Химия — молекулярный взгляд на материю

Огромное разнообразие материи, присутствующее в нашем мире, состоит из комбинаций всего около 100 основных веществ, называемых элементами. Наш повседневный опыт взаимодействия с материей происходит на макроуровне, то есть мы имеем дело с образцами материи такого размера, который можем видеть, держать в руках и манипулировать ими. Однако основными строительными блоками материи являются атомы и молекулы, из которых состоят элементы и соединения. В наших взаимодействиях с материей мы не работаем с этими чрезвычайно мелкими отдельными частицами и обычно не наблюдаем их. Атомы и молекулы существуют на наноуровне. (Общее значение приставки «нано» — чрезвычайно малый; как мы увидим далее в этой главе, она имеет определённое числовое значение — одна миллиардная.)

Химический взгляд на природу заключается в том, что всё в окружающем нас мире состоит из атомов, объединённых определённым образом. Большинство веществ состоят из небольших единиц, называемых молекулами. Все свойства и поведение материи обусловлены свойствами её атомов и молекул, а также способами их взаимодействия друг с другом. На протяжении нашего изучения химии мы всегда стараемся связать наши макроскопические наблюдения за материей с наноуровневыми свойствами и поведением её составляющих атомов и молекул. Понимание этих взаимосвязей является самой сутью химии; оно предоставляет нам мощный способ описания окружающего мира и надежду на ответственный контроль над ним, пока мы ищем ответы на вопросы, подобные тем, что были заданы в начале этой главы.

В следующих публикациях мы будем изучать атомы и молекулы более подробно. А пока давайте рассмотрим некоторые основные способы, которыми химики представляют и осмысливают эти важные частицы.

Греческий философ Демокрит (470–400 гг. до н.э.) предположил, что вся материя состоит из крошечных, дискретных, неделимых частиц, которые он назвал атомами. Его идеи, основанные исключительно на философских размышлениях, а не на экспериментальных данных, отвергались в течение 2000 лет. К концу XVIII века учёные начали осознавать, что концепция атомов объясняет многие экспериментальные наблюдения о природе материи.

К началу XIX века Закон сохранения материи (см. пред. пуб.) и Закон постоянства состава (см. раздел 1-6) были приняты как общие описания поведения материи. Джон Дальтон (1766–1844), английский учитель, попытался объяснить, почему материя ведёт себя столь систематично, как это выражено в этих законах. В 1808 году он опубликовал первые «современные» идеи о существовании и природе атомов. Объяснение Дальтона обобщило и расширило размытые концепции ранних философов и учёных; что более важно, его идеи были основаны на воспроизводимых экспериментальных результатах измерений, проведённых многими учёными. Эти идеи составляют основу Атомной теории Дальтона, одной из вершин в истории научной мысли. В сжатой форме идеи Дальтона можно сформулировать следующим образом:

1. Элемент состоит из чрезвычайно малых, неделимых частиц, называемых атомами.

2. Все атомы данного элемента обладают одинаковыми свойствами, которые отличаются от свойств атомов других элементов.

3. Атомы не могут быть созданы, уничтожены или превращены в атомы другого элемента посредством химических или физических изменений.

4. Соединения образуются, когда атомы разных элементов соединяются друг с другом в малых целочисленных соотношениях.

5. Относительные количества и виды атомов постоянны в данном соединении.

Дальтон считал, что атомы являются твёрдыми, неделимыми сферами, — идея, которую мы теперь отвергаем. Однако он проявил замечательную интуицию в понимании природы материи и её взаимодействий. Некоторые из его идей не могли быть подтверждены (или опровергнуты) экспериментально в то время. Они были основаны на ограниченных экспериментальных наблюдениях его эпохи. Даже с их недостатками, идеи Дальтона предоставили основу, которая могла быть модифицирована и расширена последующими учёными. Таким образом, Джона Дальтона часто считают отцом современной атомной теории.

Наименьшая частица элемента, сохраняющая свою химическую идентичность во всех химических и физических изменениях, называется атомом (Рис. 1-2). Далее мы подробно изучим структуру атома; здесь же давайте просто резюмируем основные особенности его состава. Атомы, а следовательно, и вся материя, состоят в основном из трёх фундаментальных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Это основные строительные блоки атомов.

Рис. 1-2. Относительные размеры атомов благородных газов

Массы и заряды трёх фундаментальных частиц показаны в Таблице 1-1. Массы протонов и нейтронов почти равны, но масса электрона намного меньше. Нейтроны не несут заряда. Заряд протона равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Поскольку любой атом электрически нейтрален, он содержит равное количество электронов и протонов.

Таблица 1-1. Фундаментальные частицы материи

Атомный номер (обозначается символом Z) элемента определяется как количество протонов в ядре. В периодической таблице элементы расположены в порядке увеличения атомных номеров. Это красные числа над символами элементов в периодической таблице на внутренней стороне обложки. Например, атомный номер серебра равен 47.

Молекула — это наименьшая частица элемента или соединения, которая может существовать независимо и стабильно. В почти всех молекулах два или более атомов связаны вместе в очень малых, дискретных единицах (частицах), которые электрически нейтральны.

Например, отдельные атомы кислорода не стабильны при комнатной температуре и атмосферном давлении. В этих условиях атомы кислорода быстро соединяются, образуя пары, связанные химическими связями. Кислород, с которым мы все знакомы, состоит из двух атомов кислорода; это двухатомная молекула с формулой O₂. Водород, азот, фтор, хлор, бром и йод — другие примеры двухатомных молекул (Рис. 1-3).

Рис. 1-3. Модели двухатомных молекул некоторых элементов, приблизительно в масштабе. Они называются объёмными моделями, так как показывают атомы с их приблизительными относительными размерами

Некоторые другие элементы существуют в виде более сложных молекул. Одна из форм молекул фосфора состоит из четырёх атомов, а сера существует в виде восьмиатомных кольцеобразных молекул при обычных температурах и давлениях. Молекулы, содержащие два или более атомов, называются многоатомными молекулами (Рис. 1-4).

Рис. 1-4. Объёмные модели некоторых многоатомных элементов

В современной терминологии O₂ называется дикислородом, H₂ — диводородом, P₄ — тетрафосфором и так далее. Хотя такая терминология официально предпочтительна, она ещё не получила широкого распространения. Большинство химиков по-прежнему называют O₂ кислородом, H₂ водородом, P₄ фосфором и так далее.

Молекулы соединений состоят из более чем одного вида атомов в определённом соотношении. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Молекула метана состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. Формы нескольких молекул показаны на Рис. 1-5 в виде шаростержневых моделей.

Рис. 1-5. Формулы и шаростержневые модели молекул некоторых соединений. Шаростержневые модели представляют атомы в виде меньших сфер, чем в объёмных моделях, чтобы показать химические связи между атомами в виде «стержней». Один «стержень» между атомами представляет одинарную связь, два стержня — двойную связь, три стержня — тройную связь и так далее

Атомы являются строительными блоками молекул, а молекулы — стабильными формами многих элементов и соединений. Мы можем изучать образцы соединений и элементов, состоящие из огромного количества атомов и молекул. С помощью сканирующего зондового микроскопа теперь можно «увидеть» атомы. Потребовались бы миллионы атомов, чтобы выстроить их в ряд длиной с диаметр точки в конце этого предложения.