§ 1. Основные сведения о строении атома

Определения и обозначения

Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. Ядро образуют протоны и нейтроны, а оболочку — электроны. Это определение нужно, чтобы различать части атома и понимать, где находятся его масса и заряд.

Протонное число Z равно числу протонов в ядре. Оно определяет положительный заряд ядра и порядковый номер химического элемента в периодической таблице. По Z можно установить, какой именно элемент представлен атомом.

Нейтронное число N — количество нейтронов в ядре. Вместе с числом протонов оно показывает состав ядра и влияет на его массовое число. Это число помогает отличать разновидности атомов одного элемента.

Массовое число A — общее число протонов и нейтронов в ядре: A = Z + N. Атом записывают в виде ^A_ZX, где X — символ элемента. Такая запись сразу сообщает зарядовое число и состав ядра.

Как это устроено

Атом имеет очень маленькое ядро и гораздо больший по размеру объём электронной оболочки. Почти вся масса сосредоточена в ядре, потому что протоны и нейтроны примерно в 1840 раз тяжелее электрона. Ядро положительно заряжено из-за протонов, а электроны образуют область отрицательного заряда вокруг него.

Нейтральность атома объясняется не отсутствием заряженных частиц, а их равновесием. Каждый протон имеет заряд +1, каждый электрон — −1, поэтому одинаковое количество таких частиц даёт нулевой общий заряд. Нейтроны на заряд атома не влияют, поскольку электрического заряда не имеют.

Порядковый номер элемента равен числу протонов, потому что именно протоны создают заряд ядра. Если число протонов изменится, получится уже другой элемент. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, поэтому число электронов также равно Z.

Массовое число складывает частицы, которые почти полностью формируют массу ядра: протоны и нейтроны. Поэтому, если известны A и Z, неизвестное число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Например, при A = 37 и Z = 17 в ядре находятся 20 нейтронов.

Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов, поскольку состав ядра не обязан быть единственным. Число протонов при этом остаётся постоянным, иначе изменился бы сам элемент. Такие разновидности атомов с одинаковым Z, но разным N называют изотопами; их массовые числа тоже различаются.

Частицы атома и характеристики его ядра

Сначала по Z определяют число протонов, а затем для нейтрального атома — число электронов. Если известно A, из него вычитают Z и получают число нейтронов. Таблица помогает не смешивать заряд, массу и положение частиц в атоме.

Разбор задач

1. Состав атома натрия

Условие: для нейтрального атома натрия Z = 11 и A = 23. Нужно определить число протонов, нейтронов и электронов.

1. Протонное число показывает число протонов: p = Z = 11.
2. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z: N = 23 − 11 = 12.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: e = 11.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

2. Состав атома хлора

Условие: для нейтрального атома хлора Z = 17 и A = 37. Нужно записать состав ядра и электронной оболочки.

1. В ядре 17 протонов, так как p = Z.
2. Нейтронов будет 37 − 17 = 20, поскольку A включает протоны и нейтроны.
3. В электронной оболочке 17 электронов: для нейтрального атома e = p.

Ответ: ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов, оболочка — 17 электронов.

3. Сравнение изотопов хлора

Условие: сравнить атомы ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl и определить, чем различается их состав.

1. Нижние числа одинаковы: Z = 17, значит, в обоих ядрах по 17 протонов и в нейтральных атомах по 17 электронов.
2. Для первого атома N = 35 − 17 = 18, для второго N = 37 − 17 = 20.
3. Различие только в числе нейтронов, поэтому массовые числа тоже разные. Оба атома являются изотопами хлора.

Ответ: состав оболочки и число протонов совпадают, а число нейтронов равно соответственно 18 и 20.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать A числом нейтронов. Так происходит из-за того, что массовое число связывают с массой ядра. Проверка проста: A должно равняться сумме протонов и нейтронов, поэтому N находят как A − Z.

Ошибка 2: путать Z с числом всех частиц в ядре. Протонное число учитывает только протоны, а протоны и нейтроны вместе дают A. Проверьте обозначения: Z стоит снизу и показывает номер элемента.

Ошибка 3: всегда приравнивать электроны протонам. Это верно только для нейтрального атома, но ион может отдавать или принимать электроны. Перед вычислением определите, указан атом или заряженная частица.

Ошибка 4: считать изотопы разными элементами. Разные массовые числа ещё не означают разные элементы. Сравните Z: одинаковое число протонов подтверждает, что это изотопы одного элемента.

Связь с другими темами

Для изучения строения атома нужны представления о ядре, электронной оболочке, электрическом заряде и химическом элементе. Без них трудно объяснить электронейтральность и различие между протонами, нейтронами и электронами.

Значения Z и A используются при чтении периодической таблицы, записи атомов и обозначении изотопов. По ним можно восстановить состав ядра, а для нейтрального атома — и число электронов.

Эта модель становится основой для изучения электронных оболочек и химической связи. Позже она поможет понять, почему свойства элементов закономерно изменяются в периодической системе.

Что запомнить

• Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
• Электроны образуют электронную оболочку атома.
• Протон имеет заряд +1, электрон — −1, нейтрон не имеет заряда.
• Протонное число Z равно числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов: A = Z + N.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое Z, но различное число нейтронов.