"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Атом состоит из компактного положительно заряженного ядра и электронной оболочки. В ядре находятся протоны и нейтроны, а вокруг него — электроны. Число протонов задаёт заряд ядра и определяет, к какому химическому элементу относится атом. Сумма протонов и нейтронов образует массовое число, а различное число нейтронов создаёт изотопы одного элемента. Эти сведения помогают описывать состав атомов и ионов и понимать, почему элементы занимают определённые места в периодической системе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная часть атома, содержащая почти всю его массу и имеющая положительный заряд. Вокруг ядра находится электронная оболочка, поэтому атом в целом может быть нейтральным. Представление о ядре помогает описывать, где сосредоточены масса и положительный заряд атома.
Протон — частица ядра с зарядом +1; число протонов определяет заряд ядра и порядковый номер элемента. Например, у любого атома углерода шесть протонов. По этому числу можно определить химический элемент независимо от того, сколько в ядре нейтронов.
Нейтрон — частица ядра без электрического заряда; вместе с протонами он составляет нуклоны. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре, а число нейтронов влияет на массу и устойчивость атома. Поэтому при описании ядра учитывают оба вида нуклонов, а не только заряженные частицы.
Изотопы — разновидности атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Их обозначают символом элемента и массовым числом, например ²³Na. Такое обозначение отличает атомы одного элемента по составу ядра.
Модель атома с компактным положительно заряженным ядром возникла из опытов по рассеянию частиц. Большинство частиц проходило через тонкую металлическую фольгу почти прямо, значит, внутри атома много свободного пространства. Некоторые частицы резко отклонялись или отскакивали: это можно объяснить встречей с очень маленькой областью, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Электроны занимают пространство вокруг ядра, образуя электронную оболочку.
Заряд ядра задаётся числом протонов: каждый из них вносит заряд +1, а нейтроны заряда не добавляют. Поэтому заряд ядра в единицах элементарного заряда равен числу протонов, которое называют порядковым номером Z. У элементов с разным числом протонов разные заряды ядер, и именно поэтому они являются разными элементами. Порядковый номер также определяет место элемента в периодической системе.
Массовое число A показывает, сколько всего протонов и нейтронов содержится в ядре: A = Z + N. Электроны в это число не включают, поскольку их масса очень мала по сравнению с массой нуклонов. Если известны A и Z, число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 в ядре 12 нейтронов.
В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешен отрицательным зарядом электронов, поэтому число электронов равно числу протонов. Если атом теряет электроны, возникает положительный ион — катион; если присоединяет, образуется отрицательный ион — анион. Изменение касается электронной оболочки, а не ядра: число протонов и заряд ядра сохраняются. Поэтому при поиске состава иона сначала находят протоны и нейтроны, а электроны считают отдельно с учётом заряда.
У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, значит, у их нейтральных атомов одинаково и число электронов. При этом нейтронов в ядрах может быть разное количество, поэтому различаются массовые числа и массы атомов. Одинаковое число электронов означает одинаковое строение электронных оболочек у нейтральных изотопов. Именно оболочка в основном определяет химические свойства, поэтому изотопы одного элемента химически сходны.
Таблица сравнивает частицы по расположению, заряду и относительной массе. По последней строке удобно проверять, какую роль частица играет при определении элемента или изотопа. В расчётах сначала учитывайте состав ядра, а затем — число электронов и заряд атома или иона.
| Характеристика | Протон | Нейтрон | Электрон |
|---|---|---|---|
| Расположение в атоме | В ядре | В ядре | В электронной оболочке |
| Электрический заряд | +1 | 0 | −1 |
| Относительная масса | Около 1 | Около 1 | Около 1/1836 |
| Обозначение | p⁺ | n⁰ | e⁻ |
| Роль в определении элемента или изотопа | Число протонов задаёт элемент и порядковый номер | Число нейтронов различает изотопы | Число электронов определяет заряд иона и строение оболочки |
Определите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме натрия-23 с порядковым номером 11. Массовое число A = 23 показывает общее число частиц в ядре, а Z = 11 — число протонов. Поскольку атом нейтральный, заряд его протонов должен компенсироваться электронами.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Сначала здесь определён состав ядра по Z и A, а условие нейтральности использовано только для подсчёта электронов. Такая последовательность помогает не спутать массовое число с числом нейтронов.
