Вода — главная составляющая всего живого на Земле. Она является и средой обитания организмов, и главным элементом в их строении, а, следовательно, и источником жизни. Ее применяют в промышленности всех направлений. Поэтому представить себе жизнь с отсутствием воды весьма непросто.
Что входит в состав воды
Все прекрасно осведомлены о том, что вода состоит из водорода и кислорода. Это действительно так. Но помимо этих двух элементов, вода в своем составе имеет еще огромный перечень химических компонентов.
Из чего состоит вода?
Ей свойственно преобразовываться, проходя при этом гидрологический цикл: испарение, конденсацию и выпадение в виде осадков. В процессе протекания этих явлений вода соприкасается со множеством соединений органической природы, с металлами, газами, в результате чего жидкость дополняется различными элементами.
Элементы, входящие в состав воды, подразделяются на 6 категорий:
- Ионы. К ним относятся: катионы Na, K, Mg, Ca, анионы: Cl, HCO 3 и SO 4. Эти компоненты находятся в воде в наибольшем, по сравнению с другими, количестве. В жидкость они поступают из почвенных слоев, природных минералов, горных пород, а также как элементы распада продуктов промышленной деятельности.
- Растворенные газы: кислород, азот, сероводород, углекислый газ и прочие. Количество каждого газа в воде напрямую зависит от ее температуры.
- Биогенные элементы. Главными из них являются фосфор и азот, которые поступают в жидкость из осадков, сточных и сельскохозяйственных вод.
- Микроэлементы. Их насчитывается около 30 видов. Показатели их в составе воды очень малы и колеблются от 0,1 до микрограмма на 1 литр. К ним относятся: бром, селен, медь, цинк и т. д.
- Органические вещества, растворенные в воде, и азотосодержащие вещества. Это спирты, углеводы, альдегиды, фенолы, пептиды и прочее.
- Токсины. Это в основном тяжелые металлы и продукты нефтепереработки.
Молекула воды
Итак, из каких молекул состоит вода?
Формула воды тривиальна — Н 2 О. И она показывает, что молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода. Между ними установлена устойчивая связь.
Как же выглядит молекула воды в пространстве? Чтобы определить форму молекулы, соединяют прямыми линиями центры атомов, в результате чего вырисовывается объемная фигура - тетраэдр. Таково строение воды.
Форма молекулы воды способна изменяться в зависимости от ее агрегатного состояния. Для газообразного состояния характерен угол между атомами кислорода и водорода в 104,27 о, для твердого состояния - 109,5 о, для жидкого - 105,03 о.
Те молекулы, из которых состоит вода, занимают определенный объем в пространстве, при этом их оболочки покрыты электронным облаком в виде вуали. Вид водной молекулы, рассмотренной в плоскости, сравнивают с Х-образной хромосомой, которая служит для передачи генетической информации, а, следовательно, дает начало новой жизни. От такой формы проводится аналогия хромосомы и воды как источников жизни.
В пространстве молекула выглядит как объемный треугольник, тетраэдр. Такая форма является очень устойчивой и изменяется только из-за влияния на воду внешних физических факторов.
Из чего состоит вода? Из тех атомов, которые подвержены влиянию Ван-дер-Ваальсовых сил, образовыванию водородных связей. В связи с этим между кислородом и водородом соседних молекул образуются случайные ассоциаты и кластеры. Первые - это неупорядоченные структуры, вторые - упорядоченные ассоциаты.
В привычном состоянии воды количество ассоциатов составляет 60%, кластеров - 40%.
Между соседними водными молекулами возможны образования водородных мостиков, которые способствуют образованию различных структур - кластеров.
Кластеры способны взаимодействовать между собой посредством водородных связей, а это приводит к появлению структур нового порядка - шестигранников.
Электронное строение молекулы воды
Атомы - это то, из чего состоит вода, и каждый атом имеет свое электронное строение. Так, графическая формула электронных уровней выглядит так: 8 О 1s 2 2s 2 2p 4 , 1 Н 1s 1 .
Когда происходит процесс формирования молекулы воды, происходит перекрывание электронных облаков: два неспаренных электрона кислорода перекрываются с 1 неспаренным электроном водорода. В результате перекрывания образуется угол между атомами в 104 о.
