Естествознание

От океана до молекулы

 
 
01

Все, что существует вокруг нас, современная наука называет материей. Ее разнообразные виды, от мельчайших песчинок до гигантских планет, и образуют этот огромный удивительный мир.

02

Материя встречается нам в двух формах. Первая форма материи, частицы которой обладают массой, называется веществом. Вещества — это воздух, вода, животные и растительные ткани, огромное множество других материалов. Ко второй форме материи относятся поля. С помощью различных полей частицы вещества взаимодействуют друг с другом. Например, благодаря гравитационному полю, Земля притягивает к себе всех своих обитателей. Свет, радиоволны, рентгеновское излучение — все это примеры полей (рис. 1).

Серия «Вещества и их превращения»

От океана до молекулы

Произношение химических формул

Классификация веществ

Поиск простейшей формулы по массовым долям элементов

Моль: простой и удобный

Рис. 1
Две формы материи: вещества и поля
Фото Виктора Игумнова. Публикуется с разрешения автора
03

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

 
   
04

Объекты, состоящие из веществ, называются макроскопическими телами: их можно увидеть, потрогать, попробовать на вкус. Таким образом, железо, стекло и глина — это вещества, а шуруп, стакан и глиняная фигурка — тела (рис. 2).

 
Рис. 2
Вещество (глина) и тело (глиняная фигурка)
05
 
 
   
06

Каждое макроскопическое тело состоит из более мелких частиц. Наименьшая частица вещества, сохраняющая все его свойства называется молекулой. Давайте представим, например, что у нас есть капля воды и мы разделяем ее на две более мелкие капли. Затем одну из них — на две еще более мелкие капли, и так далее, пока, наконец, перед нами не окажется настолько маленькая «капелька», что разделить ее будет уже невозможно. Это и есть молекула (рис. 3).

 
Рис. 3
Молекула воды
В основе иллюстрации лежит лицензионная фотография
07
 
 
   
   
08

Молекулы могут быть самыми разными (рис. 4): длинными, симметричными, разветвленными, замкнутыми в кольца и закрученными в спираль; размеры самых больших из них имеют величину порядка 10–7 м (можно разглядеть в микроскоп), самых маленьких — 10–10 м.

 
Рис. 4
Молекулы трех веществ: воды, углекислого газа, уксусной кислоты
09
вода углекислый газ уксусная кислота
 
 
   
   
10

Вещества, состоящие из одинаковых молекул, называются чистыми, однако в природе их практически нет: абсолютное большинство веществ существует только в составе различных смесей. Например, молоко — смесь воды, белков, жиров и углеводов, а воздух — смесь азота, кислорода и некоторых других газов.

11

Молекулы состоят из более мелких частиц — атомов; именно атомы изображены в виде шариков на рис. 3 и 4. На сегодня известно более 1 800 различных атомов, однако многие из них очень похожи друг на друга и незначительно различаются лишь своей массой. Такие атомы объединили под общим названием химический элемент (рис. 5).

 
Рис. 5
Атомы двух элементов: водорода и кислорода
12
атомы одного вида —
химический элемент Водород
 
 
атомы другого вида —
химический элемент Кислород
 
 
 
   
   
13 Элементов уже значительно меньше — всего 118. Таким образом, каждый элемент объединяет в себе от 2 до 29 похожих атомов. Химические элементы собраны в периодической системе элементов, первый вариант которой составил в 1869 году величайший русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (рис. 6).

Интерактивные варианты периодической системы: на русском языке, in English

14
Рис. 6
Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907)
   
15 Для каждого элемента в периодической системе указаны (рис. 7):
  • символ, состоящий или из одной заглавной, или из двух — заглавной и строчной букв латинского алфавита, например H, P, Si, Mn;
  • название;
  • номер;
  • атомная масса в специальных химических единицах;
  • строение атомов.

 
Рис. 7
Ячейка периодической системы элементов Д. И. Менделеева
16
 
 
   
17 Названия некоторых элементов, как и сами эти элементы, известны с незапамятных времен (медь, серебро, золото), другие были названы в честь выдающихся ученых (резерфордий) или даже в честь целых государств (германий). Русскоязычное произношение элементов, используемое в устной речи, может совпадать:
  • с символом, например: водород, H — произносится «аш»;
  • с латинским называнием, например: кремний, Si — произносится «сили́циум»;
  • с русским называнием, например: алюминий, Al — произносится «алюминий».

18

Названия и произношение элементов, у которых произношение совпадает либо с символом, либо с латинским названием, приведены в таблице. У всех остальных элементов, которые в эту таблицу не вошли, произношение будет совпадать с русским названием.

