Atomy i cząsteczki — budowa materii

około 10 minut
W tej lekcji1/15

Weź kroplę wody z kranu — taką zwyczajną, z czubka palca. A teraz pomyśl o wszystkich gwiazdach we Wszechświecie: każda galaktyka, każda mgławica, wszystko, co da się zobaczyć największym teleskopem. Ta jedna kropla ma w sobie mniej więcej tyle samo atomów, ile tam jest gwiazd. Nie żartuję — zaraz to policzymy.

Wszystko jest zbudowane z atomów

Kartkę można przecinać na pół raz za razem, ale nie w nieskończoność. W końcu zostaje kawałek, którego nie da się już podzielić bez zniszczenia tego, czym jest. To atom. Nazwa pochodzi z greckiego słowa oznaczającego „niepodzielny” — wymyślono ją ponad dwa tysiące lat temu, na długo przed tym, zanim ktokolwiek atom zobaczył.

Sto rodzajów klocków na cały świat

Z atomów zbudowane jest wszystko: powietrze, ławka, woda w szklance — i Ty. A rodzajów atomów jest zaskakująco mało, około stu. To jak z klockami: kilkadziesiąt rodzajów elementów, a zbudować z nich można cokolwiek.

Jak mały jest atom

Średnica atomu to około 0,10{,}1 nanometra, czyli 10−1010^{-10} metra. W poprzek jednego włosa zmieściłby się rząd mniej więcej miliona atomów ułożonych obok siebie.

Atomy łączą się w cząsteczki

Atomy rzadko żyją samotnie — najczęściej łączą się w większe zestawy. Takie połączenie kilku atomów nazywamy cząsteczką (albo drobiną). Najsłynniejsza jest woda: dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu, stąd zapis H2O\mathrm{H_2O}. Mała cyfra na dole mówi, ile atomów danego rodzaju wchodzi w skład cząsteczki; brak cyfry oznacza jeden.

Cząsteczki, które spotykasz codziennie

CząsteczkaZapisZ czego zbudowana
wodaH2O\mathrm{H_2O}2 atomy wodoru + 1 atom tlenu
tlen z powietrzaO2\mathrm{O_2}2 atomy tlenu
dwutlenek węglaCO2\mathrm{CO_2}1 atom węgla + 2 atomy tlenu
cukier stołowyC12H22O11\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}aż 45 atomów w jednej cząsteczce

Te same atomy, inny układ — inna substancja

Wodór to lekki gaz, tlen też jest gazem — a razem, w układzie dwa do jednego, tworzą ciecz, którą pijesz. O tym, czym jest substancja, decyduje więc nie tylko to, jakie ma atomy, ale też jak są ze sobą połączone.

Policzmy atomy w jednej kropli wody

  1. 1

    Zaczynamy od kropli. Jedna kropla wody waży mniej więcej 0,050{,}05 grama — dwadzieścia takich kropli składa się na jeden gram.

    m=0,05 gm = 0{,}05\text{ g}
  2. 2

    Fizycy zmierzyli, ile waży pojedyncza cząsteczka wody. Wychodzi około 3⋅10−233 \cdot 10^{-23} grama. To przecinek, po nim dwadzieścia dwa zera i dopiero potem trójka.

    m1≈3⋅10−23 gm_1 \approx 3 \cdot 10^{-23}\text{ g}
  3. 3

    Żeby dowiedzieć się, ile cząsteczek mieści się w kropli, dzielimy masę kropli przez masę jednej cząsteczki.

    N=0,053⋅10−23≈1,7⋅1021N = \frac{0{,}05}{3 \cdot 10^{-23}} \approx 1{,}7 \cdot 10^{21}
  4. 4

    Ale my liczymy atomy, a każda cząsteczka wody to trzy atomy. Mnożymy więc przez trzy.

    3⋅1,7⋅1021≈5⋅10213 \cdot 1{,}7 \cdot 10^{21} \approx 5 \cdot 10^{21}
  5. 5

    Pięć tysięcy miliardów miliardów atomów. W jednej kropli. A astronomowie szacują, że gwiazd w całym obserwowalnym Wszechświecie jest około 102210^{22} — czyli mniej więcej tyle samo.

    5⋅1021 atomoˊw∼1022 gwiazd5 \cdot 10^{21} \text{ atomów} \quad \sim \quad 10^{22} \text{ gwiazd}
Wszystkie kroki za Tobą!

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

Twoja kolej

Cząsteczka amoniaku ma zapis NH3\mathrm{NH_3} — jeden atom azotu i trzy atomy wodoru. Z ilu atomów w sumie zbudowana jest jedna cząsteczka amoniaku?

