Согласно атомно молекулярному учению молекулы вещества. Атомно молекулярное учение

Основы атомно-молекулярного учения впервые были изложены Ломоносовым. В 1741 г. в одной из своих первых работ - «Элементы математической химии» - Ломоносов сформулировал важнейшие положения созданной им так называемой корпускулярной теории строения вещества.

Согласно представлениям Ломоносова, все вещества состоят из мельчайших «нечувствительных» частичек, физически неделимых и обладающих способностью взаимного сцепления. Свойства веществ обусловлены свойствами этих частичек. Ломоносов различал два вида таких частиц: более мелкие - «элементы», соответствующие атомам в современном понимании этого термина, и более крупные - «корпускулы», которые мы называем теперь молекулами.

Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Химически различные вещества имеют и различные по составу корпускулы. «Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом», и «корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе».

Из приведенных определений видно, что причиной различия веществ Ломоносов считал не только различие в составе корпускул, но и различное расположение элементов в корпускуле.

Ломоносов подчеркивал, что корпускулы движутся согласно законам механики; без движения корпускулы не могут сталкиваться друг о другом или как-либо иначе действовать друг на друга и изменяться. Так как все изменения веществ обусловливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики.

За 200 с лишним лет, протекшие с того времени, когда жил и работал Ломоносов, его идеи о строении вещества прошли всестороннюю проверку, и их справедливость была полностью подтверждена. В настоящее время на атомно-молекулярном учении базируются все наши представления о строении материи, о свойствах веществ и о природе физических и химических явлений.

В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц. Различие между веществами обусловлено различием между их частицами; частицы одного вещества одинаковы, частицы различных веществ различны. При всех условиях частицы вещества находятся в движении; чем выше температура тела, тем интенсивнее это движение.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Атом - наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, - двухатомны, воды - трехатомны и т. д. Молекулы наиболее сложных веществ - высших белков, и нуклеиновых кислот - построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч.

При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Нередко у учащихся возникает вопрос, почему молекула данного вещества не обладает его физическими свойствами. Для того чтобы лучше понять ответ на этот вопрос, рассмотрим несколько физических свойств веществ, например температуры плавления и кипения, теплоемкость, механическую прочность, твердость, плотность, электрическую проводимость.

Такие свойства, как температуры плавления и кипения, механическая прочность и твердость, определяются прочностью связи между молекулами в данном веществе при данном его агрегатном состоянии; поэтому применение подобных понятий к отдельной молекуле не имеет смысла. Плотность - это свойство, которым отдельная молекула обладает и которое можно вычислить. Однако плотность молекулы всегда больше плотности вещества (даже в твердом состоянии), потому что в любом веществе между молекулами всегда имеется некоторое свободное пространство. А такие свойства, как электрическая проводимость, теплоемкость, определяются не свойствами молекул, а структурой вещества в целом. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, что эти свойства сильно изменяются при изменении агрегатного состояния вещества, тогда как молекулы при этом не претерпевают глубоких изменений. Таким образом, понятия о некоторых физических свойствах не применимы к отдельной молекуле, а о других - применимы, но сами эти свойства по своей величине различны для молекулы и для вещества в целом.

Не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие вещества в твердом и жидком состоянии, например большинство солей, имеют не молекулярную, а ионную структуру. Некоторые вещества имеют атомное строение. Строение твердых тел и жидкостей более подробно будет рассмотрено в главе V, а здесь лишь укажем на то, что в веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.

§ 1 М.В. Ломоносов, как основоположник атомно-молекулярного учения

Начиная с XVII века, в науке существовало молекулярное учение, которое использовалось для объяснения физических явлений. Практическое применение молекулярной теории в химии было ограничено тем, что ее положения не могли объяснить сущность протекания химических реакций, ответить на вопрос, как из одних веществ в ходе химического процесса образуются новые.

Решение этого вопроса оказалось возможным на основе атомно-молекулярного учения. В 1741 г. в книге «Элементы математической химии» Михаил Васильевич Ломоносов фактически сформулировал основы атомно-молекулярного учения. Русский учёный-энциклопедист рассматривал строение вещества не как определенную комбинацию атомов, но как сочетание более крупных частиц - корпускул, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц - элементов.

Терминология Ломоносова со временем претерпела изменения: то, что он называл корпускулами, стали называть молекулами, а на смену термину элемент пришёл термин атом. Однако суть высказанных им идей и определений блестяще выдержала испытание временем.

