Разновидностей чего в природе больше атомов или молекул

15 самых интригующих фактов об атомах

Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.

К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).

Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).

Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.

1. Состав атомов

Каждый атом содержит одно ядро ​​[в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.

2. Ядро содержит почти всю массу

Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.

3. Электроны чрезвычайно малы

Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.

4. Атом может иметь электрический заряд

Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.

Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).

5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?

Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.

6. 94 Атома естественного происхождения на Земле

Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.

7. Каждый атом уникален

Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.

Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.

8. Самый большой и самый маленький атом

Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.

Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.

9. Самый тяжелый и легкий атом

Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.

Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.

10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?

В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.

Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.

11. Атомы в человеческом теле

Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.

12. Сколько атомов существует во Вселенной?

Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10 78 до 10 82 атомов.

Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.

13. Радиоактивные атомы

В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.

Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.

14. Видя атомы

Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.

Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния

Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.

15. Квантовая природа атомных свойств

Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.

Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.

Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.

Источник

Есть ли разница между атомом и молекулой?

Атомы и молекулы — это два самых основных термина, которые используются, когда мы говорим о составе элемента или соединения. Существенная разница между атомом и молекулой состоит в том, что атом рассматривается как мельчайшая частица, составляющая материю. Напротив, молекула — это комбинация двух или более мельчайших единиц, то есть атомов, которые химически связаны вместе.

Всякий раз, когда используются названия атомов и молекул, возникает путаница относительно того, чем они отличаются и какие сходства существуют между ними.

По сути, то, что требует определенного пространства и имеет определенную массу, определяется как материя, которая состоит из атомов и молекул. Все в этой вселенной состоит из атомов. От маленького куска мела до большой доски, от единственной стены до целого дома, от маленького муравья до гигантского человека, от гигантского человека до всей Земли — все состоит из атомов. Но атомы настолько малы, что их невозможно визуализировать человеческим зрением или каким-либо микроскопическим устройством.

Определение атома

Самая маленькая неделимая по природе частица, составляющая материю, известна как атом. Каждый атом состоит из трех основных субатомных компонентов, а именно: электрон, протон и нейтрон. И каждый атом отличается друг от друга, потому что у них разное количество протонов.

Атомы считаются основным строительным материалом любой материи и проявляют свое существование повсюду вокруг нас.

По сути, теория, лежащая в основе этого, согласно Махариши Канаду, заключается в том, что при разделении любой материи будут получены более мелкие и мелкие частицы. Но по прошествии определенного времени частицы станут настолько маленькими, что их дальнейшее деление станет невозможным. Эта окончательная неделимая частица называется атомом.

Слово «атом» образовано от комбинации слов «А» и «томас» (tomas), где «А» означает «не», а «томас» соответствует «вырезать».

Каждый атом проявляет свойства химического элемента, в котором он присутствует. Атомный номер — важнейшее свойство атома, которое соответствует количеству положительных зарядов, существующих в ядре.

Определение молекулы

Химическая комбинация нескольких неделимых мельчайших единиц вещества, то есть атомов, порождает молекулу. Когда два или более атома прочно связаны друг с другом некоторой силой притяжения, их индивидуальная комбинация дает молекулу. Молекула — это мельчайший объект материи, который проявляет независимое существование, может делиться дальше и проявляет характеристики материи.

Комбинация атомов, образующих молекулу, может состоять из одинаковых или разных элементов.

В целом молекулы классифицируются как:

Молекулы элементов: это молекулы, образованные комбинацией атомов одного типа. Например, кислород (O₂) — это молекула, состоящая из 2 отдельных атомов кислорода, то есть двухатомная молекула.

Молекулы соединений: это молекулы, состоящие из атомов различных типов элементов.

Например, Оксид кальция (CaO) представляет собой молекулу, которая представляет собой комбинацию атома углерода и кислорода.

Различные атомы в молекуле связаны вместе, разделяя электроны, присутствующие в их внешних оболочках, посредством ковалентной связи.

Ключевые различия между атомом и молекулой

Вывод

Итак, из этого обсуждения мы можем сделать вывод, что атомы и молекулы похожи в том, что оба составляют материю. Однако атомы не могут быть далее разделены, примерами атомов являются азот, сера, углерод и другие. А вот молекулы можно дополнительно разделить, деление которых предоставит нам атомы, показывающие характеристики вещества, некоторыми примерами молекул являются вода, диоксид углерода, и другие.