Агрегатное состояние воды
Как уже говорилось, молекулы воды - это диполи, и данный факт влияет на необычные Одним из таких свойств является то, что вода может присутствовать в природе в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и парообразном.
Переход от одного состояния в другое обусловлен следующими процессами:
- Кипение - из жидкости в пар.
- Конденсация - переход их пара в жидкость (осадки).
- Кристаллизация - когда жидкость превращается в лед.
- Плавление - процесс таяния льда и получения жидкости.
- Сублимация - превращение льда в парообразное состояние.
- Десублимация - обратная реакция сублимации, то есть переход пара в лед.
От состояния воды зависит и строение ее молекулярной решетки.
Заключение
Таким образом, можно сказать, что вода - это с простым строением, которое может меняться в зависимости от ее состояния. И нам стало понятно, из каких молекул состоит вода.
Рассмотрим самое распространенное вещество в нашем обиходе – воду. Она обладает набором характерных для нее химических и физических свойств.
Например, химическое свойство воды: она вызывает ржавление железа.
А какое минимальное количество воды может вызвать ржавление? Стакан? Пол стакана? Чайная ложка? Капля? Пол капли? Даже четверть капли хоть немого, но заставит железо заржаветь. И даже половина от четверти капли. Где же предел? Как определить эту минимальную порцию?
Ее определили до нас. Минимальная порция вещества, для него возможная – это молекула.
Молекула – мельчайшая частица вещества. Из молекул построено вещество. Молекула – мельчайшая частица, обусловливающая и несущая в себе свойство вещества.
Молекулы очень маленькие. В одной чайной ложке воды 17 602 339 181 286 500 000 000 молекул.
Существует миллиарды химических веществ, у каждого их них свои молекулы. Разновидностей молекул бесчисленное множество.
Но молекула – это не простейшая структура. Молекулы построены из еще более мелких частиц. Эти частицы называются атомами. И все это бесчисленное разнообразие молекул образовано всевозможными комбинациями различных атомов. А вот разновидностей атомов ограниченное число.
На данный момент открыто 118 разновидностей атомов. Конечно не все 118 видов атомов участвуют в построении молекул. Последние открытые атомы нестабильные: существуют всего доли секунды, они были получены искусственно.
Разновидность атома называется химическим элементом . Информацию об этих разновидностях атомов собраны в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Там 118 «квадратиков», каждый квадратик – это определенный вид атома, то есть химический элемент. У каждого элемента есть буквенное обозначение: атом кислорода: О, атом азота N.
По школьной программе мы будем изучать примерно половину от всей таблицы Менделеева.
Информация о том, из каких и скольки атомов образована молекула записывается в виде химической формулы .
Всем знакома формула воды: H 2 O.
Число, обозначающее количество атомов данного элемента в молекуле (как 2 в формуле воды H 2 O) называется индексом.
То, из каких атомов образована молекула, и сколько этих атомов, называется химическим составом .
Вещества, образованные атомами разных химических элементов (например, вода – двумя атомами водорода и одним атомом кислорода), называются сложными веществами .
А есть вещества, образованные атомами одного элемента. Такие вещества называются простыми . У каждого химического элемента есть свое простое вещество. Простое вещество сера образовано только атомами серы, и обозначится формулой S. Простое вещество железо – Fe.
ЗАПОМНИТЕ! Простые вещества водород, кислород, азот, фтор, хлор, бром, иод представлены двухатомными молекулами. Их химические формулы соответственно: H 2 , O 2 , N 2 , F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 .
Атомы одного элемента могут образовывать несколько простых веществ. Например, элемент кислород может образовывать два просты вещества: кислород O 2 и озон O 3 .
Элемент фосфор тоже образует несколько простых веществ: красный фосфор, белый фосфор и черный фосфор. Они отличаются друг от друга структурой.
Такое явление, при котором атомы одного элемента образуют несколько простых веществ называется аллотропией . А сами простые вещества называются аллотропными модификациями .
В действительности, как мы позже узнаем, не все вещества имеют молекулярное строение. У этих веществ их мельчайшая доза – это всего лишь простейшее соотношение атомов. Но для удобства мы будем делать допущение, что у них есть эти самые молекулы.
Атомы - это маленькие частицы, из которых состоит вещество. Невозможно даже представить себе, насколько они малы. Если сложить в цепочку сто миллионов атомов, у нас получится ниточка длиной всего лишь в 1 см. В тонком листе бумаги, наверное, не меньше миллиона слоев атомов. Науке известно более ста видов атомов; соединяясь друг с другом, они образуют все окружающие нас вещества.