§ 2 История развития атомно-молекулярного учения

История развития и утверждения в науке атомно-молекулярного учения оказалась очень непростой. Работа с объектами микромира вызывала огромные трудности: атомы и молекулы было невозможно увидеть и, таким образом, убедиться в их существовании, а попытки измерения атомных масс нередко заканчивались получением ошибочных результатов. Через 67 лет после открытия Ломоносова, в 1808 году, известный английский учёный Джон Дальтон выдвинул атомную гипотезу. Согласно ей, атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые невозможно разделить на составные части или превратить друг в друга. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют совершенно одинаковый вес и отличаются от атомов других элементов. Соединив учение об атомах с учением о химических элементах, разработанным Робертом Бойлем и Михаилом Васильевичем Ломоносовым, Дальтон обеспечил прочный фундамент для дальнейших теоретических исследований в химии. К сожалению, Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ. Он считал, что из молекул состоят только сложные вещества. Это не способствовало дальнейшему развитию и применению атомно-молекулярного учения.

Условия для распространения идей атомно-молекулярного учения в естествознании сложились лишь во второй половине XIX века. В 1860 году на Международном съезде естествоиспытателей в немецком городе Карлсруэ были приняты научные определения атома и молекулы. Учения о строении веществ тогда ещё не было, поэтому было принято положение о том, что все вещества состоят из молекул. Считалось, что простые вещества, например металлы, состоят из одноатомных молекул. Впоследствии такое сплошное распространение принципа молекулярного строения на все вещества оказалось ошибочным.

§ 3 Основные положения атомно-молекулярного учения

1.Молекула - наименьшая часть вещества, сохраняющая его состав и важнейшие свойства.

2.Молекулы состоят из атомов. Атомы одного элемента сходны друг с другом, но отличаются от атомов других химических элементов.

Ломоносов подчеркивал, что корпускулы движутся согласно законам механики; без движения корпускулы не могут сталкиваться друг с другом или как-либо иначе действовать друг на друга и изменяться. Так как все изменения веществ обусловливаются движением корпускул, то химические превращения должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики.

В основе атомно-молекулярного учения лежит принцип дискретности (прерывности строения) вещества: всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень малых частиц. Различие между веществами обусловлено различием между их частицами; частицы одного вещества одинаковы, частицы различных веществ различны. При всех условиях частицы вещества находятся в движении; чем выше температура тела, тем интенсивнее это движение.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы в свою очередь состоят из атомов. Атом - наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. В состав молекулы может входить различное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, - двухатомны, воды - трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ - высших белков и нуклеиновых кислот - построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Материал из Юнциклопедии

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества.

Первые представления о том, что вещество состоит из отдельных неделимых частиц, появились в глубокой древности и поначалу разрабатывались в русле общих философских представлений о мире. Например, некоторые философские школы Древней Индии (I тыс. до н. э.) признавали не только существование первичных неделимых частиц вещества (ану), но и их способность соединяться друг с другом, образуя новые частицы. Аналогичные учения существовали и в других странах древнего мира. Наибольшую известность и влияние на последующее развитие науки оказала древнегреческая атомистика, создателями которой были Левкипп (V в. до н. э.) и Демокрит (р. ок. 460 до н. э. - ум. ок. 370 до н. э.). «Причинами всех вещей,- писал древнегреческий философ и ученый Аристотель (384–322 до н. э.), излагая демокритовское учение,- являются определенные различия в атомах. А различий этих три: форма, порядок и положение». В работах самого Аристотеля встречается важное понятие о миксисе - однородном соединении, образованном из различных веществ. Позднее древнегреческий философ-материалист Эпикур (342–341 до н. э. - 271–270 до н. э.) ввел понятие о массе атомов и их способности к самопроизвольному отклонению во время движения.

Важно отметить, что, по мысли многих древнегреческих ученых, сложное тело - это не простая смесь атомов , а качественно новое целостное образование, наделенное новыми свойствами. Однако у греков еще не выработалось понятие об особых «многоатомных» частицах - молекулах , промежуточных между атомами и сложными телами, которые были бы мельчайшими носителями свойств тел.

В средние века наблюдалось резкое ослабление интереса к античному атомизму. Церковь обвиняла древнегреческие философские учения в утверждении того, что мир возник из случайных сочетаний атомов, а не по воле божьей, как того требовала христианская догма.