Источник

Атомы и молекулы: что о них известно

Атомы и молекулы: Freepick

С изучения атомов и молекул начинается знакомство с химией. Современной науке известны миллионы молекул. Разобраться с их строением и свойствами помогут особенности мельчайшей частицы — атома.

Что такое атомы

С древних времен люди стремились изучить природу вещей, которые их окружали. Постепенно пришли к мысли о том, что все вокруг состоит из мельчайших частиц.

По мере развития науки появилось понятие об атомах и молекулах. Эти частички чрезвычайно малы, и невооруженным глазом их не разглядеть. Любое крошечное количество вещества, например, пылинка, содержит невероятно большое количество атомов и молекул.

Что же такое атом? Так называют мельчайшую химически неделимую частицу вещества, а также наименьшую часть химического элемента, которая отражает его свойства. Атомы очень маленькие: их размеры находятся в диапазоне от 1 до 5 ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10⁻¹⁰ м.

Когда атомы только открыли, их считали самыми маленькими из возможных частиц. Но сегодня нам известна их внутренняя структура:

Например, в атоме гелия есть ядро с двумя протонами и двумя нейтронами, а вокруг него двигаются по своим орбитам два электрона.

Мир атомов: Freepick

Элементарные или субатомные частицы во всех атомах одинаковы, отличается только их количество:

Ядра атомов заряжены положительно, так как в них находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. По величине заряд соответствует количеству протонов в ядре и равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Заряды протонов и электронов одинаковые по величине, но имеют противоположные знаки. В любом атоме число протонов и электронов равно. Поэтому заряд ядра и суммарный заряд всех электронов также равны, но имеют противоположные знаки. Следовательно, атом — электронейтральная частица.

Каждый известный атом обозначен специальным символом — латинской буквой. Все они представлены в периодической системе Д. И. Менделеева.

На современном этапе развития науки ученые стремятся разрушить атом, чтобы получить еще более мелкие частички. Однако они очень неустойчивы, и добиться их долговременного существования пока не получается.

Что известно о молекулах

Атомы различным образом соединяются друг с другом. Как из букв алфавита составляются тысячи слов, так одни и те же атомы образуют молекулы большого количества разных веществ, которые видим в окружающем мире.

Молекулой называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и способна к самостоятельному существованию. Каждая молекула строится из атомов, которые составляют ее массу:

Таким образом, вещества не вечны, так как их молекулы не могут быть вечными. Однако их атомы практически вечны. В тех веществах и предметах, которые окружают нас сегодня, находятся атомы, которые существовали еще во времена динозавров, походов Александра Македонского и открытия Колумбом Америки.

Что такое молекулы: Freepick

Хоть молекулы и очень малы, их устройство определяют с помощью различных физических и химических методов. Чистые вещества состоят из молекул одного вида.

Если в физическом теле есть молекулы разных видов, то речь идет о смеси веществ. Когда в быту говорим о чистом воздухе, то называем так сложную смесь различных газообразных веществ. Химику придется серьезно поработать, чтобы выделить из нее отдельные чистые вещества.

Все вещества делят на простые и сложные:

Часто физические тела состоят из молекул нескольких веществ. Их называют смесями. Важно не путать сложные вещества и смеси. Если в сложном веществе содержатся молекулы одного вида, то это не смесь.

Благодаря свойству атомов объединяться в разных вариациях количество веществ, как и видов молекул, бесконечно. Никто не сможет точно назвать число веществ, которые сегодня известны людям. Ориентировочно их количество исчисляется миллионами, а химики каждый день создают новые молекулы.

Таким образом все вещества, которые мы видим вокруг нас, состоят из молекул, а те, в свою очередь, построены из атомов. Ученым удалось исследовать мельчайшие частички — атомы — и подробно описать их структуру. Эти знания стали ключом к пониманию природы молекул и даже дали возможность создавать новые молекулы.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Атомы: строительные блоки молекул

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H₂O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C₁₂H₂₂O₁₁ содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах:

1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.

Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

Источник