Чим атоми відрізняються від молекул, а йон — від речовини? Розбираємо чотири базові поняття хімії на прикладах води, кисню, Натрію та кухонної солі.
Атом, молекула, йон і речовина — чотири поняття, без яких неможливо зрозуміти хімію. На перший погляд вони здаються простими, але їх часто плутають.
Щоб розібратися, уявімо, що ми поступово наближаємо звичайну склянку води. Спочатку бачимо воду як речовину. Збільшивши зображення в мільйони разів, ми побачили б величезну кількість молекул H₂O, а всередині кожної молекули — атоми Гідрогену та Оксигену.
Але якби ми так само наблизили кристал кухонної солі, то молекул NaCl не побачили б. Замість них виявили б позитивні та негативні йони, об’єднані у велику впорядковану структуру.
Отже, різні речовини можуть бути побудовані з різних частинок. Почнемо з атома.
Атоми
Атом — це електронейтральна частинка певного хімічного елемента.
У центрі атома міститься позитивно заряджене ядро з протонами, а в більшості атомів — також із нейтронами. Навколо ядра перебувають негативно заряджені електрони.
Кількість протонів визначає, атом якого елемента перед нами. У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів. Позитивний заряд ядра і негативний заряд електронів урівноважують один одного, тому загальний заряд атома дорівнює нулю.
Молекули
Коли два або більше атомів з’єднуються хімічними зв’язками й утворюють окрему частинку, виникає молекула. Загалом молекула електронейтральна.
Наприклад, два атоми Гідрогену утворюють молекулу водню H₂, а два атоми Оксигену — молекулу кисню O₂. У кожній із цих молекул містяться атоми лише одного хімічного елемента.
Молекула води H₂O складається з трьох атомів: двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену.
Але важливо розрізняти молекулу й речовину. Одна частинка H₂O — це молекула води. А вода у склянці — речовина, що містить величезну кількість таких молекул.
Одну молекулу неможливо побачити неозброєним оком, налити у склянку або зважити на звичайних терезах. Навіть крихітна крапля води містить неймовірно велику кількість молекул.
Йони
Але що станеться, якщо нейтральний атом утратить або приєднає електрони?
Кількість протонів у ядрі при цьому не зміниться, тому частинка належатиме до того самого хімічного елемента. Проте рівновага між позитивними та негативними зарядами порушиться. Частинка отримає електричний заряд і перетвориться на йон.
Якщо атом утрачає один або кілька електронів, кількість протонів починає перевищувати кількість електронів. Утворюється позитивно заряджений йон — катіон.
Наприклад, нейтральний атом Натрію має одинадцять протонів та одинадцять електронів. Якщо він утрачає один електрон, у нього залишаються одинадцять протонів і десять електронів. Загальний заряд частинки стає +1:
Na → Na⁺ + e⁻
Na — нейтральний атом Натрію, а Na⁺ — позитивно заряджений йон Натрію. Ядро не змінилося, тому обидві частинки належать до одного хімічного елемента. Проте вони мають різний заряд та різну електронну будову.
Якщо атом, навпаки, приєднує електрони, їх стає більше, ніж протонів. Утворюється негативно заряджений йон — аніон.
Нейтральний атом Хлору має сімнадцять протонів і сімнадцять електронів. Приєднавши ще один електрон, він перетворюється на хлорид-іон Cl⁻:
Cl + e⁻ → Cl⁻
Отже, Cl — нейтральний атом Хлору, а Cl⁻ — негативно заряджений хлорид-іон. Кількість протонів залишилася незмінною, але електронів стало на один більше.
Йон може складатися не лише з одного, а й із кількох атомів. Наприклад, гідроксид-іон OH⁻ містить атоми Оксигену та Гідрогену, сполучені між собою. Але вся ця група має спільний заряд −1.
Саме заряд допомагає відрізнити йон від нейтрального атома або молекули. Якщо біля хімічного символу чи формули вгорі записаний знак «плюс» або «мінус», перед нами заряджена частинка: Na⁺, Cl⁻, OH⁻.
Тепер повернімося до речовини.
Речовина
Речовина — це вид матерії з певним складом, будовою та характерними властивостями. Вода, кисень, гелій, залізо, алмаз і кухонна сіль — речовини. Але вони побудовані по-різному.
Вода складається з молекул H₂O, а кисень — із молекул O₂. Це речовини молекулярної будови.
Гелій складається з окремих атомів He. У кристалі заліза немає окремих молекул Fe: його частинки об’єднані металічним зв’язком у кристалічну ґратку. В алмазі атоми Карбону сполучені міцними ковалентними зв’язками у велику просторову структуру.
А кухонна сіль складається з позитивних йонів Na⁺ та негативних йонів Cl⁻.
У кристалі солі немає окремих молекул NaCl. Йони утворюють велику впорядковану кристалічну ґратку, у якій кожен Na⁺ оточений йонами Cl⁻, а кожен Cl⁻ — йонами Na⁺.
Формула NaCl не позначає окрему молекулу. Вона показує, що кількість йонів Натрію та хлорид-іонів у кристалі співвідноситься як один до одного. Завдяки цьому позитивні та негативні заряди взаємно компенсуються, і весь кристал залишається електронейтральним.
Саме тому твердження «всі речовини складаються з молекул» неправильне. Одні речовини справді мають молекулярну будову. Інші складаються з атомів або йонів, об’єднаних у великі структури.
Підсумок
Тепер зберімо все в одну систему.
Атом — електронейтральна частинка певного хімічного елемента.
Молекула — окрема електронейтральна частинка, утворена двома або більше атомами, з’єднаними хімічними зв’язками.
Йон — позитивно або негативно заряджена частинка, яка може складатися з одного чи кількох атомів.
Речовина — вид матерії з певним складом, будовою та властивостями. Вона може бути утворена молекулами, атомами або йонами.
Отже, атом, молекула, йон і речовина описують різні рівні будови матерії. Атоми можуть з’єднуватися в молекули, перетворюватися на йони або утворювати великі кристалічні структури. А речовини можуть мати молекулярну, атомну, йонну або металічну будову.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.