Атом, молекула і йон: частинки речовини

Усі хімічні речовини побудовані з дуже малих частинок — атомів. У цьому розділі ти дізнаєшся, що таке атом, чим один хімічний елемент відрізняється від іншого та як правильно вживати назви елементів і відповідних їм простих речовин.

Будова атома

Атом — це електронейтральна частинка, яка складається з позитивно зарядженого ядра й негативно зарядженої електронної оболонки. Ядро містить протони (p⁺, заряд +1) і нейтрони (n⁰, заряду не мають). Навколо ядра рухаються електрони (e⁻, заряд −1). Число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці — тому атом загалом не має заряду.

Усі атоми одного хімічного елемента мають однакове число протонів. Наприклад, кожен атом Гідрогену (H) має 1 протон, атом Оксигену (O) — 8 протонів, атом Феруму (Fe) — 26 протонів. Саме число протонів, яке називають протонним числом або атомним номером, визначає, до якого елемента належить атом. Будову ядра й розрахунок числа електронів докладно розглянуто в уроці «Склад атома: протони, нейтрони й електрони».

Хімічний елемент і його символ

Хімічний елемент — це вид атомів з однаковим протонним числом. Кожен елемент позначають символом з однієї або двох літер: O — Оксиген, H — Гідроген, Fe — Ферум, C — Карбон, N — Нітроген. Символ елемента є міжнародним і не залежить від мови: Fe означає Ferrum латиною й Ферум українською.

Важливо розуміти: хімічний елемент входить до складу і простих, і складних речовин. Коли ми кажемо «Молекула води містить Оксиген», ми маємо на увазі елемент Оксиген. А коли йдеться про газ кисень, яким ми дихаємо, це проста речовина O₂.

Як не плутати елемент і просту речовину

Запам'ятай просте правило: якщо йдеться про склад речовини (входить, міститься, є складником), то згадують хімічний елемент. Якщо описують властивість або застосування матеріалу (горить, плавиться, кують, проводять струм), то мають на увазі просту речовину.

Атоми рідко існують поодинці. Сполучаючись між собою, вони утворюють молекули — окремі електронейтральні частинки з кількох сполучених атомів. Однак є речовини, які не складаються з молекул, — їхня будова немолекулярна.

Що таке молекула

Молекула — це найменша частинка речовини, яка зберігає її хімічні властивості й складається з двох або більше атомів, сполучених хімічними зв'язками. Молекули завжди електронейтральні: сумарний заряд ядер дорівнює сумарному заряду електронів.

Приклади молекулярних речовин:

• Водень H₂ — молекула з двох атомів Гідрогену.

• Кисень O₂ — молекула з двох атомів Оксигену.

• Вода H₂O — молекула з двох атомів Гідрогену й одного атома Оксигену (три атоми, два елементи).

• Вуглекислий газ CO₂ — молекула з одного атома Карбону й двох атомів Оксигену (три атоми, два елементи).

Зверни увагу: у молекулі CO₂ три атоми двох елементів — одного Карбону і двох Оксигену. Кількість атомів кожного елемента показує індекс, записаний праворуч унизу від символу.

Немолекулярна будова

Не всі речовини складаються з молекул. Є два важливі випадки:

• Аргон Ar — благородний газ, який існує у вигляді окремих атомів, а не молекул. Це одноатомна речовина.

• Натрій хлорид NaCl — кухонна сіль. У кристалі NaCl немає окремих молекул NaCl. Кристал складається з упорядкованої ґратки йонів Na⁺ та Cl⁻, що чергуються. Співвідношення Na⁺ : Cl⁻ дорівнює 1 : 1.

Для речовин немолекулярної будови, таких як NaCl, використовують поняття «формульна одиниця». Формульна одиниця — це найпростіше співвідношення йонів або атомів у кристалі, яке показує хімічна формула. Вона не є окремою молекулою, а лише вказує склад.

Індекси та коефіцієнти

У хімічних записах важливо розрізняти індекс і коефіцієнт:

Пам'ятай: індекс стосується лише попереднього символу, а коефіцієнт — усієї частинки. У записі 3H₂O коефіцієнт 3 означає три молекули води, а індекс ₂ — два атоми Гідрогену в кожній молекулі.

Не всі частинки є нейтральними. Коли атом або група атомів набуває електричного заряду, утворюється йон. Йони відіграють ключову роль у розчинах, кристалах і хімічних реакціях.

Що таке йон. Катіони й аніони

Йон — це заряджена частинка, яка утворюється, коли атом або група атомів втрачає чи приєднує електрони. Якщо частинка має додатний заряд, її називають катіоном. Якщо від'ємний — аніоном.

Приклади простих (одноатомних) йонів:

Прості та складні йони

Прості йони складаються з одного атома: Na⁺, Mg²⁺, Cl⁻, O²⁻. Складні йони містять кілька атомів, сполучених зв'язками, але несуть загальний заряд як єдина частинка. Найпоширеніші приклади:

• NH₄⁺ — катіон амонію. Містить 1 атом Нітрогену й 4 атоми Гідрогену. Загальний заряд +1. П'ять атомів, один з яких — Нітроген.

