24. Строение атомов. Ионы

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица вещества, состоящая из ядра и электронов. Нейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды в нём уравновешены. Это понятие помогает описывать, из каких частиц состоят вещества и как они могут приобретать заряд.

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поэтому именно его состав важен для описания атома.

Зарядовое число — число протонов в ядре. Оно показывает, каким будет положительный заряд ядра, и определяет, к какому химическому элементу относится атом. Например, у ядра с 11 протонами зарядовое число равно 11, а соответствующий элемент — натрий.

Ион — электрически заряженная частица, которая образуется из атома при потере или присоединении электронов. Если электронов становится меньше, чем протонов, заряд иона положительный; если больше — отрицательный. Число протонов при таком превращении сохраняется, поэтому элемент остаётся тем же.

Как это устроено

Ядро расположено в центре атома, а электроны находятся вокруг него и занимают область, намного большую самого ядра. Поэтому размеры атома значительно превосходят размеры его центральной части. Почти вся масса при этом собрана в ядре: электроны гораздо легче протонов и нейтронов. Так атом может быть большим по размерам, но основная его масса сосредоточена в очень маленьком объёме.

Протон имеет положительный заряд, электрон — такой же по величине отрицательный, а нейтрон заряда не имеет. В нейтральном атоме положительные заряды протонов точно уравновешиваются отрицательными зарядами электронов. Нейтроны на общий электрический заряд не влияют. Поэтому суммарный заряд атома равен нулю, когда число протонов и электронов одинаково.

Число протонов в ядре определяет зарядовое число и химический элемент: у разных элементов различное число протонов. Если бы оно изменилось, изменился бы и сам элемент, а не только электрическое состояние атома. В нейтральной частице электронов должно быть столько же, сколько протонов, иначе положительный и отрицательный заряды не компенсировались бы. У иона это равенство нарушено, но элемент всё ещё определяется ядром.

Когда атом теряет электрон, в нём остаётся больше положительно заряженных протонов, чем отрицательно заряженных электронов. Поэтому образуется положительный ион. Если атом присоединяет электрон, отрицательных зарядов становится больше и частица превращается в отрицательный ион. Знак заряда удобно предсказывать, сравнивая количество протонов и электронов, а не запоминая отдельный пример.

При образовании иона электрон уходит от атома или присоединяется к нему, но состав ядра не меняется. Значит, число протонов и принадлежность частицы к химическому элементу остаются прежними. Меняются число электронов и суммарный электрический заряд. Именно поэтому ион можно считать заряженной формой атома того же элемента.

Сравнение нейтрального атома и ионов

Сначала сравните числа протонов и электронов, а затем определите, какой заряд преобладает. Если они равны, частица нейтральна; если протонов больше — заряд положительный, если электронов — отрицательный. Число протонов при этом помогает установить элемент, но само по себе не показывает, является ли частица ионом.

Разбор задач

Задача 1. В ядре атома 11 протонов. Сколько электронов содержит нейтральный атом? Нужно определить число электронов, при котором положительный и отрицательный заряды полностью компенсируются. Для нейтрального атома количество электронов равно количеству протонов. Поэтому число протонов здесь сразу задаёт ответ.

1. Запишем число протонов: Nₚ = 11. Это положительные заряды атома.
2. Для нейтрального атома используем равенство Nₑ = Nₚ. Иначе суммарный заряд не был бы равен нулю.
3. Подставим известное число: Nₑ = 11. Значит, в атоме должно быть столько же электронов, сколько протонов.

Ответ: 11 электронов.

Задача 2. Атом натрия с 11 протонами потерял один электрон. Определим число электронов и знак заряда иона. В исходном нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, то есть 11. Потеря одного отрицательного заряда уменьшает число электронов на единицу, но число протонов остаётся прежним.

1. Найдём число электронов после потери: Nₑ = 11 − 1 = 10. Ядро по-прежнему содержит 11 протонов.
2. Сравним количества: протонов на один больше, чем электронов. Значит, один положительный заряд не уравновешен отрицательным.
3. Частица получила заряд +1 и является положительным ионом натрия. Химический элемент не изменился, так как число протонов осталось равным 11.

Ответ: 10 электронов, заряд +1.

Задача 3. Частица содержит 8 протонов и 10 электронов. Нужно определить, нейтральна ли она, и найти её заряд. Сравнение сразу показывает, что электронов на два больше. Значит, их отрицательный заряд перевешивает положительный заряд протонов.

1. Запишем числа частиц: Nₚ = 8, Nₑ = 10. Они не равны, поэтому частица не является нейтральным атомом.
2. Вычислим заряд в элементарных единицах по правилу q = Nₚ − Nₑ. Получаем q = 8 − 10 = −2.
3. Отрицательный результат означает избыток электронов, а модуль 2 — заряд в две элементарные единицы. Частица является отрицательным ионом.

Ответ: это ион с зарядом −2.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ион образуется при изменении числа протонов. Обычно так думают, потому что связывают заряд ядра с зарядом всей частицы. Но при образовании иона атом теряет или присоединяет электроны, а ядро остаётся прежним. Проверьте себя: если число протонов изменилось, изменился бы и химический элемент.

Ошибка — считать, что потеря электрона делает ион отрицательным. Электрон действительно отрицателен, но его уход уменьшает именно отрицательный заряд частицы, поэтому оставшийся заряд становится положительным. При присоединении электронов результат противоположный. Для проверки сравните числа протонов и электронов после изменения.

Ошибка — полагать, что у любого атома число электронов равно числу протонов. Это верно только для нейтрального атома, а ион может иметь избыток или недостаток электронов. Путаница возникает из-за того, что обычно сначала изучают нейтральный атом. Проверка простая: выясните, равны ли числа частиц; если нет, перед вами ион.

Ошибка — находить заряд как число электронов минус число протонов. Тогда знак получится противоположным: за положительный вклад отвечают протоны, за отрицательный — электроны. Правило для заряда в элементарных единицах: q = Nₚ − Nₑ. Проверьте результат по смыслу: избыток электронов должен давать отрицательный заряд.

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужно знать, что электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноимённые заряды взаимодействуют иначе, чем разноимённые, а заряд электрона и протона позволяет объяснить нейтральность атома и появление ионов. Поэтому полезно уметь различать знак заряда и сравнивать заряженные частицы.

Представления об атомах и ионах пригодятся при изучении электризации тел: при ней частицы могут получать или терять электроны. Они также помогают понять электрический ток и проводимость веществ, где важную роль играют заряженные частицы. Сравнение количества протонов и электронов связывает строение вещества с его электрическими свойствами.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• Ядро содержит положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны.
• Электрон имеет отрицательный заряд.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом.
• Потеряв электроны, атом становится положительным ионом; присоединив электроны — отрицательным.
• При образовании иона число протонов в ядре не меняется.