Представление об атомах
Мысль о том, что всё в природе состоит из атомов, возникла давно. Еще 2500 лет назад древнегреческие философы полагали, что вещество состоит из таких частиц, которые нельзя разделить. Само слово «атом» восходит к греческому слову «атомос», что значит «неделимый». В Древней Греции (см. статью « «) философы обсуждали гипотезу о том, что всё вещество в мире состоит из неделимых частиц. Правда, Аристотель в этом сомневался.
Термин «атом» был впервые использован английским химиком Джоном Дальтоном (1766- 1844). В 1807 г. Дальтон выдвинул свою атомную теорию. Атомами он назвал составляющие всякое вещество малые частицы, которые не изменяются входе химических реакций. Согласно Дальтону, - это процесс, при котором атомы соединяются вместе или отделяются друг от друга. Атомная теория Дальтона лежит в основе представлений современных ученых.
В начале нашего столетия ученые начали строить модели атомов. Эрнест Резерфорд (1871 - 1937) показал, что отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра. Нильс Бор (1885 - 1962) утверждал, что электроны обращаются по определенным орбитам. В 1932 г. Джеймс Чедвик (1891 - 1974) установил, что ядро атома состоит из частиц, которые он назвал протонами и нейтронами .
Атомы состоят из еще меньших, чем они сами, частиц, называемых элементарными
. Центром атома является его ядро. Оно состоит из элементарных частиц двух видов - протонов и нейтронов. Есть в атоме также другие элементарные частицы - электроны
; они вращаются вокруг ядра. Существует множество разных элементарных частиц. Ученые считают, что протоны и нейтроны состоят из кварков
. Элементарные частицы, входящие в состав атома, удерживаются вместе благодаря своим электрическим зарядам. Протоны заряжены положительно, а электроны - отрицательно. Нейтроны заряда не имеют, т.е. являются электрически нейтральными. Частицы, несущие противоположные электрические заряды, притягиваются друг к другу. Притяжение отрицательно заряженных электронов к положительно заряженным протонам, находящимся в атомном ядре, удерживает электроны на орбитах около этого ядра. В состав атома входит одинаковое число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, и атом электрически нейтрален.
Электроны в атоме находятся на разных энергетических уровнях, или оболочках. Каждая оболочка состоит из определенного числа электронов. Когда очередная оболочка заполняется, новые электроны попадают на следующую оболочку. Большую часть объема атома занимает пустое пространство между элементарными частицами. Отрицательно заряженные электроны удерживаются на своих энергетических уровнях силой притяжения к положительно заряженным протонам ядра.
Строение атома часто описывают строгой диаграммой, однако сегодня ученые полагают, что электроны существуют на своих орбитах в размытом состоянии. Это представление отражено на рисунке, где электронные орбиты представлены в виде «облаков». Так вы бы увидели молекулу под электронным микроскопом. Равными показаны разные уровни плотности электронов. Бирюзовым цветом отмечена область наибольшей плотности.
Атомный номер и атомная масса
Атомный номер - это число протонов в атомном ядре. Как правило, в состав атома входит одинаковое число протонов и электронов, поэтому по атомному номеру можно судить и о том, сколько в атоме электронов. В разных атомах содержится разное количество протонов. В ядре атома фосфора 15 протонов и 16 нейтронов, значит, его атомный номер 15. В ядре атома золота 79 протонов и 118 нейтронов: следовательно, атомный номер золота 79.
Чем больше протонов и нейтронов имеет атом, тем больше его масса (величина, показывающая количество вещества в составе атома). Сумму числа протонов и числа нейтронов мы называем атомной массой. Атомная масса фосфора - 31. При исчислении атомной массы электроны в расчет не принимаются, так как их масса ничтожно мала по сравнению с массой атома. Существует особый прибор - масс-спектрометр . Он позволяет определить для каждого данного атома его массу.