Temperatura opisuje ruch całego zbioru

Temperatura mówi, jak szybko poruszają się cząstki w całym zbiorze. Jedna cząstka ma jakąś prędkość, ale własnej temperatury nie ma. Podobnie barwa: powstaje z tego, jak zbiór atomów oddziałuje ze światłem, a atom jest mniejszy niż długość fali światła widzialnego — pytanie o jego kolor nie ma sensu.

Stan skupienia to ułożenie wielu cząsteczek

Ta sama cząsteczka H2O\mathrm{H_2O} jest w parze, w wodzie i w lodzie. Nie zmienia się ona sama, tylko sposób, w jaki wiele takich cząsteczek jest ułożonych i jak szybko się porusza. Pojedyncza cząsteczka wody nie jest więc ani ciekła, ani stała, ani gazowa.

Pułapka! Pojedynczy atom nie jest ani ciepły, ani kolorowy

Rozumowanie wygląda niewinnie: skoro miedziany drut jest rudy, to atomy miedzi też muszą być rude. Skoro herbata jest gorąca, to jej cząsteczki są gorące.

Jabłko wielkości Ziemi

  1. 1

    Liczby z potęgami trudno poczuć. Fizyk Richard Feynman wymyślił więc obrazek, który pomaga: powiększmy jabłko.

  2. 2

    Bierzemy zwykłe jabłko o średnicy około 77 centymetrów i rozdymamy je tak, żeby stało się wielkie jak cała kula ziemska.

    dj≈0,07 m→dZ≈1,3⋅107 md_{j} \approx 0{,}07\text{ m} \quad \rightarrow \quad d_{Z} \approx 1{,}3 \cdot 10^{7}\text{ m}
  3. 3

    Powiększenie wychodzi około dwustu milionów razy. Ważne, że w tym samym stosunku powiększamy wszystko, co jest w środku — także atomy.

    k=1,3⋅1070,07≈2⋅108k = \frac{1{,}3 \cdot 10^{7}}{0{,}07} \approx 2 \cdot 10^{8}
  4. 4

    Atom miał średnicę 10−1010^{-10} metra. Po powiększeniu ma około dwóch centymetrów — mniej więcej tyle, co czereśnia.

    10−10⋅2⋅108=2⋅10−2 m=2 cm10^{-10} \cdot 2 \cdot 10^{8} = 2 \cdot 10^{-2}\text{ m} = 2\text{ cm}
  5. 5

    I stąd cały obraz: jabłko urosłoby do rozmiarów Ziemi, a jego atomy dopiero wtedy byłyby wielkości czereśni. Cała planeta ciasno wypełniona czereśniami — tyle atomów masz w jednym jabłku.

Wszystkie kroki za Tobą!

Wszystkie 5 kroków odsłonięte.

Twoja kolej

Rozgrzewasz miedziany drut w płomieniu, aż zaczyna świecić. Które zdanie jest poprawne?

Ściąga do zapamiętania

Czym są atomy i cząsteczki, jak małe są i czego NIE wolno o nich mówić?

Materia zbudowana jest z atomów — najmniejszych cząstek zachowujących cechy pierwiastka. Rodzajów atomów jest około stu. Atomy łączą się w cząsteczki: woda to H2O\mathrm{H_2O}, czyli 2 atomy wodoru i 1 atom tlenu; tlen z powietrza to O2\mathrm{O_2}, dwutlenek węgla to CO2\mathrm{CO_2}. Te same atomy połączone inaczej dają inną substancję. Skala: średnica atomu to około 10−1010^{-10} m, w poprzek włosa zmieści się milion atomów, a w jednej kropli wody jest około 5⋅10215 \cdot 10^{21} atomów — mniej więcej tyle, ile gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie. UWAGA na pułapkę: temperatura, barwa, twardość i stan skupienia to cechy zbioru wielu cząstek, a nie pojedynczego atomu. Atom nie jest ciepły ani kolorowy; ogrzewanie oznacza szybszy ruch atomów.

Sprawdź się!

Odpowiedziano na 0 z 5 pytań

Skróty klawiszowe quizu: klawisze od 1 do 4 wybierają odpowiedź, Enter sprawdza, a po sprawdzeniu przechodzi do następnego pytania. Każdy przycisk możesz też wybrać Tabem i Spacją.

1

Z czego zbudowana jest jedna cząsteczka wody H2O\mathrm{H_2O}?

2

Ile mniej więcej wynosi średnica atomu?

3

Drut miedziany rozgrzano do czerwoności. Co dzieje się z pojedynczym atomem miedzi w tym drucie?

4

Ile mniej więcej atomów jest w jednej kropli wody?

5

Ta sama cząsteczka H2O\mathrm{H_2O} może być w lodzie, w wodzie i w parze. Co z tego wynika?

Następny temat
Trzy stany skupienia ciał