Атом представляет собой наименьшую химически неделимую частицу вещества, сохраняющую все его химические свойства. Его строение определяется сочетанием трёх фундаментальных частиц: протонов и нейтронов в ядре и электронов, образующих электронную оболочку. Ядро атома обладает положительным зарядом, равным числу протонов, которое называют порядковым номером элемента. Именно этот номер определяет принадлежность атома к тому или иному химическому элементу.
Масса атома сосредоточена в ядре, так как масса протонов и нейтронов многократно превышает массу электрона. Электронная оболочка определяет химические свойства, так как именно она участвует во взаимодействии атомов. Электроны распределены по энергетическим уровням (оболочкам), которые подразделяются на подуровни, характеризуемые квантовыми числами.
Электронное строение атома описывается электронной конфигурацией. Распределение электронов по уровням и подуровням определяется принципом Паули, правилом Хунда и принципом наименьшей энергии. Заполненность внешней оболочки определяет реакционную способность атома:
Эта закономерность лежит в основе понятия валентности — способности атома соединяться с другими атомами за счёт определённого числа связей.
Молекула — это устойчивая совокупность атомов, соединённых химическими связями и обладающая определёнными свойствами. В молекулах атомы взаимодействуют через электронные облака, образуя устойчивые структуры.
Основные типы химических связей в молекулах:
Простые молекулы могут состоять из одинаковых атомов (например, O₂, N₂), а сложные — из различных элементов (например, H₂O, CO₂). Молекулы могут иметь линейную, угловую, тетраэдрическую и другие пространственные геометрии, определяющие их физические и химические свойства.
Ионы — это заряженные частицы, образующиеся в результате потери или присоединения электрона атомом или группой атомов.
Ионы формируются при реакциях ионизации, в растворах электролитов, а также при взаимодействии металлов и неметаллов. Их существование играет ключевую роль в электропроводности растворов, в процессах окисления и восстановления, в биохимических реакциях.
Каждый химический элемент определяется числом протонов в ядре. Однако число нейтронов может изменяться, образуя изотопы. Изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами, но различаются массой и, следовательно, физическими характеристиками. Например, водород имеет изотопы протий (¹H), дейтерий (²H) и тритий (³H).
Изотопы широко применяются в аналитической химии, медицине, ядерной энергетике. Радиоактивные изотопы используются как метки для отслеживания химических и биологических процессов.
Атомы являются строительным материалом вещества. Объединяясь, они образуют молекулы или ионы, а те, в свою очередь, формируют макроскопические вещества с различными свойствами. Химические реакции представляют собой процессы перераспределения атомов между молекулами и ионами без изменения самих ядер атомов.
Понимание взаимосвязи атомов, молекул и ионов позволяет объяснить закономерности химических процессов, предсказывать поведение веществ и создавать новые материалы с заданными свойствами.