Найдите число протонов, нейтронов и электронов в ионе ³⁵Cl⁻, если порядковый номер хлора равен 17. Обозначение ³⁵Cl задаёт массовое число 35, а заряд ядра определяется порядковым номером. Знак − у иона показывает, что у него на один электрон больше, чем у нейтрального атома хлора.
Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов. Заряд иона не меняет состав ядра, поэтому число протонов и нейтронов найдено так же, как для атома того же изотопа. Меняется только число электронов.
У атома элемента заряд ядра +26, а в ядре 30 нейтронов. Запишите обозначение изотопа и определите число электронов в ионе с зарядом 2+. Заряд ядра позволяет установить число протонов и порядковый номер. Затем к числу протонов прибавляют нейтроны, а положительный заряд иона учитывают при подсчёте электронов.
Ответ: изотоп ⁵⁶Fe; в ионе с зарядом 2+ — 24 электрона. Проверка: положительный заряд означает, что протонов на два больше, чем электронов, и 26 − 24 = 2. Число нейтронов при образовании иона остаётся равным 30.
Массовое число принимают за число нейтронов, потому что в условии часто просят найти именно нейтроны и числа легко перепутать. Но A складывается из протонов и нейтронов, поэтому N = A − Z. Проверьте себя сложением: найденные протоны и нейтроны должны дать массовое число.
Иногда считают, что изотопы одного элемента имеют разное число протонов, поскольку их массы отличаются. Однако различается число нейтронов, а число протонов у всех изотопов элемента одинаково. Проверка простая: одинаковый порядковый номер означает один элемент, а разные массовые числа при нём указывают на изотопы.
При образовании иона ошибочно меняют заряд ядра, хотя атом лишь теряет или присоединяет электроны. Из-за этой ошибки путают состав ядра и оболочки. Сверьте число протонов с порядковым номером: у иона того же элемента оно должно остаться прежним.
Знак заряда частицы иногда принимают за указание прибавить или вычесть электроны без учёта смысла знака. Положительный ион — катион — потерял электроны, отрицательный — анион — приобрёл их. Проверьте результат сравнением зарядов: у катиона протонов больше, чем электронов, у аниона — меньше.
Для изучения строения атома нужно представлять, что такое электрический заряд, знать простейшую модель атома и понимать периодический закон. Порядковый номер связывает заряд ядра с положением элемента в периодической системе. Это позволяет переходить от таблицы элементов к подсчёту частиц в атоме.
Состав атома служит основой для изучения электронной конфигурации — распределения электронов по энергетическим уровням и подуровням. От электронной оболочки зависят химическая связь и многие свойства элементов. Поэтому понимание числа электронов помогает объяснять, как атомы взаимодействуют и образуют вещества.
Сведения о ядре и изотопах нужны при изучении радиоактивности и ядерных реакций. В таких процессах меняется состав или состояние ядра, а не только электронная оболочка, как при образовании иона. Различия между изотопами позволяют описывать превращения ядер с точностью до числа протонов и нейтронов.
Чем массовое число отличается от относительной атомной массы?
Массовое число — целое число протонов и нейтронов в ядре конкретного атома. Относительная атомная масса элемента в таблице обычно не целая: она учитывает распространённость разных изотопов и их массы.
Как быстро определить число нейтронов в атоме?
Вычтите порядковый номер элемента из массового числа: N = A − Z. Например, у натрия-23 с Z = 11 число нейтронов равно 23 − 11 = 12.
Почему изотопы относятся к одному и тому же химическому элементу?
У изотопов одинаковое число протонов, а именно оно определяет заряд ядра и порядковый номер элемента. Различается число нейтронов, поэтому изотопы имеют разные массы.
Что происходит с числом электронов, когда атом превращается в ион?
При образовании катиона атом теряет электроны, а при образовании аниона приобретает их. Число протонов и заряд ядра при этом не меняются.
Почему почти вся масса атома сосредоточена в ядре?
Протоны и нейтроны в тысячи раз тяжелее электронов. Поэтому даже при наличии электронной оболочки почти вся масса атома приходится на его ядро.
Тема 2. Строение атома
