Как атомы соединяются в молекулы

Молекула состоит из химически связанных атомов. Формула показывает её состав, а пространственная модель помогает рассмотреть форму. Разберём молекулярное и немолекулярное строение и научимся рассчитывать массу молекулы по массам входящих в неё атомов.

1. Атомы и молекулы

В предыдущих уроках мы рассматривали атомы и химические элементы. Атом относится к определённому элементу: например, к водороду, кислороду или углероду. Теперь сделаем следующий шаг. Во многих веществах атомы объединены в отдельные частицы, которые называют молекулами.

Молекула в рамках этого школьного урока — устойчивая частица, состоящая из двух или более связанных между собой атомов. Например, молекула кислорода содержит два атома кислорода, а молекула воды — два атома водорода и один атом кислорода. Между атомами действуют прочные химические связи. Они имеют электрическую природу и связаны с взаимодействием ядер и электронов.

Образование молекулы не означает, что ядра атомов сливаются в одно ядро. В молекуле воды водород остаётся водородом, а кислород — кислородом. При обычных химических превращениях меняются связи и сочетания атомов, но не принадлежность атомов к химическим элементам.

Отдельная молекула — не крошечная капля. Капля воды содержит огромное множество молекул. Такие свойства, как текучесть жидкости, относятся к большому количеству взаимодействующих частиц. Называть одну молекулу «мокрой» или приписывать ей свойства всей капли неточно.

Главная мысль: атом — одна частица определённого элемента; молекула — несколько связанных атомов. Число атомов в молекуле и число представленных элементов могут различаться.

2. Молекулярное и немолекулярное строение

Вещество имеет молекулярное строение, если в нём можно выделить отдельные молекулы. Вода состоит из молекул H₂O, кислород — из O₂, углекислый газ — из CO₂, сахароза — из C₁₂H₂₂O₁₁. Между молекулами тоже действуют силы: иначе они не могли бы образовывать жидкости и твёрдые тела.

Не все вещества состоят из отдельных молекул. В веществах немолекулярного строения частицы объединены в общую протяжённую структуру. Так устроены металлы, многие соли и ряд других веществ. Частицы и характер связей в этих структурах могут быть разными.

Например, кристалл поваренной соли состоит из положительных ионов натрия Na⁺ и отрицательных ионов хлора Cl⁻. Они расположены в общем порядке. Отдельную молекулу NaCl внутри этого кристалла не выделяют. Формула NaCl показывает соотношение ионов 1 : 1. Подробно ионы и типы химической связи будут изучаться позднее; сейчас важно не переносить устройство молекулы воды на любое вещество.

Медь — металл с немолекулярным строением. Запись Cu обозначает медь, но не означает, что металл собран из отдельных «одноатомных молекул меди». В его кристалле действует металлическая связь. Для немолекулярных веществ способ описания массы по формуле нужно отличать от массы реальной отдельной молекулы.

Агрегатное состояние не даёт окончательного ответа о строении. Среди молекулярных веществ есть газы, жидкости и твёрдые вещества. Сахар — наглядный пример твёрдого молекулярного вещества. Запах тоже не служит универсальным критерием: не все молекулярные вещества имеют заметный запах. Неизвестные вещества не проверяют непосредственным вдыханием.

3. Как читать формулу

Молекулярная формула показывает, атомы каких элементов и в каком количестве входят в состав молекулы. Буквенные символы обозначают элементы. Нижние маленькие числа — индексы — показывают число атомов соответствующего элемента. Если индекса нет, подразумевается один атом.

Разберём CO₂. Символ C обозначает углерод; индекса после него нет, значит, атом углерода один. Индекс 2 относится к символу O, поэтому атомов кислорода два. В сумме получаются три атома, но элементов только два. Индекс относится к символу перед ним, а не ко всей формуле.

Молекулярную формулу не сокращают, как дробь. В молекуле перекиси водорода четыре атома, и правильная запись её состава — H₂O₂. Если заменить её на HO, получится запись другого числа атомов. Аналогично формулу глюкозы нельзя заменить на CH₂O, когда требуется указать состав именно её молекулы.

Одни и те же элементы могут образовывать разные вещества. Вода и перекись водорода содержат водород и кислород, но различаются составом молекул и свойствами. Кислород O₂ и озон O₃ состоят из атомов одного элемента, однако тоже являются разными веществами.

4. Форма и модели

Атомы в молекуле не лежат произвольной кучкой: они занимают определённые положения относительно друг друга. Поэтому у молекул есть геометрическая форма. Двухатомная молекула линейна. Среди трёхатомных молекул встречаются и линейные, и угловые.

