"Химия (базовый уровень)", Журин А.А.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре задаёт заряд атома и определяет, какому элементу он принадлежит; электроны распределяются по энергетическим уровням. По строению оболочки можно понять положение элемента в периодической таблице и предсказать некоторые его свойства. Периодический закон объясняет, почему свойства элементов и их соединений закономерно повторяются при увеличении заряда ядра.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют заряда, а вместе они составляют почти всю массу атома. Знание состава ядра помогает понять, чем атомы разных элементов отличаются друг от друга.
Протонное число — число протонов в ядре атома. Оно определяет положительный заряд ядра и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице. По нему можно установить, какой перед нами элемент, и найти число электронов в его нейтральном атоме.
Электронная оболочка — совокупность электронов атома, распределённых по энергетическим уровням вокруг ядра. Электроны имеют отрицательный заряд и занимают пространство, значительно большее, чем само ядро. Строение оболочки нужно знать, чтобы объяснять химические свойства и положение элемента в таблице.
Периодический закон утверждает: свойства химических элементов и их соединений периодически изменяются с ростом заряда атомных ядер. Иными словами, при переходе от элемента к элементу характеристики меняются не случайно, а закономерно повторяются. Закон связывает свойства веществ с устройством атомов и помогает предсказывать свойства элементов.
Представление об атоме как о неделимой частице сменилось моделью с ядром и электронами после изучения его внутреннего строения. Положительный заряд сосредоточен в маленьком ядре, тогда как электроны занимают пространство вокруг него. Поскольку протоны и нейтроны намного тяжелее электронов, почти вся масса атома приходится на ядро. Так объясняется, почему атом может быть очень большим по сравнению с ядром, но почти вся его масса сосредоточена в центре.
Атом удобно обозначать символом элемента с числом протонов и массовым числом: массовое число A показывает сумму протонов и нейтронов. Протонное число Z можно найти в периодической таблице: оно равно числу протонов, а для нейтрального атома — ещё и числу электронов. Чтобы найти нейтроны, из A вычитают Z, то есть N = A − Z. Такое чтение обозначения позволяет восстановить состав атома, не путая заряд ядра с общей массой частиц.
Электроны располагаются не произвольно, а по энергетическим уровням, которые заполняются в определённом порядке. На первых уровнях помещается ограниченное число электронов; у элементов первых трёх периодов простое распределение обычно записывают числами через запятую. Номер периода связан с количеством занятых уровней, потому что при переходе к следующему периоду начинается заполнение нового уровня. Поэтому по распределению электронов можно определить период, а по номеру периода — сколько уровней занято.
Внешним называют самый удалённый от ядра занятый уровень; именно его электроны особенно важны при образовании химических связей. У элементов одной группы, то есть одного столбца таблицы, часто совпадает число электронов на внешнем уровне. Поэтому такие элементы сходно взаимодействуют с другими веществами и образуют соединения с похожими свойствами. Положение в таблице и строение оболочки вместе дают основу для объяснения химического поведения элемента.
При увеличении заряда ядра число электронов в атоме также растёт, и они последовательно заполняют энергетические уровни. Когда внешний уровень сформирован, у следующих элементов начинается повторение похожего порядка заполнения, поэтому сходное строение внешней оболочки возникает снова. А так как именно внешняя оболочка во многом определяет химическое поведение атома, свойства элементов и их соединений меняются периодически. Причина периодичности — не просто увеличение массы, а повторяемость электронного строения при росте заряда ядра.
| Частица | Обозначение | Заряд | Относительная масса | Расположение |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | 1 | В ядре |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | 1 | В ядре |
| Электрон | e⁻ | −1 | примерно 1/1836 | В электронной оболочке |
Сравнивая частицы, сначала обращайте внимание на заряд и расположение: протоны и нейтроны находятся в ядре, а электроны — вокруг него. Относительная масса показывает, почему вклад электронов в массу атома очень мал. Таблица помогает быстро восстановить состав атома и объяснить его заряд.
Задача 1. Для атома натрия с массовым числом 23 определите число протонов, нейтронов и электронов. Начинаем с порядкового номера: у натрия Z = 11, значит, в ядре 11 протонов. Так как речь о нейтральном атоме, число электронов тоже равно 11; нейтроны находим отдельно по массовому числу.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: сумма протонов и нейтронов равна массовому числу, 11 + 12 = 23.