 
 
19
Таблица. Названия и произношение элементов
номер элемента русское название латинское название символ произношение
1 Водород Hydrogenium H аш
6 Углерод Carboneum C цэ
7 Азот Nitrogenium N эн
8 Кислород Oxygenium O о
14 Кремний Silicium Si сили́циум
15 Фосфор Phosphorus P пэ
16 Сера Sulfur S эс
26 Железо Ferrum Fe фэ́ррум
29 Медь Cuprum Cu ку́прум
33 Мышьяк Arsenicum As арсе́никум
47 Серебро Argentum Ag арге́нтум
50 Олово Stannum Sn ста́ннум
51 Сурьма́ Stibium Sb сти́биум
79 Золото Aurum Au а́урум
80 Ртуть Hydrargyrum Hg гидра́ргирум
82 Свинец Plumbum Pb плю́мбум
 
 
   
   
20 Попробуйте сами!
  1. Какие из веществ, на ваш взгляд, являются чистыми, а какие — смесями?
золото
кровь
полиэтилен
ананасовый сок
сахар
бетон
зубная паста
Золото, полиэтилен и сахар — чистые вещества, остальные — смеси

2. Каждому веществу из первого столбца сопоставьте макроскопическое тело из второго:
фарфор
резина
соленая вода
нейлон
древесина
серебро
непромокаемая куртка
цепочка
тарелка
бревно
велосипедная шина
море

3. Найдите в периодической системе элементы, названные в честь:
Энрике Ферми
Альберта Эйнштейна
Д. И. Менделеева
России (подсказка — в символе)
 
   
  ***
 
 
21 Итак, мы уже знаем, что атомы способны соединяться между собой, образуя молекулы. Силы, которые удерживают атомы вместе, называются химическими связями. Они чем-то напоминают гравитацию, которая не позволяет нам просто так оторваться от поверхности Земли и улететь в открытый космос (рис. 8). Таким образом, молекулу, на самом деле, можно описать с двух точек зрения:
  • это наименьшая частица вещества, сохраняющая все его свойства;
  • это система взаимодействующих атомов, соединенных друг с другом посредством химических связей.

 
Рис. 8
Аналогия гравитации и химических связей
22
 
 
   
   
23 Наконец, мы подошли к самому главному определению — определение химии:
химия — это наука о веществах, их строении, свойствах и взаимных превращениях.
24

Превращения одних веществ в другие называются химическими реакциями. Вокруг нас постоянно протекают самые разные химические реакции. При сгорания топлива в двигателе самолета смесь одних веществ, называемая керосином, превращается в другие вещества — выхлопные газы. В ясный день их можно наблюдать на небе в виде белой полосы, тянущейся за самолетом. Или, например, ржавчина — вещество, образующееся в результате химической реакции железа с кислородом в присутствии влаги (рис. 9).

 
Рис. 9
Ржавчина
Original by Dru! on flickr.com
25
 
 
   
   
26

Кроме химических реакций, вещества могут участвовать так же и в физических процессах. Физическим процессом называется процесс, в котором изменяются какие-либо свойства вещества, а само вещество остается неизменным. Примером физического процесса является таяние снега: одно и то же вещество — вода — переходит из твердого состояния в жидкое.

27 В химии принято говорить на языке химических формул, роль букв в котором исполняют символы химических элементов. Химические формулы бывают трех видов — истинные, эмпирические и структурные. Истинная формула показывает точное количество атомов каждого элемента в одной молекуле. Этому количеству отвечает индекс — маленькая цифра после символа соответствующего элемента. Если индекс равен 1, т. е. в молекуле присутствует только один атом данного элемента, то такой индекс не указывают:
H2O C2H4O2 ← истинные формулы
вода уксусная кислота  
   
28 Эмпири́ческая (или простейшая) формула показывает только соотношение атомов в молекуле. Для того, чтобы перейти от истинной формулы к эмпирической, нужно разделить все индексы в истинной формуле на их наибольший общий делитель. В случае воды эмпирическая формула совпадает с истинной, в случае уксусной кислоты — нет:
H2O CH2O ← эмпирические формулы
вода уксусная кислота  
   
29 Структурные формулы отражают не только состав, но и строение молекулы; в них химические связи обозначаются черточками:
 
вода   уксусная кислота
   
30 И, наконец, стоит отметить, что существует множество веществ, содержащих в молекуле несколько одинаковых групп атомов. В этом случае группу берут в круглые скобки, а количество таких групп обозначают индексом после всей скобки, например:
 
 
 
Ca(OH)2 истинная и эмпирическая формула
гашёная известь,
содержит две группы —O—H
 
 
31 Произносятся химические формулы в той же последовательности, что и пишутся: H2O — «аш два о», C2H4O2 — «це два аш четыре о два». Если индекс относится к группе атомов, то он произносится с суффиксом -жды: Ca(OH)2 — «кальций о аш дважды».

Здесь можно потренироваться в произношении химических формул

 
 
   
   
32 Ваша очередь ;-)
  4. Какие из нижеперечисленных формул опредленно являются истинными, а какие могут оказаться как истинными, так и эмпирическими?
CaCl2
N2O4
C2H6
H2Cr2O7
HNO3
O3
C4H10O
C4H10S2

5. Запишите истинные и эмпирические формулы следующих веществ:

6. Запишите и попробуйте произнесите вслух истинные и эмпирические формулы веществ, молекулы которых состоят из:
  1. двух атомов фосфора и трех атомов кислорода;
  2. двух атомов углерода и четырех атомов водорода;
  3. одного атома водорода, одного атома хлора и трех атомов кислорода;
  4. двух атомов углерода, двух атомов водорода и четырех атомов кислорода;
  5. одного атома свинца и четырех групп .
   
  ***
 
 
 
«Вещества и их превращения — От океана до молекулы», август–сентябрь 2010 Д. В. Широков
© 2009–2011 «Естествознание»
При перепечатке материалов ссылка на ресурс обязательна
Пишите нам: mail@nscience.ru
О проекте