Изотопы
У большинства элементов существуют изотопы, атомы которых имеют несколько отличное строение. Количество протонов и электронов в атомах изотопов одного всегда неизменно. Атомы изотопов различаются числом нейтронов в ядре. Следовательно, у всех изотопов одного элемента один и тот же атомный номер, но разная атомная масса. На этом рисунке вы видите три изотопа углерода. У изотопа С 12 есть 6 нейтронов и 6 протонов. С 13 имеет 7 нейтронов. В ядре изотопа С 12 восемь нейтронов и 6 протонов.
Физические свойства изотопов различны, но они обладают одинаковыми химическими свойствами. Обычно большая часть атомов элемента (вещества, состоящего из атомов одного вида) принадлежит к одному изотопу, а другие изотопы встречаются в меньших количествах.
Молекулы
Атомы редко встречаются и свободном состоянии. Как правило, они связываются друг с другом и образуют молекулы либо другие, более массивные структуры. Молекула - это мельчайшая частица вещества, которая может существовать самостоятельно. Она состоит из атомов, удерживающихся вместе при помощи связей. Например, у молекулы два атома связанны с атомом кислорода. Атомы удерживаются вместе благодаря зарядам частиц, из которых они состоят. Описывая строение молекул, ученые прибегают к помощи моделей . Как правило, они пользуются структурными и пространственными моделями. Структурные модели представляют связи, удерживающие атомы вместе, в виде палочек. В пространственных моделях атомы плотно соединены друг с другом. Конечно, модель не похожа на настоящую молекулу. Модели строятся для того, чтобы показать, из каких атомов та или иная молекула состоит.
Химические формулы
Химическая формула вещества показывает, сколько атомов каких элементов входит в состав одной молекулы. Каждый атом обозначается символом. Как правило, в качестве символа выбирается первая буква английского, латинского или арабского названия элемента. Например, молекула углекислою газа состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода, поэтому формула углекислого газа СО 2 . Двойка Атомы обозначает число атомов кислорода в молекуле.
Этот опыт продемонстрирует вам, что молекулы вещества удерживаются вместе силами притяжения. Наполните стакан водой до краев. Осторожно опустите в стакан несколько монет. Вы увидите, что над краями стакана приподнялся водяной купол. , притягивающая молекулы воды друг к другу, может удержать некоторое количество воды над краями стакана. Эта сила называется силой поверхностного натяжения .
Атом - это мельчайшая, химически неделимая частица вещества. Все вещества состоят из атомов. То, что атомы существуют, предполагал еще Демокрит в IV в. до н. э. Однако доказать, что атомы действительно существуют, ученые смогли только в XIX веке.
Существует более 100 видов атомов. Они отличаются друг от друга своим строением. Когда выше было сказано, что атомы - это химически неделимые частицы, то это не значит, что они неделимы вообще.
Атомы состоят из более мелких частиц - протонов, нейтронов и электронов. В зависимости от того, сколько этих более мелких частиц входит в атом, различают виды атомов. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого есть электронные облака, где двигаются электроны. Протоны и нейтроны также называют нуклонами.
Самые простые атомы - это водород и гелий. У первого только один электрон, а у второго - два. Это самые распространенные атомы во Вселенной, так как из них состоят звезды. Но они не самые распространенные на Земле. На Земле распространены более сложные атомы, больше различных их видов. Однако наиболее распространены кислород и кремний.
Молекулы состоят из атомов, которые притягиваются друг к другу. Одинаковые молекулы образуют вещество. Свойства вещества зависят от атомного состава и строения молекул. Имеет значение, какие атомы входят в состав молекулы, как они между собой соединены.
Одну молекулу водорода образуют два атома водорода. Много молекул водорода образуют вещество водород, которое при нормальных условиях - газ. Вода - это вещество, состоящее из молекул, образованных одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. При нормальных условиях вещество вода - это жидкость.
Мельчайшей частицей вещества считается именно молекула, так как она определяет его химические свойства, а не атомы. При химических реакциях, когда одни вещества превращаются в другие, изменяются молекулы - одни исчезают, другие появляются. Однако атомы при этом остаются неизменными. Сколько атомов и каких типов было до химической реакции, столько их будет и после. Просто они будут по-другому между собой объединены и, следовательно, образуют уже другие молекулы, то есть другие вещества.
Если различных видов атомов всего чуть более 100, то число различных видов молекул исчисляется миллионами. Существуют очень сложные молекулы, в состав которых входят сотни и более атомов (преимущественно одного или нескольких видов). Такие молекулы входят в состав живых организмов.
