"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Атомы одного химического элемента имеют одинаковый заряд ядра, но могут различаться числом нейтронов. Такие разновидности атомов называют нуклидами, а нуклиды одного элемента с разным числом нейтронов — изотопами. Чтобы описать состав ядра, используют зарядовое число Z и массовое число A: по ним находят число протонов и нейтронов. Эти понятия помогают читать записи атомов, объяснять свойства элементов и разбираться в ядерных превращениях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра определяется числом протонов, и именно это число закрепляет за атомом его принадлежность к элементу. Если число протонов изменилось, перед нами уже атом другого элемента. Поэтому химический элемент — не один конкретный атом, а целая группа таких атомов.
Нуклид — разновидность атомов с определёнными значениями зарядового числа Z и массового числа A. Это понятие позволяет указать не только, к какому элементу относится атом, но и какой состав имеет его ядро. У нуклидов одного элемента Z одинаково, а A может различаться. Следовательно, одного названия элемента недостаточно, чтобы точно описать ядро.
Изотопы — нуклиды одного химического элемента с одинаковым Z, но разными массовыми числами A. Иначе говоря, у их атомов одинаковое число протонов, но неодинаковое число нейтронов. Такое название удобно, когда нужно подчеркнуть, что разные нуклиды принадлежат одному элементу. Например, хлор-35 и хлор-37 — изотопы хлора.
Нуклид записывают в виде ᴬ_ZX: верхний индекс A указывает массовое число, а нижний индекс Z — заряд ядра; X обозначает символ элемента. По этой записи можно восстановить состав ядра и проверить название элемента. Индексы не являются частью символа и не меняют его. Эта форма записи позволяет кратко и однозначно описать нуклид.
Порядковый номер элемента в периодической системе обозначают Z. Он равен заряду ядра, потому что положительный заряд ядра создают протоны, каждый из которых несёт единичный положительный заряд. Значит, по Z сразу можно узнать число протонов и определить элемент. В нейтральном атоме число электронов тоже равно Z: отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд протонов.
Массовое число A складывается из числа протонов и нейтронов, поскольку именно эти частицы образуют почти всю массу ядра. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами. Если из общего числа нуклонов A вычесть число протонов Z, останется число нейтронов: N = A − Z. Например, у ядра с A = 23 и Z = 11 одиннадцать протонов и двенадцать нейтронов.
Нуклиды различаются составом ядер, который задаётся числами Z и A. При одинаковом Z неизменно число протонов, поэтому атомы относятся к одному элементу. Если число нейтронов меняется, то меняется и сумма протонов с нейтронами — массовое число A. Так возникают разные нуклиды одного элемента, а изменение Z означало бы уже другой элемент.
Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, а в нейтральных атомах — и одинаковое число электронов. Поэтому их электронные оболочки устроены сходно, а химические свойства близки: химические реакции в первую очередь связаны с электронами. Число нейтронов на электронную оболочку напрямую не указывает, но влияет на массу атома и некоторые физические свойства. Поэтому изотопы различаются, хотя в химическом смысле принадлежат одному элементу.
Относительная атомная масса элемента в таблице может быть дробной, потому что природный образец часто содержит несколько изотопов. У каждого из них своя масса, а доля в смеси может быть неодинаковой. Табличное значение учитывает и массы изотопов, и их распространённость в природе. Это средняя характеристика природной смеси, а не массовое число отдельного атома: A конкретного нуклида всегда целое.
| Объект или характеристика | Что задаёт | Протоны | Нейтроны | Пример |
|---|---|---|---|---|
| Химический элемент | Принадлежность атомов по заряду ядра | Одинаковое число для данного элемента | Может различаться | Атомы кислорода имеют Z = 8 |
| Нуклид | Конкретные значения Z и A | Z | N = A − Z | ²³₁₁Na: 11 |
| Изотопы одного элемента | Одинаковое Z и разные A | Одинаковое число | Разное число | ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl |
| Обозначение ᴬ_ZX | Символ элемента и параметры ядра | Нижний индекс Z | A − Z | ²³₁₁Na |
| Связь между A, Z и N | Число нуклонов в ядре | Z | N | A = Z + N |
Сначала по Z определите элемент и число протонов, затем по A найдите общее число нуклонов. Разность A − Z покажет число нейтронов. При проверке изотопов сравните Z: одинаковые значения при разных A означают изотопы одного элемента.
