Άτομα και Μόρια
Ατομική θεωρία από τον Δημόκριτο στον Ντάλτον, μόρια στοιχείων και ενώσεων, προσομοιώματα, η αντίδραση σε επίπεδο ατόμων
Πόσα άτομα έχει το κεφάλι σου;
Οι επιστήμονες υπολογίζουν περίπου . Όλα τα αστέρια του ορατού σύμπαντος εκτιμώνται γύρω στα — δηλαδή 4.500 φορές λιγότερα από τα άτομα του κεφαλιού σου! Αν τόσα άτομα χωράνε σε ένα κεφάλι, φαντάσου πόσο απίστευτα μικρά είναι. Σε αυτό το μάθημα γνωρίζεις τα «τουβλάκια» όλης της ύλης.
Η ατομική θεωρία
Σύμφωνα με την ατομική θεωρία, η ύλη αποτελείται από άτομα: μικροσκοπικά σωματίδια (α + τέμνω = «αυτό που δεν κόβεται»). Τα άτομα ενώνονται και σχηματίζουν πιο σύνθετα σωματίδια, τα μόρια.
- Τον 5ο αιώνα π.Χ. ο Λεύκιππος και ο μαθητής του Δημόκριτος υποστήριξαν ότι η ύλη αποτελείται από άτομα και κενό — ως φιλοσοφική ιδέα, χωρίς πειράματα.
- Στις αρχές του 19ου αιώνα ο Τζον Ντάλτον (1766–1844) στήριξε την ατομική θεωρία με πειραματικά δεδομένα. Γι' αυτό θεωρείται πατέρας της ατομικής θεωρίας.
Ποιος στήριξε πρώτος την ατομική θεωρία με πειραματικά δεδομένα;
Μόρια στοιχείων και μόρια ενώσεων
Όπως με λίγα είδη τουβλάκια φτιάχνεις αμέτρητες κατασκευές, έτσι από περίπου 100 είδη ατόμων φτιάχνεται όλος ο κόσμος.
- Όταν ενώνονται όμοια άτομα → μόρια χημικών στοιχείων (π.χ. το μόριο του οξυγόνου: 2 άτομα οξυγόνου).
- Όταν ενώνονται διαφορετικά άτομα → μόρια χημικών ενώσεων (π.χ. το μόριο του νερού: 2 άτομα υδρογόνου και 1 άτομο οξυγόνου).
Προσομοιώματα
Κανείς δεν έχει «δει» άτομο με τα μάτια του. Σύμφωνα με τον Ντάλτον τα άτομα μοιάζουν με μικρές σφαίρες — και σύγχρονα μικροσκόπια δίνουν εικόνες που θυμίζουν πράγματι σφαιρίδια. Γι' αυτό τα παριστάνουμε με χρωματιστά σφαιρίδια (ή κύκλους στο χαρτί), τα προσομοιώματα.
Προσοχή: τα πραγματικά άτομα δεν έχουν χρώμα και είναι απίστευτα μικρότερα. Τα χρώματα τα βάζουμε μόνο για να τα ξεχωρίζουμε (συνήθως λευκό το υδρογόνο, κόκκινο το οξυγόνο, μαύρο ο άνθρακας, μπλε το άζωτο).
Η αντίδραση με τα μάτια των ατόμων
Γιατί το νερό γίνεται υδρογόνο και οξυγόνο; Το νερό, το υδρογόνο και το οξυγόνο αποτελούνται από μόρια. Στη διάσπαση:
- 2 μόρια νερού (συνολικά 4 άτομα υδρογόνου και 2 άτομα οξυγόνου) «σπάνε»,
- τα άτομα αναδιατάσσονται και σχηματίζουν 2 μόρια υδρογόνου και 1 μόριο οξυγόνου.
Σε μια χημική αντίδραση αλλάζουν οι συνδυασμοί των ατόμων και δημιουργούνται νέα μόρια· ο αριθμός και το είδος των ατόμων μένουν σταθερά. Αντίθετα, όταν το νερό εξατμίζεται, τα μόρια απλώς απομακρύνονται — δεν αλλάζει κανένας συνδυασμός.
Μέθοδος: διαβάζω ένα προσομοίωμα
- Μέτρησε πόσα είδη (χρώματα) ατόμων έχει το μόριο: 1 είδος → στοιχείο, 2 ή περισσότερα → ένωση.
- Μέτρησε πόσα άτομα από κάθε είδος.
- Σύνολο ατόμων = άθροισμα.
- Σε αντίδραση: μέτρησε άτομα πριν και μετά — πρέπει να είναι ίδια.
Παράδειγμα — το μόριο του οινοπνεύματος: Το προσομοίωμα έχει 2 μαύρα σφαιρίδια (άνθρακας), 6 λευκά (υδρογόνο) και 1 κόκκινο (οξυγόνο).
Λύση: 3 είδη ατόμων → χημική ένωση από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Άτομα: .
Απάντηση: ένωση τριών στοιχείων, με 9 άτομα στο μόριό της.