Следует понимать, если две молекулы различаются между собой всего лишь одним атомом, то это уже совершенно разные молекулы, образующие разные вещества. Тогда станет понятным, почему разных атомов не так уж и много, а разных молекул огромное количество.
Размеры атомов и молекул ничтожны, это миллионные доли миллиметра и даже меньше. Их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Понятно, что молекулы больше атомов.
Размеры атомов зависят от их сложности. Чем больше электронов и больше ядро атома, тем больше сам атом. То же самое можно сказать о молекулах. Чем больше атомов входит в их состав и чем крупнее сами атомы, тем больше будет молекула вещества.
Очень часто можно услышать мнение, что атом будучи составной частью молекулы, обладает теми же свойствами и имеет аналогичную структуру. Такая позиция лишь отчасти имеет право на существование, поскольку частицы имеют общие и отличительные признаки. Для начала достаточно рассмотреть свойства двух объектов, и на их основе делать дальнейшие выводы.
Атом можно рассматривать как элементарную частицу однородного вещества
. Такое вещество, по определению, состоит только из одного химического элемента (С, N, O и другие с периодической таблицы Менделеева). Именно наименьшая часть таких элементов, которая может быть носителем их свойств, и называется атомом. Согласно последним современным представлениям, атом состоит из трех составляющих: протонов, нейтронов и электронов.
Первые две субчастицы вместе составляют базовое ядро , которое имеет положительный заряд. Двигающиеся вокруг ядра электроны привносят компенсационный заряд с противоположным знаком. Таким образом, делается первый вывод, что большинство атомов — электрически нейтральны. Что касается оставшейся части, то в силу различных физико-химических процессов, атомы могут либо присоединять, либо отпускать электроны, что приводит к появлению заряда. Атом имеет массу и размер (определяется размерами ядра) и определяет химические свойства вещества.
Молекула
Молекула является минимальной структурной единицей вещества
. Такое вещество может состоять из нескольких химических элементов. Однако, молекулой можно считать и одноатомное вещество одного химического элемента — инертный газ аргона. Как и атомы, является электрически нейтральной. Ионизировать молекулу можно, но уже значительно сложнее: атомы внутри молекулы связаны между собой ковалентной, либо ионной связью. Поэтому присоединить или забрать электрон становится значительно сложнее. Большинство молекул имеет сложную архитектурную постройку, где каждый атом заранее занимает отведенное ему место.
Атом и молекула: общие свойства
Строение . Обе частицы являются структурными единицами вещества. При этом под атомом подразумевается один определенный элемент, молекула же включает в себя уже несколько химически связанных атомов, но структура (положительное ядро с отрицательными электронами) остается той же.
Электрическая нейтральность . При отсутствии внешних факторов — взаимодействия с другим химическим веществом, направленного электрического поля и других раздражителей, — атомы и молекулы не имеют заряда.
Замещение . Атом может выступать как молекула в одном случае — при работе с инертными газами. Также молекулой может считаться одноатомная ртуть.
Наличие массы . Обе частицы имеют свою четкую массу. В случае атома масса зависит от химического элемента и определяется весом ядра (протон почти в 1500 раз тяжелее электрона, поэтому вес отрицательной частицы часто не берется во внимание). Масса молекулы определяется исходя из ее химической формулы — элементов, входящих в ее состав.
Атом и молекула: отличные свойства
Неделимость . Атом является мельчайшим элементом, из которого нельзя выделить еще меньшую частицу. (Получение иона влияет только на заряд, но не на вес). Молекулу, в свою очередь, можно разделить на более мелкие молекулы или можно разложить на атомы. Процесса распада легко добиться с использованием химических катализаторов. Иногда достаточно просто нагреть вещество.
Свободное существование . Молекула может свободно существовать в природе. Атом существует в вольной форме лишь в двух случаях:
- Как одноатомная ртуть или инертный газ.
- В условиях космоса — как отдельные атомы могут находиться любые химические элементы.
В остальных случаях атом всегда входит в состав молекулы.
Образование заряда . Взаимодействие между ядром и электроном в атоме можно легко преодолеть даже мельчайшим электрическим полем. Таким образом, — из атома легко получить положительный или отрицательный ион. Наличие химических связей между атомами внутри молекулы требует приложения гораздо большего электрического поля или взаимодействия с другим химически активным веществом.
