Атомы и молекулы: в чём разница простыми словами

Атом является частицей элемента. Молекула состоит из связанных атомов.

Возьмите стакан воды: в нём множество молекул H₂O, и каждая собрана из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Если разобрать одну молекулу на атомы, воды уже не получится. Разберём, почему кислород O₂ тоже молекула, а соль NaCl устроена иначе, и научимся читать простые формулы без зубрёжки.

В статье вы узнаете:

• Начнём со стакана воды
• Что такое атом и что у него внутри
• Как из атомов получается молекула
• Элемент, вещество и смесь: три разных уровня
• Как читать химическую формулу
• Почему у соли есть формула, но нет отдельной молекулы NaCl
• Что происходит при нагревании, растворении и реакции
• Насколько малы атомы и можно ли их увидеть
• Проверьте себя на четырёх примерах

Начнём со стакана воды

Когда вы переливаете воду в другой стакан, молекулы H₂O не превращаются в другие. Если заморозить воду, они тоже останутся H₂O, хотя их расположение и движения изменятся. Значит, одну и ту же молекулу можно встретить в разных состояниях вещества: в жидкой воде, льду и паре.

Теперь мысленно разделим одну молекулу на части. Отделив один атом водорода, мы уже не получим более мелкую каплю воды. Состав H₂O нарушен. Так появляется первая полезная граница: атом определённого элемента и молекула определённого вещества отвечают на разные вопросы. Первый говорит, какой это вид атома. Вторая показывает, какие атомы и как соединены в самостоятельную частицу.

Слово «молекула» применимо не ко всему подряд. В молекуле кислорода O₂ атомы одинаковые, а в воде H₂O разные. В кристалле поваренной соли отдельные молекулы NaCl не лежат рядами: там есть ионы натрия и хлора, собранные в общую решётку. Значит, нельзя по любой формуле автоматически заявлять «это одна молекула».

Что такое атом и что у него внутри

Атом является наименьшей частицей, сохраняющей принадлежность к химическому элементу. У него есть крошечное ядро из протонов и, как правило, нейтронов. Вокруг ядра находится область, где могут обнаруживаться электроны. Протон имеет положительный электрический заряд, электрон отрицательный, нейтрон заряда не имеет. В нейтральном атоме протонов и электронов поровну.

Вид элемента задаёт число протонов. У всех атомов водорода по одному протону, у всех атомов углерода по шесть, у всех атомов кислорода по восемь. Ядро с девятью протонами принадлежит уже другому элементу, фтору. При обычной химической реакции ядра не меняются, поэтому превратить кислород во фтор таким способом невозможно.

Нейтронов у атомов одного элемента может быть разное число. Такие варианты называют изотопами: элемент остаётся прежним, потому что число протонов не изменилось. Самый распространённый атом водорода имеет один протон и ни одного нейтрона; у дейтерия тоже один протон, но есть один нейтрон. Электроны атом может терять или присоединять. Тогда возникает заряженная частица, ион, но принадлежность к элементу опять определяется протонами.

Школьный рисунок с электронами на аккуратных круговых орбитах помогает запомнить части атома, но не показывает их настоящее движение. Электрон нельзя представить шариком, который летит по нарисованной окружности, как планета вокруг Солнца. Для первого знакомства достаточно понимать, что ядро несёт почти всю массу атома, а электроны занимают окружающую область и участвуют в химических связях.

Атом не является самой маленькой частицей природы: внутри него есть протоны, нейтроны и электроны, а физика исследует ещё более глубокий уровень. Однако в обычных химических задачах атом удобен как единица учёта элемента. Когда говорят, что в реакции «атомы сохранились», имеют в виду именно обычную химическую реакцию, а не ядерное превращение.

Как из атомов получается молекула

Мысленно возьмём два отдельных атома водорода H. При соединении они образуют H₂: теперь это одна молекула из двух атомов. Обычный водородный газ как раз состоит из таких молекул. Связь возникает из-за взаимодействия ядер и электронов. Не нужно думать о ней как о палочке или капле клея между шариками. Палочка на учебной модели лишь отмечает, какие атомы связаны.

Молекула может содержать одинаковые атомы, как кислород O₂ или азот N₂. Она может содержать разные атомы, как вода H₂O или углекислый газ CO₂. В обоих случаях мы говорим об отдельной электрически нейтральной частице из нескольких атомов. Если атомы составляют устойчивое целое, состав и взаимное расположение имеют значение: два набора с одинаковым количеством атомов иногда образуют разные вещества, когда связи устроены иначе.