Παράδειγμα — στοιχείο ή ένωση;
- Μόριο με 3 άτομα οξυγόνου (όζον) → στοιχείο (ένα είδος ατόμων).
- Μόριο με 1 άτομο αζώτου και 3 υδρογόνου (αμμωνία) → ένωση, 4 άτομα.
- Μόριο με 2 άτομα χλωρίου → στοιχείο.
- Μόριο με 1 άτομο άνθρακα και 2 οξυγόνου (διοξείδιο του άνθρακα) → ένωση, 3 άτομα.
Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):
Δεδομένα: Προτάσεις: 1. Ο Δημόκριτος απέδειξε με πειράματα την ύπαρξη των ατόμων. 2. Κατά τη διάσπαση του νερού αλλάζουν οι συνδυασμοί των ατόμων στα μόρια. 3. Κατά την εξάτμιση του νερού αλλάζουν οι συνδυασμοί των ατόμων στο μόριό του. 4. Τα μόρια του υδρογόνου είναι λευκά και του οξυγόνου κόκκινα.
Ζητούμενο: Σωστό (Σ) ή λάθος (Λ), με αιτιολόγηση.
Λύση:
- Λ — η ιδέα του ήταν φιλοσοφική· πειραματικά τη στήριξε ο Ντάλτον.
- Σ — είναι χημική αντίδραση: σχηματίζονται νέα μόρια.
- Λ — η εξάτμιση είναι φυσικό φαινόμενο: τα μόρια του νερού μένουν ίδια.
- Λ — τα άτομα και τα μόρια δεν έχουν χρώμα· χρώμα έχουν μόνο τα προσομοιώματα.
Απάντηση: Σ μόνο το 2.
Ένα μόριο αποτελείται από 1 άτομο άνθρακα και 4 άτομα υδρογόνου (μεθάνιο). Τι ισχύει;
Τι μένει σταθερό σε μια χημική αντίδραση;
Σκέψου τα άτομα σαν τουβλάκια LEGO και τα μόρια σαν κατασκευές. Στη χημική αντίδραση διαλύεις τις κατασκευές και φτιάχνεις καινούριες — αλλά ούτε ένα τουβλάκι δεν χάνεται ούτε προστίθεται.
Το 1989 ερευνητές της IBM, με ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, μετακίνησαν 35 άτομα ξένου ένα-ένα πάνω σε μια μεταλλική επιφάνεια και έγραψαν τα αρχικά «IBM». Ήταν η πρώτη φορά που ο άνθρωπος «έγραψε» με μεμονωμένα άτομα. Οι εφευρέτες του μικροσκοπίου αυτού, οι Binnig και Rohrer, πήραν Νόμπελ Φυσικής το 1986.
Σε ένα δοχείο υπάρχουν 10 μόρια υδρογόνου και 4 μόρια οξυγόνου. Κάθε μόριο νερού φτιάχνεται από 2 άτομα υδρογόνου και 1 άτομο οξυγόνου. Πόσα μόρια νερού μπορούν να σχηματιστούν το πολύ; Τι περισσεύει;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
Άτομα: υδρογόνο , οξυγόνο .
Κάθε μόριο νερού θέλει 1 άτομο οξυγόνου → με 8 άτομα οξυγόνου φτιάχνονται 8 μόρια νερού, που χρειάζονται άτομα υδρογόνου.
Περισσεύουν άτομα υδρογόνου, δηλαδή 2 μόρια υδρογόνου.
Έλεγχος ατόμων: πριν 20 υδρογόνα και 8 οξυγόνα· μετά υδρογόνα και οξυγόνα ✓.
Απάντηση: 8 μόρια νερού, περισσεύουν 2 μόρια υδρογόνου.
- «Τα άτομα έχουν χρώμα». Χρώμα έχουν μόνο τα προσομοιώματα.
- «Στην εξάτμιση αλλάζουν τα μόρια». Αλλάζουν μόνο οι αποστάσεις τους· είναι φυσικό φαινόμενο.
- Στοιχείο = ένα άτομο. Το μόριο του οξυγόνου έχει 2 άτομα και είναι στοιχείο· κριτήριο είναι το είδος των ατόμων, όχι το πλήθος.
- «Σε αντίδραση διατηρούνται τα μόρια». Διατηρούνται τα άτομα.
- Η ύλη αποτελείται από άτομα· τα άτομα ενώνονται σε μόρια. Λεύκιππος–Δημόκριτος (ιδέα), Ντάλτον (πειραματική στήριξη, πατέρας της ατομικής θεωρίας).
- Όμοια άτομα → μόρια στοιχείων· διαφορετικά άτομα → μόρια ενώσεων.
- Προσομοιώματα: χρωματιστά σφαιρίδια — τα πραγματικά άτομα δεν έχουν χρώμα.
- Στη χημική αντίδραση αλλάζουν οι συνδυασμοί των ατόμων· ο αριθμός και το είδος τους μένουν σταθερά.
- Τα άτομα είναι απίστευτα μικρά: σε ένα κεφάλι.