Что такое атомы и молекулы — основы строения материи 🔵

Наверное уже всем известно, что любое вещество построено из крайне малых частичек — атомов. Эти частицы могут объединяться в молекулы. Самые крупные из молекул довольно сложно устроены и состоят из тысяч атомов.

Содержание

Атомная история

Об атомном устройстве всего мира догадывались еще в Древней Греции. Примерно в 420 году до нашей эры философ Демокрит одобрил гипотезу гласившуюй о том, что вся окружающая материя создана из мельчайших и неделимых частиц. Греческое atomos означает «неделимый».

Другой точки зрения придерживались иные мыслители. Так, Аристотель в четвертом веке до нашей эры поддержал высказывания, которые гласили, что материя состоит из четырех стихий в различных сочетаниях:

Воды;
Земли;
Воздуха;
Огня.

Эта парадигма не только возымела весьма широкое распространение в науке тех лет, но и стала основой алхимии — псевдонаучного подобия химии, господствующей в умах исследователей до 17 века.

Наиглавнейшей целью алхимиков было создание особого снадобья — элексира жизни, которое позволило бы человеку вечно жить. Второй по значимости целью алхимии было превращение обычных металлов в золото. Однако никто из алхимиков не добился реального успеха.

Научный переворот

Часть ученых далее придерживались утверждения об атомном строении материи. Но лишь в начале 19 века в результате экспериментов были получены данные, которые подтвердили эту теорию. Англичанин Д. Дальтон, являясь химиком и писателем, проводил опыты с газами, исследуя их пути соединения. В результате исследований он установил, что кислород и водород в процессе образования воды всегда образуют соединение в тех же массе и пропорциях.

Другие же ученые также наблюдали подобные данные. Однако только Дальтону удалось впервые осознать их существенное значение. Ученый сделал вывод, что материальная составляющая веществ есть ни что иное, как атомы. Кроме того, Дальтон установил, что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу.

Строение атома

Британский ученый-физик Э. Резерфод в 1911 г. выдвинул гипотезу строение атома, которая реально объясняла его поведение во время проведения экспериментов. Физик предположил, что заряд атомарного ядра положительный и имеет относительно большую массу. Вокруг атомного ядра же вращаются очень легкие, отрицательно заряженные электроны.

Резерфорд не мог знать, что, как правило, в ядре атома есть как положительно заряженные частицы, так и нейтральные. В 1920 году было доказано существование частиц с положительным зарядом, которые получили название «протоны».

Незаряженные частицы были названы «нейтронами» открывшим их английским физиком Д. Чэдвиком в 1932 г. После этого научному сообществу стала понятна система строения атома, которая является основной по сей день.

Молекулы

Атомам свойственно объединяться в группы во многих веществах. Эти группы и называются молекулами. К примеру, водород (газ) представляет собой множество молекул, состоящих из парных атомов водорода.

Нередко, сами молекулы материи состоят не только из атомов своего вещества. Подобное в науке называется соединением. Простой пример: вода — это соединение, в котором молекула построена из 2-х атомов водорода и 1-го атома кислорода.

Многие молекулы насчитывают в себе значительно большее число атомов. Иные молекулы белков являются сложными соединениями, насчитывающими несколько тысяч атомов.

Электронные оболочки и химическая активность

Почему одни элементы инертны, а другие вступают в бурную реакцию при первом контакте? Все дело в конфигурации внешних электронных уровней и стремлении системы к энергетическому минимуму. Атомы «обобществляют» электроны, формируя устойчивые ковалентные связи, или буквально передают их партнеру, создавая ионные структуры. Именно так из хаоса отдельных частиц рождается упорядоченная кристаллическая решетка или гибкая цепочка органического полимера.

Валентность определяет способность атома удерживать определенное число «соседей». Чем ближе внешняя оболочка к заполнению (как у благородных газов), тем неохотнее элемент вступает во взаимодействие с окружающей средой.

Изотопы и ионы: вариативность микромира

Думаете, все атомы одного химического элемента абсолютно идентичны? Природа заложила в фундамент мироздания вариативность: количество нейтронов в ядре может меняться, создавая изотопы. Они обладают одинаковыми химическими свойствами, но разной массой, что критически важно для ядерной физики и медицины. Если же атом теряет или приобретает лишний электрон, он превращается в ион — активную частицу с выраженным электрическим зарядом.

Катионы — частицы с положительным зарядом, потерявшие часть электронов;
Анионы — отрицательно заряженные структуры с «избыточным» багажом электронов;
Радиоизотопы — нестабильные ядра, стремящиеся к распаду с выделением энергии.

Границы визуализации и квантовая реальность

Размер типичного атома составляет около 0,1 нанометра. Можно ли его увидеть «вживую»? Обычный свет просто не замечает таких крох, поэтому исследователи используют сканирующие туннельные микроскопы, буквально прощупывая поверхность материи тончайшей иглой-щупом.

Современная наука давно отошла от образа электрона как маленького шарика, летящего по орбите. Мы имеем дело с электронным облаком — зоной вероятности, где плотность заряда распределена согласно законам квантовой механики. Где именно находится частица в конкретный момент? На этот вопрос отвечает волновая функция, превращая привычную планетарную модель в сложную систему суперпозиций, которая и определяет физические свойства всего, что мы видим вокруг.