Задача 1. Для нуклида ²³₁₁Na определите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Нижний индекс сразу даёт Z = 11, а верхний индекс — A = 23. Сначала определим состав ядра, затем проверим число электронов с учётом нейтральности атома.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: в ядре всего 11 + 12 = 23 нуклона, что совпадает с A.
Задача 2. Запишите нуклид кислорода с 8 протонами и 10 нейтронами и укажите его массовое число. Число протонов определяет элемент: Z = 8 соответствует кислороду, символ которого O. Чтобы получить A, сложим протоны и нейтроны, ведь оба вида частиц входят в состав ядра.
Ответ: нуклид ¹⁸₈O, его массовое число A = 18. Проверка по обратной формуле даёт N = A − Z = 18 − 8 = 10, как указано в условии.
Задача 3. Определите, какие из нуклидов ³⁵₁₇Cl, ³⁷₁₇Cl и ³⁷₁₈Ar являются изотопами одного элемента. Для принадлежности к одному элементу сравнивают нижние индексы Z, а не верхние A. Среди приведённых записей первые две имеют один и тот же Z, тогда как у третьей зарядовое число и символ элемента другие.
Ответ: ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl — изотопы хлора. ³⁷₁₈Ar к ним не относится, даже несмотря на совпадение его A с массовым числом второго нуклида хлора.
Ошибка — считать A числом нейтронов. Так происходит, если принять верхний индекс за показатель только одной части ядра; на деле A — общее число протонов и нейтронов. Проверьте себя формулой A = Z + N: нейтроны получают вычитанием N = A − Z.
Ошибка — путать Z и A. Их смешивают, потому что оба числа стоят рядом с символом элемента, хотя они описывают разные характеристики: Z задаёт число протонов и сам элемент, а A — общее число нуклонов. Для проверки спросите себя, какое число должно остаться неизменным у атомов одного элемента: это Z.
Ошибка — называть изотопами атомы с одинаковым A. Совпадение массовых чисел само по себе не означает, что атомы относятся к одному элементу. Сверьте нижние индексы: для изотопов нужны одинаковые Z и разные A.
Ошибка — принимать дробную относительную атомную массу из таблицы за массовое число отдельного атома. Дробное значение появляется при учёте природной смеси изотопов, а не при описании одного ядра. Проверьте обозначение конкретного нуклида: его массовое число A всегда целое.
Для работы с нуклидами нужно знать строение атома и понимать, что заряд ядра создают протоны. Знание Z помогает связывать запись нуклида с порядком элементов в периодической системе. Эти понятия пригодятся при изучении радиоактивности и ядерных реакций, где ядра превращаются и их состав меняется. Число нейтронов связано с устойчивостью ядра, поэтому его учитывают при различении устойчивых и радиоактивных нуклидов.
Чем химический элемент отличается от отдельного атома?
Химический элемент — это вид атомов, объединённых одинаковым зарядом ядра, то есть одинаковым числом протонов. Отдельный атом — конкретная частица, у которой есть ядро и электронная оболочка; у него также определённое число нейтронов.
Как по записи нуклида определить число нейтронов?
В записи ᴬ_ZX верхнее число A — массовое число, а нижнее Z — число протонов. Число нейтронов находят по формуле N = A − Z.
Почему изотопы относятся к одному и тому же элементу?
У изотопов одинаковое число протонов, а значит, одинаковый заряд ядра и один и тот же Z. Именно заряд ядра определяет химический элемент, хотя число нейтронов и массовые числа у изотопов различаются.
Могут ли изотопы иметь разные химические свойства?
Химические свойства изотопов близки, потому что у нейтральных атомов одинаковое число электронов и сходное строение электронных оболочек. Небольшие различия возможны из-за разной массы атомов, но принадлежность к элементу остаётся общей.
Почему относительная атомная масса в таблице часто не целая?
В природе элемент обычно представлен смесью изотопов, у которых разные массовые числа и распространённость. Табличная относительная атомная масса учитывает их природное соотношение, поэтому часто получается дробной.
§ 1. Химический элемент. Нуклиды. Изотопы