В молекуле CO₂ атом углерода находится между двумя атомами кислорода, а центры трёх атомов лежат на одной прямой. Молекула воды H₂O имеет угловую форму. Если соединить центры её атомов, получится треугольник; химические связи при этом идут от кислорода к каждому водороду, а отдельной связи H—H в молекуле воды нет.

Метан CH₄ устроен объёмно: четыре атома водорода расположены вокруг атома углерода тетраэдрически. На плоской странице это передают проекцией. Более сложные молекулы могут содержать цепи и кольца. Молекула фуллерена C₆₀ имеет замкнутую форму, напоминающую футбольный мяч, и состоит из шестидесяти атомов углерода. Молекулы белков могут быть намного сложнее небольших учебных примеров.

В шаростержневой модели шары обозначают атомы, а стержни — связи. Такая модель удобна, когда нужно увидеть, какие атомы соединены и под какими направлениями проходят связи. Стержни не являются реальными палочками внутри вещества.

В масштабной модели атомы изображают перекрывающимися сферами, чтобы лучше передать занимаемое ими пространство. Связи могут быть скрыты сферами, но от этого они не исчезают. На странице сравнения обе модели показывают одну молекулу воды: изменение способа изображения не меняет H₂O.

Цвета служат условными обозначениями. Часто кислород отмечают красным, углерод — тёмным, водород — белым или серым, азот — синим. Это не собственные цвета отдельных атомов. Размеры, расстояния, проекции и оттенки учебных изображений всегда имеют ограничения.

5. Размеры молекул

Молекулы чрезвычайно малы. Даже самые маленькие капли воды содержат множество частиц, поэтому мы не видим отдельные молекулы обычным глазом. Среди знакомых примеров особенно мала и легка молекула водорода H₂.

Чтобы представить разницу масштабов, можно сопоставить размер молекулы с размером обычного предмета, а затем размер предмета — с астрономическим расстоянием. Смысл такой аналогии в огромной разнице масштабов. Не нужно воспринимать рисунок как изображение молекулы в настоящем размере.

Сведения о строении молекул получают с помощью специальных физических методов и приборов. Изображение, созданное по измерениям, отличается от увеличенной бытовой фотографии. На нашем сайте используются учебные модели и художественные иллюстрации. Они помогают понять состав и форму, но не являются снимками отдельных молекул.

6. Масса молекулы

Масса одной молекулы очень мала, поэтому удобно выражать её в атомных единицах массы — а. е. м. Для школьных расчётов в этом уроке используем округлённые массы атомов: H — 1, C — 12, N — 14, O — 16 а. е. м. Их берут из периодической таблицы с нужным для задачи округлением.

Чтобы найти массу молекулы, сначала определяют число атомов каждого элемента. Затем массу атома каждого вида умножают на количество таких атомов. Полученные вклады складывают. В химическом расчёте школьного уровня масса молекулы принимается равной сумме масс входящих в неё атомов.

m(H₂O) ≈ 2 · 1 + 1 · 16 = 18 а. е. м.

Результат означает массу одной молекулы воды в атомных единицах массы, а не массу стакана воды в граммах. Точность ответа определяется округлением исходных значений. Поэтому 18 а. е. м. — приближённое значение, достаточное для наших задач.

Полезно различать массу молекулы и относительную молекулярную массу Mᵣ. Последняя показывает, во сколько раз масса молекулы больше атомной единицы массы. Она безразмерна. Для воды в нашем округлении m ≈ 18 а. е. м., а Mᵣ ≈ 18. Число совпадает, запись единиц — нет.

7. Разобранные задачи

Перекись водорода H₂O₂

Атомов водорода два и атомов кислорода два. Вклад водорода: 2 · 1 = 2. Вклад кислорода: 2 · 16 = 32. Масса молекулы: 2 + 32 = 34 а. е. м. Вода имеет массу около 18 а. е. м., потому что в её молекуле на один атом O меньше.

Глюкоза C₆H₁₂O₆

Всего атомов: 6 + 12 + 6 = 24. Элементов три. Для массы считаем иначе: 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 72 + 12 + 96 = 180 а. е. м. Число атомов 24 и масса 180 отвечают на разные вопросы.

Восстановить формулу по описанию

Пусть молекула содержит один атом азота и три атома водорода. Записываем символ азота N без индекса 1, затем H с индексом 3. Получаем NH₃ — аммиак. Масса: 14 + 3 · 1 = 17 а. е. м.

