыхание) и трёхатомный озон ($O_3$ — ядовитый газ голубоватого цвета с резким запахом грозы, защищающий Землю от губительного ультрафиолета);
  • Различное строение кристаллических решёток:
  • Сера: образует кристаллическую ромбическую серу (хрупкие жёлтые кристаллы из кольцевых молекул $S_8$) и пластическую серу (тёмно-коричневая резиноподобная масса из длинных полимерных цепочек атомов);
  • Углерод: элемент углерод рождает сверхтвёрдый прозрачный диэлектрик алмаз, мягкий слоистый электропроводный серый графит, а также искусственно синтезированный фуллерен ($C_{60}$), замкнутая молекула которого сложена из 60 атомов углерода и имеет форму футбольного мяча.
• Многообразие сложных веществ: Если простых веществ насчитывается свыше 400, то сложных веществ — более 100 миллионов! Это объясняется тем, что атомы способны соединяться между собой в самых разнообразных сочетаниях и пропорциях (подобно тому как из 33 букв алфавита складываются сотни тысяч слов языка).

ТРИ ПОСТУЛАТА АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО УЧЕНИЯ (АМУ)

• Исторические истоки: Идею о прерывистом (дискретном) строении материи за 400 лет до нашей эры высказали древнегреческие философы Левкипп и Демокрит, назвав мельчайшую неделимую крупицу материи «атомом» (греч. atomos — «неделимый»). В 1741 году великий русский энциклопедист Михаил Васильевич Ломоносов заложил основы научного атомно-молекулярного учения, которое в начале XIX века развил английский естествоиспытатель Джон Дальтон.
• Основные положения классического атомно-молекулярного учения:

1. Все вещества состоят из молекул, находящихся в непрерывном движении. Молекула — это мельчайшая частица вещества, определяющая его химические свойства;
2. Молекулы состоят из атомов. Атомы — это наименьшие химически неделимые частицы веществ;
3. При химических реакциях молекулы исходных веществ разрушаются до атомов, и из этих же самых атомов формируются молекулы новых веществ.

• Сущность химической реакции: Химическое превращение заключается не в уничтожении материи, а в перегруппировке атомов. Например, при пропускании электрического тока через воду молекулы $H_2O$ распадаются на атомы водорода и кислорода, которые затем попарно объединяются в молекулы простых газов — водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$). Число и тип атомов остаются строго неизменными!

ВЕЩЕСТВА МОЛЕКУЛЯРНОГО И НЕМОЛЕКУЛЯРНОГО СТРОЕНИЯ. ИОНЫ

• Открытие немолекулярного строения: Дальнейшее развитие химии и физики твёрдого тела показало, что далеко не все вещества состоят из молекул. Огромное число веществ построено непосредственно из атомов или ионов.
• Ионы: Это электрически заряженные (положительно или отрицательно) частицы, которые образуются из нейтральных атомов или групп атомов при отдаче или присоединении электронов (например, в кристалле поваренной соли нет молекул $NaCl$ — он сложен из чередующихся положительных ионов натрия $Na^+$ и отрицательных ионов хлора $Cl^-$).
• Два фундаментальных типа строения веществ:
  • Вещества молекулярного строения:
  • В узлах их кристаллов находятся замкнутые молекулы (вода, кислород, углекислый газ, сахар, йод, спирт) или одиночные атомы (благородные газы — гелий, неон, аргон);
  • Межмолекулярные связи слабы, поэтому такие вещества имеют невысокие температуры плавления и кипения, многие из них при обычных условиях являются газами или летучими жидкостями.
  • Вещества немолекулярного строения:
  • Атомные кристаллы: состоят из гигантской непрерывной сетки одинаковых (алмаз, графит) или разных атомов (кварц $SiO_2$, корунд $Al_2O_3$). Имеют экстремальную твёрдость и температуры плавления в тысячи градусов;
  • Ионные кристаллы: состоят из взаимно притягивающихся разноимённых ионов (поваренная соль $NaCl$, пищевая сода, перманганат калия). Это твёрдые тугоплавкие вещества, их растворы и расплавы отлично проводят электрический ток.