Атомно-молекулярное учение: основные положения
Это учение сформировалось в трудах многих ученых, но окончательную научную форму ему придал Джон Дальтон в начале XIX века. Его основные положения, актуальные и сегодня (с некоторыми современными уточнениями), гласят:
Все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул или ионов.
Атом – мельчайшая, химически неделимая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Атомы одного элемента идентичны по своим химическим свойствам и массе (в современной трактовке – по заряду ядра, см. изотопы).
Молекула – мельчайшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из двух или более атомов, соединенных химическими связями. Молекулы одного вещества одинаковы по составу и свойствам.
Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов. Атомы не создаются и не уничтожаются в химических реакциях, а лишь перегруппировываются. (Это закон сохранения массы вещества, сформулированный М.В. Ломоносовым и А. Лавуазье).
Атомы и молекулы находятся в непрерывном движении. Характер этого движения (колебательное, поступательное, вращательное) зависит от агрегатного состояния вещества и температуры.
Атомно-молекулярное учение объясняет физические явления (диффузия, испарение, растворение) движением частиц, а химические реакции – их взаимодействием и перегруппировкой.
Атом и Химический Элемент
- Атом (от греч. atomos – неделимый): Как уже сказано, это мельчайшая, электронейтральная частица химического элемента. Современная физика показала, что атом сложен: он состоит из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов, движущихся вокруг него. Однако в химических реакциях ядро атома остается неизменным. Именно число протонов в ядре определяет химическую индивидуальность атома.
- Химический элемент: Это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра равен числу протонов в нем и называется атомным номером (Z). Этот номер – фундаментальная характеристика элемента, определяющая его положение в Периодической системе Д.И. Менделеева и его химические свойства. Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов (такие атомы называются изотопами), но число протонов (а значит, и Z) у них одинаково.Пример: Все атомы углерода (C) имеют Z=6 (6 протонов в ядре). Углерод-12 (¹²C) имеет 6 нейтронов, углерод-13 (¹³C) – 7 нейтронов, углерод-14 (¹⁴C) – 8 нейтронов. Это изотопы углерода.
Атомная единица массы (а.е.м.)
Так как массы атомов и молекул чрезвычайно малы (порядка 10⁻²⁷ – 10⁻²⁵ кг), для удобства была введена специальная единица измерения – атомная единица массы (а.е.м.).
- Определение: 1 а.е.м. равна 1/12 массы атома углерода-12 (¹²C).
- Физический смысл: А.е.м. – это очень маленькая, но конкретная единица массы. Она позволяет выражать массы атомов и молекул в удобных числовых значениях, близких к целым числам.
- Связь с килограммами: 1 а.е.м. = 1.66053906660(50) × 10⁻²⁷ кг (значение постоянно уточняется).
Относительная атомная масса (Aᵣ)
Хотя массы атомов можно выразить в а.е.м., химикам гораздо удобнее использовать безразмерную величину – относительную атомную массу (Aᵣ).
- Определение: Относительная атомная масса элемента (Aᵣ) – это величина, показывающая, во сколько раз средняя масса атома данного элемента (с учетом распространенности его изотопов в природе) больше 1/12 массы атома углерода-12 (то есть больше 1 а.е.м.).
- Формула:
Aᵣ(Э) = m(атома Э) / (1/12 * m(атома ¹²C)) = m(атома Э) / (1 а.е.м.) - Ключевые особенности:
Это безразмерная величина (просто число!).
Она показывает среднюю массу атомов природной смеси изотопов элемента. Например, природный хлор состоит из 75.77% ³⁵Cl (масса ≈ 34.97 а.е.м.) и 24.23% ³⁷Cl (масса ≈ 36.97 а.е.м.). Его Aᵣ(Cl) = 35.453.
Численно относительная атомная масса (Aᵣ) совпадает со значением массы атома, выраженной в а.е.м., но не имеет единиц измерения.
Значения Aᵣ для всех элементов приведены в Периодической системе Д.И. Менделеева (обычно под символом элемента).
Пример: Aᵣ(О) = 15.999 ≈ 16. Это означает, что средняя масса атома кислорода примерно в 16 раз больше 1/12 массы атома углерода-12, или что масса атома кислорода ≈ 16 а.е.м.
Относительная молекулярная масса (Mᵣ)
Понятие относительной массы распространяется и на молекулы.
- Определение: Относительная молекулярная масса вещества (Mᵣ) – это величина, показывающая, во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы атома углерода-12 (больше 1 а.е.м.).
- Расчет: Mᵣ рассчитывается как сумма относительных атомных масс (Aᵣ) всех атомов, входящих в состав молекулы, с учетом их индексов в химической формуле.
- Формула:
Mᵣ(вещ-ва) = m(молекулы) / (1 а.е.м.)
Mᵣ(вещ-ва) = Σ [Aᵣ(Э) * n(Э)] (где n(Э) - число атомов элемента Э в молекуле) - Ключевые особенности:
Это безразмерная величина.
Численно равна массе молекулы, выраженной в а.е.м.
Применима только к веществам с молекулярным строением (O₂, H₂O, CO₂, C₆H₁₂O₆ и т.д.).