Задача со звёздочкой: углеводород из восьми атомов

Молекула содержит только C и H, всего восемь атомов. Суммарная масса углерода в четыре раза больше суммарной массы водорода. Если атомов C два, их масса равна 24 а. е. м.; тогда масса водорода должна быть 6 а. е. м., что соответствует шести атомам H. Проверяем общее число: 2 + 6 = 8. Формула C₂H₆, масса молекулы 30 а. е. м. Оба условия задачи выполнены.

8. Типичные ошибки

«В CO₂ два атома».

Индекс относится только к кислороду. Углерод тоже нужно посчитать: всего три атома.

«В H₂O три элемента».

Три атома представляют два элемента. Повторяющиеся атомы водорода не становятся разными элементами.

«H₂O₂ можно сократить до HO».

Сокращение изменит состав молекулы. Для молекулярной формулы это недопустимо.

«Если вещество твёрдое, молекул нет».

Сахароза — твёрдое вещество молекулярного строения. Нужно знать внутреннюю структуру.

«У NaCl есть такая же отдельная молекула, как у воды».

В кристалле соли находится общая ионная структура. Формула показывает соотношение ионов.

«Масса CH₄ равна 13».

Нужно учесть четыре атома H: 12 + 4 = 16 а. е. м.

«У Mᵣ единицы а. е. м.».

Относительная величина Mᵣ безразмерна. Единицы а. е. м. относятся к массе одной молекулы.

9. Самопроверка

1. Сколько атомов и химических элементов в NH₃?
2. Чем отличаются составы O₂ и O₃?
3. Почему нельзя сократить формулу C₆H₁₂O₆?
4. Какая модель удобнее показывает связи? Какая лучше передаёт занимаемый атомами объём?
5. Найдите массу одной молекулы CO₂ при C = 12 и O = 16 а. е. м.
6. В каком из веществ — сахаре или меди — можно выделить отдельные молекулы?
7. Одинакова ли форма H₂O и CO₂? Объясните.

Ответы и пояснения

1. Четыре атома двух элементов. 2. В O₂ два атома кислорода, в O₃ три; это разные вещества. 3. Формула должна сохранять реальное число атомов: 6 C, 12 H и 6 O. 4. Связи нагляднее в шаростержневой модели, занимаемый объём — в масштабной. 5. 12 + 2 · 16 = 44 а. е. м.; Mᵣ ≈ 44. 6. В сахаре; медь имеет немолекулярное строение. 7. Нет: вода угловая, углекислый газ линейный.

10. Заметки для учителя

Цель урока. Ученик различает атом и молекулу, читает простые молекулярные формулы, не путает число атомов с числом элементов, объясняет ограничения моделей и вычисляет массу по составу. Отдельно проверяется понимание немолекулярного строения соли и металла.

Маршрут на 40–45 минут. Первые 5 минут — связь с атомами и символами элементов. Около 8 минут — исследование молекул и составление набора атомов. Ещё 7 минут — сравнение моделей и форм. Затем 7 минут — молекулярное и немолекулярное строение. На расчёты отведите 10 минут, оставшееся время — на итоговые вопросы и обсуждение ошибок.

Работа с конструктором. Не трактуйте набор шариков как моделирование химической реакции. Задание проверяет чтение формулы. После верного ответа появляется готовая схема связи атомов. При ошибке попросите назвать, к какому символу относится каждый индекс.

Границы упрощения. Не доказывайте тип строения по одному признаку — состоянию, запаху или температуре плавления. Не утверждайте, что все вещества состоят из молекул. Определение молекулы дано на начальном уровне; расширенное обсуждение частиц, ионов и электронной структуры относится к следующим этапам курса.

Дифференциация. Базовый уровень: H₂, O₂, H₂O, CO₂ и CH₄. Для дополнительной практики подойдут H₂O₂, NH₃ и C₆H₁₂O₆. Задачу C₂H₆ можно решать подбором, не требуя нового алгебраического аппарата. Пусть ученик обязательно проверит и число атомов, и соотношение масс.

Доступность. Все задания доступны кнопками и с клавиатуры. Для сравнения моделей работают стрелки, Home и End. Движение фона отключается отдельной кнопкой, системной настройкой или автоматически на телефоне. Четыре круглые кнопки 3D пока открывают только иллюстрированные превью; готовых пространственных сцен в уроке нет.

Об источниках и моделях

Текст и учебные задачи сформулированы заново. Фотоподобные изображения воды, образцов веществ и наборов шаров созданы с помощью ИИ и обозначены как иллюстрации. Интерактивные схемы выполнены отдельно: они условны, не соблюдают единый масштаб и не являются микроскопическими снимками. Размер сферы не задаёт её массу. В расчётах используются округлённые атомные массы, поэтому результаты приближённые.