Введение в химию/Вещество, атомы, молекулы

Вещество

В нашем мире существует бесчисленное количество разнообразных веществ. Важно заметить, что в физике существует определение тела - материальный объект, имеющий массу, форму и объём; и отделенный от других тел внешней границей раздела. Пример тел: мышка и клавиатура, чай, книга, машина и т.д. Все эти тела состоят из веществ. Например: пластмассовая бутылка в основном состоит из полиэтилентерефталата, провода состоят из меди, а, к примеру, бензин может состоять из нескольких веществ (изооктан, бутан и другие).

Само вещество состоит из атомов и молекул. А молекулы состоят из атомов. Не все вещества состоят из молекул, но все вещества состоят из атомов. Эту особенность мы разберем в следующих лекциях.

Виды веществ

Вещества можно разделить на первые два вида:

• Простые вещества - вещества состоящие исключительно из атомов одного химического элементов. Например: железо(Fe), сера(S,S₈), водород(H₂).
• Сложные вещества - вещества состоящие из атомов двух и более химических элементов. Например: серная кислота (H₂SO₄), гидроксид калия (KOH).

Об атомах

Мы сказали, что все, по сути, состоит из атомов. Теперь нам стоит разобраться в том, из чего же состоит атом.

Ядро - это нейтроны (голубые шарики) и протоны (красные). Электроны вращаются по орбите вокруг атома

Атом состоит из ядра и электронов. Почти 99% всей массы атомы находится в ядре. В ядро входят нейтроны и протоны.

Из курса физики, вы должны знать, что частицы могут обладать зарядом или им не обладать: в случае атома, нейтроны не имеют заряда, протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный. Получается, что у ядра атома положительный заряд, а у электронов, вращающихся вокруг атома - отрицательный. Благодаря противоположности зарядов, сам атом является нейтральным.

Мы также рассмотрели понятие элемента. В зависимости от количества протонов, нейтронов или электронов атом будет называться по разному. Например: в атоме водорода 1 протон, 1 электрон, 0 нейтронов, а в атоме гелия (см справа) 2 протона, 2 электрона, 2 нейтрона - "составом" атомов и различаются элементы.

Давайте ради интереса попробуем рассчитать заряд атома водорода и гелия:

Q(водорода) = 1(протон) -1(электрон) = 0

Q(гелия) = 2(протоны) - 2(электроны = 0

Из увиденного примера видно, что атом всегда остается нейтральным.

Об элементах и таблице Менделеева

Мы можем различать атомы по количеству нейтронов, протонов и электронов, но это оказывается неудобным в использовании. Для этого используют соответствующие названия атомов: водород, гелий, натрий, бериллий и другие. Списком всех известных на сегодняшний день является периодическая система химических элементов (ПСХЭ) или таблица Менделеева.

В периодическое системе химических элементов существует период (сверху вниз) и группы (справа налево): всего 7 периодов и 18 групп, в которых расположены элементы. В группы входят элементы со схожими химическими свойствами, а свойства в разных периодах "повторяются".

Например: во втором периоде литий(Li) является щелочным металлом, бериллий (Be) щелочно-земельным металлом, а неон (Ne) - инертным, в третьем периоде натрий (Na) обладает теми же свойствами что и литий (Li), магний (Mg) - теми же что и бериллий (Be), а аргон (Ar) - теми же что и неон (Ne). В этом и заключается свойство периодичности:

Свойства элементов в ПСХЭ повторяется с одной и той же периодичностью

Этот закон называется периодическим законом.

Теперь мы должны рассмотреть другие закономерности, которые есть в ПСХЭ:

• У всех частиц, есть своя масса, в том числе и у электрона, протона и нейтрона. Массой электрона часто пренебрегают: она равна 9,1*10^-31 кг. А масса нейтрона и протона приблизительно равна 1,6 * 10^-27 кг. Это неудобное число и сложно его использовать в вычислениях. Для удобства, люди начали использовать атомную единицу массы (а.е.м), которая численно равно массе протона или нейтрона. Но более точным определением служит такое:

1 а.е.м численно равен 1/12 массы свободно покоящегося атома углерода, находящегося в основном состоянии

Атом углерода был выбран неспроста: он является элементом,который содержится во множестве веществ, хотя и не является самым распространенным. Введение атомной массы позволило упростить вычисление массы веществ и элементов: теперь водород весит 1 а.е.м, так как в нем только 1 протон, а гелий весит 4 а.е.м, так как в нем 2 протона и 2 нейтрона. Весом элемента называется атомная масса.

• Число протонов в атоме называется зарядом атома (Z). Это не удивительно: заряд в атоме создается благодаря протонам и электронам и если отбросить электроны мы получим заряд атома. Заряд атома равен номеру элемента в ПСХЭ.
• Теперь, если мы захотим рассчитать количество нейтронов в атоме, мы можем от атомной массы заряд атома: N = Ar - Z.