Задача 2. Для нейтрального атома с порядковым номером 17 запишите распределение электронов по уровням и определите период. Порядковый номер сразу задаёт число протонов, а нейтральность означает, что электронов тоже 17. Распределяем их по уровням по порядку: на первом размещаем 2, на втором — 8, оставшиеся 7 — на третьем.
Ответ: распределение электронов — 2, 8, 7; период — третий. Проверка: сумма электронов на уровнях равна 2 + 8 + 7 = 17.
Задача 3. Сравните внешний уровень и предполагаемые химические свойства элементов с порядковыми номерами 11 и 19. По таблице это натрий и калий; электронные распределения нейтральных атомов — 2, 8, 1 и 2, 8, 8, 1. Значит, у обоих на внешнем уровне по одному электрону, что указывает на сходное поведение и положение в одной группе.
Ответ: строение внешнего уровня одинаково по числу электронов, поэтому свойства элементов сходны. Внутренних уровней у атомов разное количество, но именно одинаковое число внешних электронов помогает объяснить их общие химические черты.
Путают массовое число с числом нейтронов. Массовое число — это сумма протонов и нейтронов, а не количество только нейтральных частиц. Ошибка возникает, если не учитывать, что протоны тоже входят в массу ядра. Проверяйте результат сложением: число протонов плюс число нейтронов должно дать массовое число.
Считают, что порядковый номер показывает число нейтронов. На самом деле он равен числу протонов и задаёт заряд ядра. Путаница появляется потому, что и порядковый номер, и массовое число записывают рядом с символом элемента. Для проверки найдите элемент в таблице: его номер даёт Z, а нейтроны вычисляются как A − Z.
Приравнивают число электронов к числу протонов у любого атома. Равенство верно для нейтрального атома, но не обязательно для иона. Ион получает заряд, когда атом теряет электроны или присоединяет их, тогда как число протонов остаётся прежним. Перед подсчётом электронов проверьте, указан ли заряд частицы.
Объясняют периодичность только ростом атомной массы. Современный периодический закон связывает изменение свойств с увеличением заряда ядра, то есть протонного числа. Масса не объясняет повторение свойств, поскольку ключевую роль играет строение электронной оболочки. Проверка простая: формулируйте закон через заряд ядра, а не через атомную массу.
Для работы с темой нужно знать символы химических элементов, их порядковые номера и устройство периодической таблицы. Умение находить элемент по номеру помогает определять заряд ядра и состав нейтрального атома. А понятия периода и группы связывают табличное положение с электронной оболочкой.
Строение атома понадобится при изучении химической связи и валентности, потому что образование связей зависит от электронов внешнего уровня. Оно также помогает объяснять, почему свойства элементов и их соединений изменяются в таблице. Поэтому понимание оболочки становится основой для прогнозирования химического поведения веществ.
Почему атом в целом электрически нейтрален?
В нейтральном атоме число отрицательно заряженных электронов равно числу положительно заряженных протонов. Их заряды компенсируют друг друга, поэтому суммарный заряд атома равен нулю.
Как найти число нейтронов, если известны порядковый номер и массовое число?
Порядковый номер показывает число протонов, а массовое число равно сумме протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов находят вычитанием: массовое число − порядковый номер.
Почему у иона число электронов может отличаться от числа протонов?
Ион образуется, когда атом отдаёт или присоединяет электроны; число протонов при этом не меняется. После отдачи электронов ион имеет положительный заряд, после присоединения — отрицательный.
Как по строению электронной оболочки определить период элемента?
Нужно определить, сколько энергетических уровней занято электронами. Номер периода соответствует числу занятых уровней: например, у хлора распределение 2, 8, 7, поэтому он находится в третьем периоде.
Почему элементы одной группы часто обладают сходными химическими свойствами?
У элементов одной группы обычно одинаковое число электронов на внешнем уровне. Именно внешние электроны участвуют в образовании химических связей, поэтому сходное строение оболочки приводит к похожим свойствам.
21. Строение атома. Периодический закон