• SO₄²⁻ — сульфат-аніон. Містить 1 атом Сульфуру й 4 атоми Оксигену. Загальний заряд -2. П'ять атомів, заряд -2.

• NO₃⁻ — нітрат-аніон. Містить 1 атом Нітрогену й 3 атоми Оксигену. Загальний заряд -1. Чотири атоми.

Зверни увагу на різницю між записами: O₂ — це молекула кисню (два атоми, заряд 0), а O²⁻ — це одноатомний аніон Оксигену (один атом, заряд -2). Індекс пишуть унизу, заряд — угорі.

Чому молекула нейтральна, навіть якщо має полярні зв'язки

У молекулі води H₂O зв'язки полярні: атом Оксигену частково відтягує електрони від атомів Гідрогену, тому на атомі Оксигену виникає частковий негативний заряд (δ−), а на Гідрогені — частковий позитивний (δ+). Однак ці часткові заряди є нерівномірним розподілом електронної густини, а не справжнім зарядом. Загальне число електронів у молекулі дорівнює загальному числу протонів, тому молекула залишається електронейтральною. На відміну від неї, йон має цілковитий надлишок або нестачу електронів.

Розгляньмо три типові завдання НМТ з теми «Атом, молекула і йон: частинки речовини». Кожен приклад супроводжується покроковим аналізом.

Приклад 1. Частинка з трьома атомами й зарядом -1

Завдання. Яка з наведених частинок містить три атоми й має заряд -1?

• CO₂

• O₂

• NO₂⁻

• SO₄²⁻

Розв'язання. Проаналізуймо кожну частинку:

• CO₂ — молекула вуглекислого газу. Складається з трьох атомів (один Карбон, два Оксигени), але є нейтральною, без заряду. Не підходить, бо потрібен заряд -1.

• O₂ — молекула кисню. Містить лише два атоми й не має заряду. Не підходить.

• NO₂⁻ — нітрит-аніон. Містить один атом Нітрогену й два атоми Оксигену — разом три атоми. Загальний заряд -1. Підходить.

• SO₄²⁻ — сульфат-аніон. Містить п'ять атомів (один Сульфур, чотири Оксигени) і має заряд -2. Не підходить.

Відповідь: NO₂⁻.

Чому неправильні інші варіанти? CO₂ — нейтральна молекула, O₂ — лише два атоми, SO₄²⁻ — п'ять атомів і заряд -2. Тільки NO₂⁻ одночасно має три атоми й заряд -1.

Приклад 2. Вислів про хімічний елемент

Завдання. Який з наведених висловів стосується саме хімічного елемента, а не простої речовини?

• Гідроген горить з утворенням води.

• Гідроген входить до складу амоніаку NH₃.

• Кисень кипить за температури -183 °C.

• Мідь має характерний металевий блиск.

Розв'язання. Згадай правило: якщо йдеться про склад речовини (входить, міститься), то згадують хімічний елемент. Якщо описують властивість (горить, кипить, блищить), то мають на увазі просту речовину.

• «Гідроген горить» — тут описано хімічну властивість простої речовини водню H₂. Не підходить.

• «Гідроген входить до складу амоніаку» — вказано, що елемент Гідроген є складником сполуки NH₃. Це про елемент.

• «Кисень кипить» — описано фізичну властивість простої речовини O₂. Не підходить.

• «Мідь має блиск» — описано фізичну властивість простої речовини міді Cu. Не підходить.

Відповідь: «Гідроген входить до складу амоніаку NH₃».

Чому дистрактори неправильні? Усі три описують властивості простих речовин — горіння водню, кипіння кисню, блиск міді. Лише склад амоніаку відсилає до хімічного елемента як складника.

Приклад 3. Ряд лише катіонів

Завдання. У якому рядку всі частинки є катіонами?

• K⁺, Cl⁻, Ca²⁺

• K⁺, Ca²⁺, NH₄⁺

• Na⁺, Ne, Mg²⁺

• H₂, Na⁺, Fe³⁺

Розв'язання. Нагадаємо: катіони — це додатно заряджені йони (знак +). Аніони мають знак -, а нейтральні частинки (атоми, молекули) не мають заряду.

• K⁺, Cl⁻, Ca²⁺ — містить Cl⁻ (аніон). Не підходить.

• K⁺, Ca²⁺, NH₄⁺ — усі три мають додатний заряд. K⁺ — катіон Калію, Ca²⁺ — катіон Кальцію, NH₄⁺ — катіон амонію. Підходить.

• Na⁺, Ne, Mg²⁺ — Ne (неон) є нейтральним атомом, не має заряду. Не підходить.

• H₂, Na⁺, Fe³⁺ — H₂ є нейтральною молекулою. Не підходить.