В XVI–XVII вв. в обстановке общекультурного и научного подъема начинается возрождение атомизма. В этот период передовые ученые разных стран: Г. Галилей (1564–1642) в Италии, П. Гассенди (1592–1655) во Франции, Р. Бойль (1627–1691) в Англии и другие - провозгласили принцип: не искать истину в Священном писании, а «непосредственно» читать книгу природы

П. Гассенди и Р. Бойлю принадлежит главная заслуга в дальнейшей разработке античной атомистики. Гассенди ввел понятие о молекуле , под которой он понимал качественно новое образование, составленное путем соединения нескольких атомов. Широкую программу создания корпускулярной философии природы предложил Р. Бойль. Мир корпускул, их движение и «сплетение», по мысли английского ученого, весьма сложны. Мир в целом и его мельчайшие частицы - это целесообразно устроенные механизмы. Корпускулы Бойля - это уже не первичные недробимые атомы античных философов, а сложное целое, способное менять свое строение путем движения.

«С тех пор, как я прочитал Бойля,- писал М. В. Ломоносов,- мною овладело страстное желание исследовать мельчайшие частицы». Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711–1765) развил и обосновал учение о материальных атомах и корпускулах. Он приписывал атомам не только неделимость, но и активное начало - способность к движению и взаимодействию. «Нечувствительные частицы должны различаться массою, фигурою, движением, силою инерции или расположением». Корпускулы однородных тел, по Ломоносову, «состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны или соединены различным образом или в различном числе». Лишь потому, что изучение массовых отношений в начале XVIII в. только начиналось, Ломоносов не смог создать количественное атомно-молекулярное учение.

Это сделал английский ученый Д. Дальтон (1766–1844) . Он рассматривал атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов прежде всего массой. Химическое соединение , по его учению, представляет собой совокупность «сложных» (или «составных») атомов, содержащих определенные, характерные лишь для данного сложного вещества количества атомов каждого элемента. Английский ученый составил первую таблицу атомных масс, но в силу того, что его представления о составе молекул зачастую опирались на произвольные допущения, основанные на принципе «наибольшей простоты» (например, для воды он принял формулу ОН), эта таблица оказалась неточной.

Кроме того, в первой половине XIX в. многие химики не верили в возможность определения истинных атомных масс и предпочитали пользоваться эквивалентами, которые можно было найти экспериментально. Поэтому одному и тому же соединению приписывались разные формулы, а это вело к установлению неправильных атомных и молекулярных масс.

Одними из первых, кто начал борьбу за реформу теоретической химии, были французские ученые Ш. Жерар (1816–1856) и О. Лоран (1807–1853), которые создали правильную систему атомных масс и химических формул. В 1856 г. русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907) , а затем независимо от него итальянский химик С. Канниццаро (1826 - 1910) предложили метод вычисления молекулярной массы соединений по удвоенной плотности их паров относительно водорода. К 1860 г. этот метод определился в химии, что имело решающее значение для утверждения атомно-молекулярной теории. В своем выступлении на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860) Канниццаро убедительно доказал правильность идей Авогадро, Жерара и Лорана, необходимость их принятия для верного определения атомных и молекулярных масс и состава химических соединений. Благодаря работам Лорана и Канниццаро химики осознали различие между той формой, в которой элемент существует и вступает в реакции (например, для водорода это H 2), и той формой, в которой он присутствует в соединении (HCl, H 2 O, NH 3 и т. д.). В итоге конгрессом были приняты следующие определения атома и молекулы: молекула - «количество тела, вступающее в реакции и определяющее химические свойства»; атом - «наименьшее количество элемента, входящее в частицы (молекулы) соединений». Было также принято предложение считать понятие об «эквиваленте» эмпирическим, не совпадающим с понятиями «атом» и «молекула».

Установленные С. Канниццаро атомные массы послужили Д. И. Менделееву основой при открытии периодического закона химических элементов . Решения конгресса благотворно повлияли на развитие органической химии , ибо установление формул соединений открыло путь для создания структурной химии.

Таким образом, к началу 1860‑х гг. атомно-молекулярное учение сформировалось в виде следующих положений.

1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества - температуры кипения и плавления, механическая прочность, твердость и т. д. - обусловлены поведением большого числа молекул и действием межмолекулярных сил.

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются друг с другом в определенных отношениях (см. Молекула ; Химическая связь ; Стехиометрия).

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O 2 , O 3 , P 4 , N 2 и т. д.); молекулы сложных веществ - из разных атомов (H 2 O, HCl).

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны друг с другом (см. Теория химического строения ; Изомерия).

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию, а некоторые её положения были пересмотрены.