Важно не путать связь внутри молекулы и взаимодействие между молекулами. В жидкой воде каждая H₂O сохраняет два атома H и один O; соседние молекулы притягиваются друг к другу, но не становятся одной гигантской молекулой. Когда вода испаряется, молекулы удаляются друг от друга. Когда пар конденсируется, сближаются. Состав H₂O при этом не меняется.

Молекулы бывают очень разными по размеру. Некоторые состоят из двух атомов, а в крупных органических молекулах атомов гораздо больше. Но размер сам по себе не поможет отличить молекулу от атома. Надёжный признак молекулы здесь другой: несколько атомов образуют самостоятельную нейтральную частицу.

Элемент, вещество и смесь: три разных уровня

Химический элемент объединяет атомы с одинаковым числом протонов. «Кислород» в этом смысле означает элемент O, а не обязательно газ в комнате. Сам газ обычно состоит из молекул O₂. Ещё существует озон O₃: его молекулы содержат по три атома того же элемента, но свойства кислорода O₂ и озона O₃ различаются. Один элемент может входить в разные вещества.

Чистое химическое вещество имеет определённый состав и свойства. Вода H₂O является химическим соединением двух элементов, водорода и кислорода. Молекулярный кислород O₂ является простым веществом из одного элемента. Чистая поваренная соль NaCl тоже соединение, хотя устроена как ионный кристалл, а не как набор отдельных молекул.

Смесь содержит несколько веществ рядом. Воздух включает главным образом азот и кислород, а также аргон, водяной пар и другие компоненты. Формула одной молекулы «воздуха» невозможна: молекулы N₂ и O₂ не превращаются в одну частицу только потому, что находятся в одной комнате. Морская вода тоже смесь. Она содержит воду и растворённые вещества, состав которых меняется от места к месту.

Проверка простая. Если речь идёт об одном виде атомов, спросите об элементе. Если атомы соединены в одну отдельную частицу, спросите о молекуле. Если перед вами порция материала, уточните, одно ли это вещество или смесь. Так слова «атом», «молекула», «элемент» и «вещество» перестают казаться синонимами.

Как читать химическую формулу

Буквы показывают элементы. Заглавная буква начинает новый символ; следующая строчная, если есть, относится к нему. Поэтому Co означает один символ кобальта, а CO читается как C и O, то есть углерод и кислород. В формулах важен латинский алфавит и регистр букв.

Маленькая цифра справа внизу, индекс, показывает количество атомов элемента в молекуле. H₂O означает два атома H и один O; единицу после O обычно не пишут. CO₂ содержит один C и два O. В O₂ два атома кислорода соединены в одну молекулу. В формулах ионных кристаллов индекс показывает соотношение частиц в формульной единице. Если перед формулой стоит большое число, коэффициент, оно относится ко всей записи: 2H₂O означает две молекулы воды, всего четыре атома H и два O. Одиночная запись 2H, напротив, обозначает два атома водорода, а не молекулу H₂.

Разберём пример, который часто путают: 3CO₂. Одна молекула содержит один атом углерода и два атома кислорода. Три такие молекулы содержат три атома C и шесть атомов O. Всего девять атомов, собранных в три молекулы. Сначала прочитайте индексы внутри одной частицы, затем умножьте на коэффициент перед ней.

Скобки группируют часть формулы. В Ca(OH)₂ индекс 2 после скобки относится и к O, и к H: один кальций, два кислорода, два водорода. Здесь нельзя представлять запись как отдельную молекулу в твёрдом кристалле; формула показывает соотношение ионов и атомов в веществе. Правило счёта по индексам работает, но смысл всей записи нужно выбирать по строению вещества.

Чтобы проверить собственную формулу или узнать массу моля вещества, можно ввести её в калькулятор молярной массы. Он показывает число атомов каждого элемента. Сначала попробуйте H₂O и CO₂, затем запись со скобками. Если результат не совпал с ручным подсчётом, чаще всего забыли применить индекс к группе или перепутали заглавную и строчную букву.

Почему у соли есть формула, но нет отдельной молекулы NaCl

Крупинка соли выглядит единым кристаллом. На уровне частиц это повторяющийся порядок из положительных ионов натрия Na⁺ и отрицательных хлорид-ионов Cl⁻. Каждый ион взаимодействует с соседями в решётке. Выделить в ней одну особую пару Na⁺ и Cl⁻ как самостоятельную нейтральную молекулу, такую же, как H₂O, нельзя.

Формула NaCl сообщает отношение один к одному. На каждый ион натрия приходится один хлорид-ион. В кристалле их очень много, но никакой линии, которая отделяла бы «молекулу № 1» от «молекулы № 2», нет. Поэтому для соли говорят о формульной единице или о соотношении ионов, а не об отдельной молекуле в кристалле.

