Основные структурные единицы

Под структурными единицами подразумеваются те «кирпичики», из которых строится вещество. Основными структурными единицами являются электрон, атом, молекула, ион. Атомы, молекулы, ионы переходят друг в друга с помощью валентных электронов.

Атом – наименьшая электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Свойства элементарных частиц, из которых состоит атом, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Свойства элементарных частиц, образующих атомы

Из табл. 1. следует, что заряд протона по величине равен заряду электрона, но противоположен ему по знаку. Массы протона и нейтрона одинаковы и в 1840 раз превышают массу покоя электрона. Ядро занимает ничтожную часть пространства внутри атома; если атом имеет размер порядка 10^-10м, то радиусы атомных ядер находится в пределах 10^-15-10^-14м, т.е. атом в десятки тысяч раз больше ядра. В то же время почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Это указывает на то, что атом практически пустой. Вот почему физики теоретики всерьез рассуждают о том, что вселенную можно сжать в точку.

Так как заряд электрона является минимальной величиной заряда, то этот заряд принят за (-1). И оказалось, что число протонов в ядре, а, следовательно, и

число электронов в атоме, равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

В современной модели атома состояние в нем электрона определяется четырьмя параметрами – квантовыми числами:главным (n), побочным или орбитальным (l), магнитным (m) и спиновым (s). Сочетание первых трех квантовых чисел (n, l, m) показывает, где в данный момент времени находится электрон в околоядерном пространстве, а спиновое (s) является собственной характеристикой электрона. Оно может принимать только два значения. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (атомных орбиталях, энергетических уровнях) различных атомов, могут взаимодействовать при столкновении этих атомов. В результате этого электроны, называемые валентными, «обслуживают» ядра всех взаимодействующих атомов. Такое состояние энергетически выгодно. Между атомами возникает химическая связь, и они создают молекулу. Таким образом, химическая связь между атомами возникает за счет взаимодействия электронов внешних орбит атомов. Следовательно, молекула– наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекула состоит из атомов, между которыми существует химическая связь. Химические свойства молекулы определяются ее составом (атомами) и строением (химическими связями).

Ион – отрицательно или положительно заряженная частица. Для получения положительно заряженного иона от атома надо «оторвать» валентные электроны. Для получения отрицательного иона надо на внешнюю орбиту атома добавить электроны до завершения этой орбиты. Ионы могут быть получены и при распаде молекул. Например, про растворении в воде электронейтральные молекулы электролитов распадаются на положительно и отрицательно заряженные ионы.

Различают простые и сложные вещества. Простое вещество состоит из атомов одного элемента. Например, железо состоит из атомов Fe; кислород состоит из молекул O₂, состоящих из атомов O.

Сложное вещество состоитиз атомов разных элементов. Например вода состоит из молекул H₂O, состоящих из атомов H и O.

Абсолютные массы атомов и молекул (m₀) очень малы и составляют, например, для атома углерода m(С) = 1,993 ∙ 10^{-26 кг, а для молекулы воды} m(H₂O) = 2,990 ∙ 10^{-26 кг. Пользоваться такими величинами в расчётах неудобно. Поэтому в химии используют относительные значения масс структурных единиц в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а.е.м.)равна 1/12 массы атома углерода 12C}. Относительная атомная масса А₀– это масса атома, выраженная в а.е.м. Эта величина безразмерная. Например, относительная атомная масса кислорода:

A₀(О) = m(О) : 1/12 m(С) = 15,999.

Значения относительных атомных масс приведены в периодической системе элементов.

Относительная молекулярная масса М₀ –масса молекулы, выраженная в а.е.м. Например, относительная молекулярная масса воды:

М₀(H₂O) = m(H₂O) : 1/12 m(С) = 2,990 ∙ 10^-26 / 1,66∙10^-27 = 18,01.

Относительную молекулярную массу можно вычислить по сумме произведений относительных атомных масс атомов на их число в молекуле:

М₀(H₂O) = 2 A₀(Н) + 1 A₀(О) = 2∙1 + 1∙16 = 18.

Число структурных единиц вещества определяется физическим параметром, который называется количеством вещества. Единицей измерения количества вещества является моль.

Один моль – это количество вещества, в котором содержится столько же структурных единиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²C.

Зная абсолютную массу атома углерода можно рассчитать, сколько атомов углерода содержится в 0,012 кг ¹²C или в 1 моле любого вещества:

N_A = 0,012 : 1993 ∙ 10^-26 = 6,02 ∙ 10²³

Число N_A = 6,02 ∙ 10²³ называется числом Авогадро. Таким образом,

1 моль любого вещества содержит 6,02 ∙ 10²³ штук структурных единиц, из которых состоит данное вещество.N_A не зависит ни от природы вещества, ни от агрегатного состояния.

Масса одного моля вещества называется молярной массой (M)и определяется частным от деления массы вещества (m) на его количество (n):

M = m/ n.

Размерность молярной массы: г/моль, или кг/моль.

Важно помнить, что молярная масса M, выраженная в г/моль, численно равна относительной молекулярной массе М₀, а следовательно её можно вычислить по сумме произведений относительных атомных масс атомов на их число в молекуле. Например:

М(H₂O) = 2∙ A₀(Н) + 1∙ A₀(О) = 2 ∙ 1 + 1 ∙ 16 = 18 г/моль.