Было установлено, что атом не является неделимым бесструктурным образованием. Об этом, впрочем, догадывались и многие ученые в прошлом веке.

Выяснилось, что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения, особенно в твердом и жидком состоянии, имеют ионную структуру, например соли . Некоторые вещества, например инертные газы , состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. Кроме того, вещество может состоять из частиц, образованных путем объединения (ассоциации) нескольких молекул. Так, химически чистая вода образована не только отдельными молекулами H 2 O, но и полимерными молекулами (H 2 O)n, где n = 2–16; одновременно в ней присутствуют гидратированные ионы H + и OH − . Особую группу соединений составляют коллоидные растворы. И наконец, при нагревании до температур порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние - плазму , которая представляет собой смесь атомов , положительных ионов , электронов и атомных ядер.

Оказалось, что количественный состав молекул при одинаковом качественном составе может меняться иногда в широких пределах (например, оксид азота может иметь формулу N 2 O, NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 4 , N 2 O 5 , NO 3), при этом, если рассматривать не только нейтральные молекулы, но и молекулярные ионы, то границы возможных составов расширяются. Так, молекула NO 4 неизвестна, но недавно был открыт ион NO 3− 4 ; не существует молекулы CH 5 , но известен катион CH + 5 и т. д.

Были открыты так называемые соединения переменного состава, в которых на единицу массы данного элемента приходится различная масса другого элемента, например: Fe 0,89–0,95 O, TiO 0,7–1,3 и т. д.

Было уточнено положение о том, что молекулы состоят из атомов. Согласно современным квантово-механическим представлениям (см. Квантовая химия), у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, т. е. ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом изменяется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу (см. Химическая связь). В этом смысле никаких неизменных атомов в молекулах нет.

Принимая во внимание эти уточнения и дополнения, следует иметь в виду, что современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов давать посредством соединения друг с другом в определенном порядке качественно новые и более сложные образования и о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.

С момента первых догадок человека о существовании атомов и молекул (философское учение древнегреческого ученого Левкиппа; 500-400 г. до н. э.), дошедших до нас, до создания официальной теории атомно-молекулярного учения (I Международный съезд химиков в Германии; 1860 г.) прошло почти 2500 лет.

Основные положения атомно-молекулярной теории:

Все вещества состоят из атомов, молекул, ионов.
Каждый отдельный вид атомов называют химическим элементом.
Все атомы одного и того же элемента одинаковы, но отличаются от атомов любого другого химического элемента.
Молекулы состоят из атомов.
Состав молекул обозначается химической формулой.
Атомы, молекулы, ионы находятся в непрерывном движении.
При химических реакциях молекулы претерпевают изменения, в ходе которых из одних молекул образуются другие, при физических реакциях состав молекул вещества остается неизменным.

Атом является мельчайшей неделимой частицей вещества. Он электрически нейтрален (положительный заряд ядра атома компенсируется отрицательным зарядом электронов, вращающихся вокруг ядра). См. структура атома .

Определенный вид атомов, характеризующихся одинаковым зарядом его ядра, называется химическим элементом .

Химические элементы обозначаются химическими знаками, которые являются начальными буквами латинского названия элемента: О (Oxygenium - кислород), H (Hydrogenium - водород) и пр.

Все химические элементы, известные на данный момент науке, сведены в периодическую систему элементов Д. И. Менделеева , в которой порядковый номер элемента равен заряду ядра его атома (числу протонов, содержащихся в ядре).

Самым распространенным на Земле химическим элементом является кислород, затем идут кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, углерод. Доля всех остальных химических элементов составляет менее 1% от массы земной коры. Во Вселенной самыми распространенными элементами являются водород и гелий.

Как уже было сказано выше, соединения различных элементов образуют молекулы, которые, в свою очередь, могут образовывать простые или сложные вещества.

Простые вещества состоят из атомов только одного химического элемента (O 2 , H 2 , N 2).

Простые вещества в свою очередь подразделяются на металлы (86 элементов) и неметаллы . Металлы имеют свободные электроны, что обусловливает их хорошую электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск.

Сложные вещества состоят из атомов нескольких химических элементов (H 2 O, H 2 SO 4 , HCl).

Некоторые химические элементы могут существовать в виде нескольких простых веществ (например, О 2 - кислород, О 3 - озон и проч.), это, так называемые, аллотропные модификации . При этом аллотропия может быть вызвана не только различным числом атомов элемента, но также и строением кристаллической решетки вещества (аллотропные модификации углерода - алмаз, графит, карбин).