Похожая осторожность нужна с металлами. Железный гвоздь не состоит из изолированных молекул Fe. Его атомы образуют металлическую структуру. Формула Fe называет элемент и состав чистого вещества, но не утверждает существование самостоятельной молекулы железа в гвозде. У алмаза атомы углерода тоже связаны в протяжённую структуру, а не разделены на маленькие «молекулы C».

Это не усложнение ради исключений. Если не различать молекулу и формульную единицу, трудно объяснить, почему молекулярный кислород является газом, а соль образует кристалл. Формула сообщает состав; строение рассказывает, как частицы держатся вместе и ведут себя.

Что происходит при нагревании, растворении и реакции

Три кухонные ситуации выглядят похоже: лёд тает, сахар растворяется в чае, свеча горит. На уровне частиц это разные истории.

При плавлении льда молекулы воды меняют расположение и характер движения. Лёд становится жидкой водой; новые вещества из-за самого плавления не образуются. При кипении и конденсации происходит тот же вид перемены состояния. Важно не рисовать разрыв связей между H и O внутри каждой молекулы только потому, что лёд растаял.

При растворении сахара его частицы распределяются среди молекул воды. Сахар не исчезает, хотя кристаллы больше не видны. Для поваренной соли картина другая: при растворении ионный кристалл распадается на ионы, которые оказываются в воде. И в том и в другом случае раствор является смесью, а не новой «молекулой солёной воды».

При горении свечи часть веществ реагирует с кислородом. Атомы из исходных веществ перегруппировываются, возникают новые связи и новые вещества. Упрощённый пример реакции: водород и кислород дают воду. Две молекулы H₂ содержат четыре атома водорода, одна молекула O₂ содержит два атома кислорода; из них получаются две молекулы H₂O. Счёт совпадает по обе стороны: четыре H и два O. Именно поэтому коэффициенты в химическом уравнении нельзя менять наугад, а индексы менять нельзя вообще, иначе получится другая формула.

В обычной реакции атомы не появляются из пустоты и не пропадают. Если при сгорании кажется, что масса исчезла, нужно учесть газы, вошедшие из воздуха и ушедшие в воздух. Закрытая система помогает проверить баланс. Для подбора коэффициентов уравнения есть калькулятор коэффициентов реакции, но понимать счёт атомов всё равно полезно: он позволяет заметить неверно записанное вещество.

Насколько малы атомы и можно ли их увидеть

Размер атома зависит от элемента и от того, как договориться проводить его границу: электронное облако не заканчивается резкой линией. Типичный масштаб составляет около одной десятой нанометра, то есть порядка одной десятимиллиардной доли метра. На миллиметровой линейке такой объект не разглядеть даже с сильной лупой. Ядро ещё намного меньше области, занимаемой атомом, хотя почти вся масса сосредоточена в нём.

Шарики на рисунках не являются фотографиями атомов. Их увеличивают, раскрашивают и разводят для чтения состава. Некоторые приборы позволяют получать изображения поверхностей с разрешением, достаточным, чтобы различать атомные структуры. Но и такой снимок следует читать как результат измерения взаимодействия прибора с образцом, а не как обычное фото ярко окрашенных шариков.

Масштаб можно почувствовать через численность. В маленькой порции воды находится колоссальное количество молекул. Химикам удобно считать такие множества в молях: моль задаёт число выбранных частиц, а молярная масса связывает это число с граммами. Это уже отдельный следующий шаг, подробно разобранный в статье о моле в химии. Для различия атома и молекулы огромные числа запоминать не требуется.

Проверьте себя на четырёх примерах

O₂ в баллоне. Одна запись O₂ обозначает молекулу из двух атомов одного элемента. В баллоне много таких молекул. Кислород здесь простое вещество, а не смесь водорода с кислородом.

H₂O в стакане. Одна молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. Вода является соединением разных элементов. При замерзании молекулы сохраняют состав.

NaCl в солонке. Запись даёт отношение ионов натрия и хлорид-ионов один к одному. Твёрдая соль является соединением, но не кучкой отдельных молекул NaCl. Если калькулятор посчитает «один Na и один Cl», это счёт состава формульной единицы, а не фотография кристалла.

Воздух в комнате. В нём одновременно есть молекулы N₂, O₂ и других газов, а также отдельные атомы аргона. Воздух является смесью, поэтому одной неизменной химической формулы для него нет.

Короткое правило, которое выдерживает все четыре случая: сначала спросите, что именно перед вами, отдельный атом, самостоятельная молекула, протяжённая структура или смесь нескольких веществ. Затем читайте формулу и считайте атомы. Тогда индекс ₂, формула NaCl и слово «элемент» не будут отвечать вместо вас на чужой вопрос.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.