§ 14. Атом

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Атомы разных элементов отличаются строением ядра, прежде всего числом протонов. Это понятие помогает описывать, из каких частиц состоят вещества и почему свойства элементов различаются.

Ядро атома — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно очень мало по сравнению со всем атомом, но именно в нём находятся основные массивные частицы. Знание о ядре помогает понять, где находятся протоны и нейтроны.

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав ядра. Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом: например, атомы с разным числом протонов — атомы разных элементов. Поэтому подсчёт протонов позволяет различать элементы.

Электрон — отрицательно заряженная частица, находящаяся вокруг ядра. Электроны намного легче частиц ядра и участвуют в уравновешивании его положительного заряда. Их расположение объясняет, почему атом можно представить как ядро и окружающие его частицы.

Как это устроено

Вещества состоят из мельчайших частиц, и одной из таких частиц является атом. Сам атом тоже имеет состав: в его центре находится ядро, а вокруг него — электроны. Такое строение помогает объяснить, почему атом не является неделимым шариком, хотя его нельзя увидеть невооружённым глазом. Представляя атом, важно различать его части, а не смешивать их в одну.

Ядро занимает очень малую часть объёма атома, но содержит почти всю его массу. Это связано с тем, что протоны и нейтроны, из которых состоит ядро, гораздо массивнее электронов. Поэтому размер частицы и её масса распределены в атоме не одинаково: вокруг ядра много пространства, а основная масса сосредоточена в центре. Так можно понять, почему маленькое ядро играет столь важную роль.

Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. В обычном нейтральном атоме число этих частиц одинаково, поэтому их заряды взаимно уравновешиваются. Например, если в ядре три протона, вокруг него у нейтрального атома находится три электрона. Нейтральность означает отсутствие общего заряда у атома, а не отсутствие зарядов у его частиц.

У каждого химического элемента своё число протонов в ядре. Именно поэтому число протонов служит признаком элемента: если оно изменилось, перед нами уже атом другого элемента. Электроны в нейтральном атоме уравновешивают протоны, но не определяют, к какому элементу относится атом. Сравнивая атомы, сначала обращают внимание на ядро и считают протоны.

Атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы веществ. Это происходит, когда атомы взаимодействуют и становятся частями одной более крупной частицы. Например, молекула может включать несколько атомов, связанных между собой. Поэтому свойства вещества связаны не только с тем, какие атомы в него входят, но и с тем, как они соединены.

Части атома и их особенности

Чтобы разобраться в схеме, сначала найдите расположение частицы: центр обозначает ядро, а частицы вокруг него — электроны. Затем сравните заряды: у протонов он положительный, у электронов отрицательный, у нейтронов заряда нет. Последний столбец помогает вспомнить главную роль каждой части.

Разбор задач

Задача 1. На схеме атома обозначены центральная часть и частицы вокруг неё. Назовите их. Чтобы ответить, нужно использовать расположение элементов схемы, а не пытаться угадать их по размеру. Условие не сообщает числа частиц, поэтому достаточно определить две области атома.

1. Найдите центральную часть схемы: центр атома занимает ядро.
2. Посмотрите на частицы, нарисованные вокруг центра: это электроны.
3. Сформулируйте ответ, назвав сначала центр, затем окружающие его частицы.

Ответ: центральная часть — ядро, частицы вокруг него — электроны. Такой способ подходит и для других схем строения атома: сначала находят ядро, затем рассматривают то, что расположено вокруг него. Не следует называть электроны частью ядра, потому что они находятся вне его.

Задача 2. У нейтрального атома в ядре 6 протонов. Сколько электронов находится вокруг ядра? В условии специально указано, что атом нейтрален: это позволяет связать число частиц с их зарядами. Протоны положительны, электроны отрицательны, и для нейтральности их заряды должны уравновешиваться.

1. Вспомните правило: в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
2. Подставьте данное в условии число протонов — 6.
3. Значит, вокруг ядра должно находиться столько же электронов.

Ответ: 6 электронов. Проверка простая: шесть положительных зарядов уравновешиваются шестью отрицательными. Поэтому весь атом нейтрален, хотя каждая из этих частиц сама по себе имеет заряд.

Задача 3. В двух нейтральных атомах число протонов равно 6 и 8. Одинаковые ли это атомы и почему? Для сравнения нужно использовать признак, который определяет химический элемент. Число электронов также можно найти, но оно показывает нейтральность и не заменяет сравнение числа протонов.

1. Сравните числа протонов в ядрах: в одном атоме их 6, в другом — 8.
2. Установите, что эти числа различаются.
3. Примените правило: атомы с разным числом протонов относятся к разным химическим элементам.

Ответ: это атомы разных химических элементов. В нейтральных атомах вокруг ядер будет соответственно 6 и 8 электронов, но решающим признаком элемента остаётся число протонов. Значит, даже нейтральные атомы различаются, если у них неодинаковое строение ядер.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что электроны находятся внутри ядра. Так можно подумать, если на простой схеме все частицы нарисованы близко друг к другу, но расположение принципиально: в ядре находятся протоны и нейтроны, а электроны окружают его. Чтобы проверить себя, спросите, какая частица имеет отрицательный заряд и где она расположена. Ответ: электрон находится вокруг ядра.

Атом иногда путают с молекулой, потому что оба слова обозначают очень маленькие частицы. Атом — частица химического элемента, а молекула может состоять из нескольких соединённых атомов. Проверьте себя вопросом: описывается одна частица элемента или соединение нескольких атомов? Если атомы объединены, речь может идти о молекуле.

Можно ошибочно представить, что ядро занимает большую часть объёма атома. На самом деле оно очень мало, хотя в нём сосредоточена почти вся масса: размер и масса — не одно и то же. Ошибке способствует то, что ядро изображают крупно, чтобы его можно было рассмотреть на схеме. Проверяйте себя: крупное изображение не означает, что ядро занимает столько же места в настоящем атоме.

Нейтральность атома иногда понимают так, будто у каждой его частицы нет заряда. Это неверно: протоны заряжены положительно, электроны — отрицательно, а нейтральным является атом в целом. Ошибка возникает, если смешать свойства отдельной частицы со свойствами всей системы. Для проверки сравните числа протонов и электронов: в нейтральном атоме они равны, и заряды уравновешиваются.

Связь с другими темами

Для понимания атома пригодится знание о том, что вещества состоят из мельчайших частиц. Полезно также помнить, что частицы могут различаться по свойствам: у протонов, нейтронов и электронов разные заряды. Тогда строение атома можно понять как устройство частицы из нескольких частей, а не как набор незнакомых названий.

Представление об атомах поможет при изучении молекул, химических элементов и состава веществ. Оно объясняет, из каких частиц состоят молекулы и почему разные элементы нельзя считать одним и тем же. Позже эти знания пригодятся, чтобы описывать соединение атомов и сравнивать вещества по их составу.

Что запомнить

• Атом — частица химического элемента.
• В центре атома находится ядро.
• В ядре находятся протоны и нейтроны.
• Электроны расположены вокруг ядра.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Нейтральный атом содержит одинаковое число протонов и электронов.
• Атомы могут соединяться и образовывать молекулы.