Відповідь: K⁺, Ca²⁺, NH₄⁺.

Чому інші рядки неправильні? Перший містить аніон Cl⁻, третій — нейтральний атом Ne, четвертий — нейтральну молекулу H₂. Лише другий рядок складається винятково з катіонів.

На НМТ учні часто припускаються одних і тих самих помилок у темі «Атом, молекула і йон». Ось чотири найпоширеніші пастки та способи їх уникнути.

• Називати киснем атоми Оксигену у воді. Помилка: кажуть «молекула води містить кисень». Насправді вода містить елемент Оксиген у зв'язаному стані, а не просту речовину кисень O₂. Правильно: «До складу води входить Оксиген» або «атоми Оксигену входять до складу молекули води».

• Плутати індекс O₂ із зарядом O²⁻. Помилка: запис O₂ читають як «двозарядний аніон», а O²⁻ — як «молекула кисню». Індекс (число знизу) показує кількість атомів у частинці. Заряд (число зверху) показує електричний стан. O₂ — молекула з двох атомів без заряду. O²⁻ — один атом Оксигену із зарядом -2.

• Вважати SO₄²⁻ молекулою через наявність кількох атомів. Помилка: сульфат-аніон має заряд -2, тому це складний йон, а не молекула. Молекули завжди електронейтральні. Якщо частинка має заряд, це йон, навіть якщо в ній багато атомів.

• Називати формульну одиницю кристала NaCl окремою молекулою. Помилка: у кристалі натрій хлориду немає ізольованих молекул NaCl. Кристал — це тривимірна ґратка з чергуванням йонів Na⁺ і Cl⁻. Формула NaCl показує лише співвідношення 1 : 1, а не склад окремої молекули.

Загальна порада: щоразу, коли бачиш хімічний запис, спочатку визнач, чи є заряд (верхній правий індекс зі знаком). Якщо є — це йон. Якщо немає — це атом або молекула. Потім порахуй атоми за нижніми індексами.

Тема 1.1 програми НМТ з хімії вимагає розрізняти атоми, молекули, йони, хімічні елементи й прості речовини. У демонстраційному варіанті 2026 року завдання № 1 перевіряє саме склад молекули: треба порахувати атоми за індексами у формулі. Це найпростіший тип завдання, але саме на ньому втрачають бали через неуважність.

Стратегія розв'язування

1. Спочатку перевір заряд. Подивись, чи є праворуч угорі знак + або −. Якщо є — перед тобою йон (катіон або аніон). Якщо немає — атом або молекула.

2. Потім порахуй число атомів. Сумуй індекси всередині однієї частинки: у CO₂ це 1 + 2 = 3 атоми, у SO₄²⁻ — 1 + 4 = 5 атомів.

3. Коефіцієнт застосовуй до частинки цілком. Запис 3O₂ означає три молекули, а не три атоми: атомів Оксигену всього 3 · 2 = 6.

4. Зістав результат з умовою: чи потрібен заряд, чи певне число атомів, чи лише катіони. Відкидай варіанти, які не задовольняють хоча б одну вимогу.

Формат завдання

Завдання з теми «Атом, молекула і йон» належать до частини з вибором однієї відповіді з чотирьох (А–Г). Це завдання 1–18 тесту: за правильну відповідь нараховують 1 бал, за неправильну або відсутню — 0 балів. Тому навіть якщо сумніваєшся, варто обрати найімовірніший варіант — шанс отримати бал є, а штрафу за помилку немає.

Запам'ятай порядок дій: заряд → число атомів → тип частинки. Ця послідовність захищає від обох головних пасток теми — плутанини індексу із зарядом та плутанини йона з молекулою.

• Хімічний елемент — це вид атомів з однаковим протонним числом (числом протонів у ядрі). Кожен елемент має унікальний символ.

• Атом — електронейтральна частинка, у якій число електронів дорівнює числу протонів. Атоми одного елемента мають однакове число протонів.

• Молекула — електронейтральна частинка з двох або більше сполучених атомів. H₂, O₂, H₂O, CO₂ — приклади молекул.

• Не всі речовини мають молекулярну будову. Аргон Ar існує у вигляді окремих атомів, а кристал NaCl — це йонна ґратка без окремих молекул; формула NaCl є формульною одиницею.

• Йон — це заряджена частинка. Катіон має знак + (додатний заряд), аніон — знак − (від'ємний заряд).

• Прості йони складаються з одного атома (Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, O²⁻). Складні йони — з кількох атомів (NH₄⁺, SO₄²⁻, NO₃⁻).

• Індекс (число праворуч унизу) показує кількість атомів у частинці. Заряд (число праворуч угорі) показує електричний стан частинки.

• Назви хімічних елементів (Оксиген, Ферум, Нітроген) слід відрізняти від назв простих речовин (кисень, залізо, азот). Про склад говорять про елемент, про властивості — про просту речовину.