"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Атом состоит из компактного ядра и окружающего его электронного облака. В ядре находятся протоны и нейтроны, а число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом. Массовое число показывает общее количество частиц в ядре, а разность массового и протонного чисел даёт число нейтронов. Эти сведения помогают читать обозначения атомов, различать изотопы и объяснять образование ионов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя оно занимает лишь малую часть его объёма. Это понятие помогает отделить устройство ядра от электронного облака вокруг него.
Протонное число Z — число протонов в ядре; оно определяет заряд ядра и порядковый номер химического элемента. Например, у атома с Z = 8 в ядре восемь протонов, а сам элемент — кислород. По Z можно установить элемент и понять, сколько электронов содержит его нейтральный атом.
Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре. Число нейтронов находят вычитанием: A − Z. Эта связь нужна, чтобы по записи атома определить состав ядра, даже если количество нейтронов отдельно не указано.
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. У них совпадает Z, но различаются A и масса. Понятие изотопа позволяет описывать разновидности атомов, не меняющие химическую принадлежность элемента.
Представление о ядре возникло благодаря опытам по рассеянию альфа-частиц — положительно заряженных частиц. Большинство из них проходило через тонкую металлическую фольгу почти без отклонения, значит, основная часть объёма атома не заполнена плотным веществом. Немногие частицы резко отклонялись или возвращались назад, что можно объяснить встречей с маленькой областью, в которой сосредоточен положительный заряд и большая часть массы. Так появилась модель компактного ядра, окружённого электронным облаком.
Заряд ядра создают протоны, потому что каждый из них несёт положительный электрический заряд. Нейтроны не имеют заряда, поэтому увеличивают массу ядра, не изменяя его суммарный заряд. Электроны заряжены отрицательно, и в нейтральном атоме их столько же, сколько протонов. Заряды противоположного знака взаимно компенсируются, поэтому весь атом электрически нейтрален.
Число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице: если оно изменится, получится уже другое ядро и другой элемент. В нейтральном атоме столько же электронов, поскольку иначе положительный и отрицательный заряды не уравновесились бы. При образовании положительного иона атом теряет электроны, а при образовании отрицательного — присоединяет их. Поэтому заряд иона меняет число электронов, но не протонное число и не название элемента.
В записи атома массовое число A обычно ставят слева сверху от символа элемента, а протонное число Z — слева снизу: ²³₁₁Na. Нижний индекс показывает, сколько протонов находится в ядре; верхнее число учитывает и протоны, и нейтроны. Вычитая 11 из 23, получаем 12 нейтронов. Следовательно, запись позволяет восстановить состав ядра, а для нейтрального атома — и число электронов.
Изотопы принадлежат одному элементу, потому что имеют одинаковое число протонов: именно оно задаёт заряд ядра и идентичность элемента. Однако число нейтронов у них различается, поэтому различается и массовое число. Например, атомы водорода с одним протоном могут иметь ноль, один или два нейтрона. Различие в числе нейтронов меняет массу атома, но не превращает его в атом другого элемента.
| Характеристика | ¹H | ²H | ³H |
|---|---|---|---|
| Протонное число Z | 1 | 1 | 1 |
| Массовое число A | 1 | 2 | 3 |
| Число протонов | 1 | 1 | 1 |
| Число нейтронов | 0 | 1 | 2 |
| Число электронов в нейтральном атоме | 1 | 1 | 1 |
Чтобы заполнить такую таблицу, сначала определите Z и A по обозначению изотопа. Число нейтронов найдите как A − Z, а число электронов в нейтральном атоме приравняйте к Z. Сравнение столбцов показывает: у изотопов одинаково число протонов и электронов, но разное число нейтронов.
Задача 1. Для атома ²³₁₁Na определите число протонов, нейтронов и электронов. Индекс 11 — это Z, поэтому он сразу сообщает число протонов. Верхнее число 23 — это A, то есть общее количество протонов и нейтронов в ядре. Поскольку в условии указан атом, а не ион, считаем его нейтральным.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: в ядре 11 + 12 = 23 частицы, что совпадает с массовым числом.
Задача 2. В ядре атома 17 протонов и 18 нейтронов. Нужно записать обозначение атома и определить его порядковый номер. Сначала находим общее число частиц ядра, затем устанавливаем элемент по количеству протонов. Порядковый номер нельзя определять по сумме протонов и нейтронов: эта сумма даёт только массовое число.
Ответ: ³⁵₁₇Cl, порядковый номер 17. Проверка: 35 − 17 = 18 нейтронов, как указано в условии.
Задача 3. Для иона ³⁵₁₇Cl⁻ определите числа протонов, нейтронов и электронов и сравните с нейтральным атомом хлора. Индексы A и Z описывают ядро, а знак минус указывает на заряд частицы. Отрицательный заряд означает, что электронов на один больше, чем протонов.
Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов. От нейтрального атома ион отличается одним дополнительным электроном; его ядро осталось прежним.
Принимать A за число нейтронов. Так ошибаются, потому что видят слово «массовое» и связывают его только с нейтральными частицами ядра. Но A включает и протоны, и нейтроны. Проверьте себя: сложите найденные количества протонов и нейтронов — сумма должна быть равна A.
Путать Z и A. Оба числа стоят рядом с символом элемента, поэтому их легко поменять местами. Однако Z — это число протонов, а A — сумма протонов и нейтронов. Для проверки вычтите Z из A: результат должен быть неотрицательным числом нейтронов.
Считать, что у изотопов различается число протонов. Это заблуждение возникает из-за того, что изотопы имеют разные массы и обозначаются разными числами A. Но изменение протонного числа означало бы переход к другому элементу. У изотопов одного элемента Z одинаково, а меняется число нейтронов.
Приравнивать число электронов у иона числу протонов. Это правило работает только для нейтрального атома, но его часто переносят на заряженную частицу. У отрицательного иона электронов больше, у положительного — меньше. Проверьте результат по заряду: разность числа протонов и электронов должна соответствовать знаку и величине заряда.
Для изучения строения атома нужны знания о частицах вещества, их массе и электрическом заряде: они помогают объяснить, почему ядро положительное, а атом может быть нейтральным или заряженным. Протонное число и изотопы используют при чтении периодической таблицы и объяснении относительной атомной массы элемента. Понимание состава атома становится основой для изучения электронных конфигураций, периодического закона и химической связи. Эти темы связывают устройство отдельных атомов со свойствами веществ.
Почему атом в целом электрически нейтрален?
В нейтральном атоме положительный заряд всех протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Поэтому число протонов равно числу электронов, а суммарный заряд атома равен нулю.
Как по записи атома найти число нейтронов?
Верхнее число A показывает общее число протонов и нейтронов, а нижнее число Z — число протонов. Чтобы найти нейтроны, нужно вычислить разность A − Z.
Чем протонное число отличается от массового?
Протонное число Z равно числу протонов и определяет химический элемент. Массовое число A — это сумма протонов и нейтронов в ядре.
Почему изотопы относятся к одному и тому же химическому элементу?
У изотопов одинаковое число протонов, то есть одинаковое протонное число Z. Именно оно определяет элемент, хотя число нейтронов и масса атомов могут различаться.
Что меняется в составе атома, когда он превращается в ион?
При образовании иона атом теряет или присоединяет электроны, поэтому меняется число электронов и появляется заряд. Число протонов и нейтронов в ядре при этом не меняется.
§ 1. Основные сведения о строении атома