Для веществ с немолекулярным строением (ионные кристаллы NaCl, металлы Fe, атомные кристаллы алмаз C) понятие "молекула" часто неприменимо. В таких случаях используют понятие формульная единица (наименьшая частица вещества, формула которой соответствует его химическому составу), а массу этой единицы называют относительной массой. Она рассчитывается аналогично Mᵣ по формуле вещества. На практике термин "относительная молекулярная масса" (Mᵣ) часто используют и для таких веществ, подразумевая именно относительную формульную массу.
Примеры:
- Вода (H₂O):
Mᵣ(H₂O) = 2 * Aᵣ(H) + Aᵣ(O) = 2 * 1 + 16 = 18 - Серная кислота (H₂SO₄):
Mᵣ(H₂SO₄) = 2 * Aᵣ(H) + Aᵣ(S) + 4 * Aᵣ(O) = 2*1 + 32 + 4*16 = 98 - Поваренная соль (NaCl) - ионное соединение:
Mᵣ(NaCl) = Aᵣ(Na) + Aᵣ(Cl) = 23 + 35.5 = 58.5 (Здесь Mᵣ - это относительная масса формульной единицы NaCl).
Количество вещества (ν) и моль
Относительные массы позволяют сравнивать массы атомов и молекул, но для практической работы в лаборатории химикам необходимо знать, сколько реальных частиц содержится в конкретной навеске вещества. Для этого введено понятие количество вещества (ν - "ню").
- Определение: Количество вещества (ν) – это физическая величина, пропорциональная числу специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, формульных единиц или любых других частиц) в данном образце вещества.
- Структурная единица: Это ключевой момент. Необходимо всегда указывать, о каких именно частицах идет речь: атомах натрия (Na), молекулах воды (H₂O), ионах SO₄²⁻, формульных единицах NaCl и т.д.
- Единица измерения: Единицей количества вещества в Международной системе единиц (СИ) является моль (моль).
- Определение моля (с 2019 г.):
1 моль содержит ровно 6.02214076 × 10²³ специфицированных структурных единиц. Это число называется постоянной Авогадро (Nₐ или NА).
Nₐ = 6.02214076 × 10²³ моль⁻¹ - Смысл: 1 моль любого вещества содержит одно и то же число структурных единиц – Nₐ частиц. Это как "дюжина", только в гигантском масштабе.
1 моль атомов Fe содержит Nₐ атомов железа.
1 моль молекул O₂ содержит Nₐ молекул кислорода.
1 моль ионов Na⁺ содержит Nₐ ионов натрия.
1 моль формульных единиц NaCl содержит Nₐ "парочек" Na⁺Cl⁻. - Связь количества вещества, числа частиц и постоянной Авогадро:
ν = N / Nₐ
где:
ν - количество вещества (моль),
N - число специфицированных структурных единиц в образце,
Nₐ - постоянная Авогадро . Эта формула позволяет переходить от числа микроскопических частиц к макроскопическому количеству вещества (молям) и обратно.
Молярная масса (M)
Как связать массу образца вещества с его количеством?
- Определение: Молярная масса (M) вещества – это масса одного моля этого вещества. Единица измерения – грамм на моль (г/моль).
- Связь с относительной массой: Численно молярная масса (M), выраженная в г/моль, равна относительной атомной (Aᵣ) или молекулярной (Mᵣ) массе этого вещества, но имеет единицу измерения.
Для атомов: M(Э) = Aᵣ(Э) г/моль
Пример: M(Fe) = 56 г/моль (так как Aᵣ(Fe) = 56)
Для веществ: M(вещ-ва) = Mᵣ(вещ-ва) г/моль
Пример: M(H₂O) = 18 г/моль (так как Mᵣ(H₂O) = 18); M(NaCl) = 58.5 г/моль (так как Mᵣ(NaCl) = 58.5). - Физический смысл: Молярная масса показывает массу 6.02214076 × 10²³ структурных единиц вещества.
- Связь массы, количества вещества и молярной массы:
m = ν * M
где:
m - масса вещества (г),
ν - количество вещества (моль),
M - молярная масса (г/моль).Это одна из самых важных формул в химии, позволяющая рассчитать массу по количеству вещества и наоборот.
Заключение
Атомно-молекулярное учение, с его ключевыми понятиями атома, химического элемента, молекулы, легло в основу современной химии. Введение атомной единицы массы (а.е.м.) и, главное, безразмерных величин – относительных атомной (Aᵣ) и молекулярной (Mᵣ) масс – позволило сравнивать массы микрочастиц. Однако для практической химии решающее значение имеет переход к макроскопическим количествам. Понятия количество вещества (ν), единица измерения моль и связанная с ними молярная масса (M) образуют мост между миром невидимых атомов и молекул и миром реальных масс и объемов веществ, с которыми работают химики. Постоянная Авогадро (Nₐ) является тем фундаментальным числом, которое обеспечивает этот переход, связывая число частиц с количеством вещества. Понимание этих взаимосвязей абсолютно необходимо для изучения химии и проведения химических расчетов.