§ 7. Атомы. Химические элементы

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица вещества, состоящая из ядра и электронов. Ядро образуют протоны и нейтроны, а электроны находятся вокруг него. Понятие атома помогает описывать, из каких частиц построены вещества и как эти частицы ведут себя в химических процессах.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Например, все атомы с шестью протонами относятся к углероду, даже если число нейтронов у них различается. Это понятие нужно, чтобы объединять атомы по их главному признаку и находить элемент в периодической таблице.

Изотоп — разновидность атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому изотопы принадлежат одному элементу, однако имеют разную массу. Это понятие помогает объяснить, почему у элемента могут существовать атомы с разными массами.

Химический символ — буквенное обозначение элемента, связанное с его латинским или историческим названием. Например, кислород обозначают O, а железо — Fe. Символы делают запись химических формул и уравнений краткой и понятной независимо от языка.

Как это устроено

Протон несёт положительный заряд, а электрон — отрицательный. В нейтральном атоме число этих частиц одинаково, поэтому положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируются, и общий заряд равен нулю. Если электронов становится больше или меньше, чем протонов, частица уже имеет электрический заряд и называется ионом.

Атом устроен так, что почти вся его масса сосредоточена в очень маленьком ядре. Это происходит потому, что протоны и нейтроны намного тяжелее электронов, хотя ядро занимает лишь малую часть объёма атома. Электроны образуют окружающую ядро электронную оболочку; именно их расположение особенно важно для химического поведения атомов.

Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре. Заряд ядра создают именно протоны, а их число у атомов одного элемента неизменно: если оно изменится, получится уже другой элемент. Поэтому порядкового номера достаточно, чтобы однозначно определить элемент; в нейтральном атоме он также указывает число электронов.

Чтобы различить изотопы, сравнивают число нейтронов при неизменном числе протонов. Например, атомы углерода всегда имеют по шесть протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Электроны у таких атомов распределены сходным образом, поэтому химические свойства изотопов в основном совпадают, хотя их массы и некоторые физические свойства различаются.

Относительные атомные массы в таблице иногда выражены нецелыми числами, потому что в природе обычно присутствует смесь изотопов элемента. Масса каждого изотопа учитывается с поправкой на то, насколько часто он встречается. Поэтому табличное значение отражает среднюю массу такой смеси, а не обязательно массу одного конкретного атома.

Строение атома и характеристики химического элемента

Сначала по таблице можно определить, где находятся частицы и какие заряды они несут. Затем сравнить их относительные массы: это объясняет, почему масса атома в основном связана с ядром. Последняя строка помогает проверить нейтральность, а строка о том, что определяет частица, — не перепутать элемент с изотопом.

Разбор задач

1. В ядре 11 протонов

Определим название элемента и число электронов в нейтральном атоме, если в его ядре 11 протонов. Здесь решающим признаком элемента служит число протонов, а не масса атома. После определения элемента применим правило электрической нейтральности.

1. Число протонов равно 11, значит, порядковый номер элемента — 11.
2. В периодической таблице элемент с номером 11 — натрий, символ Na.
3. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, поэтому электронов 11.

Ответ: натрий (Na), 11 электронов.

2. Массовое число 23, порядковый номер 11

Найдём число протонов, нейтронов и электронов в атоме с массовым числом 23 и порядковым номером 11. Порядковый номер сообщает число протонов, а массовое число складывается из протонов и нейтронов. Поскольку в условии сказано об атоме без заряда, число электронов будет равно числу протонов.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 11.
2. Число электронов в нейтральном атоме также равно 11.
3. Число нейтронов находим вычитанием: 23 − 11 = 12.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

3. Углерод-12 и углерод-14

Сравним атомы углерода-12 и углерода-14. Число после названия указывает массовое число — сумму протонов и нейтронов. Оба атома принадлежат углероду, поэтому число протонов у них одинаково, а различие в массовом числе объясняется нейтронами.

1. Углерод имеет порядковый номер 6, следовательно, в обоих атомах по 6 протонов.
2. Число нейтронов в углероде-12: 12 − 6 = 6.
3. Число нейтронов в углероде-14: 14 − 6 = 8.
4. Если атомы нейтральны, в каждом из них по 6 электронов.

Ответ: это изотопы углерода; у них одинаковое число протонов и электронов, но у углерода-14 на два нейтрона больше.

Типичные ошибки

Ошибка — считать атом и химический элемент одним и тем же. Атом является отдельной частицей, а элемент объединяет атомы с одинаковым числом протонов. Путаница возникает из-за того, что названия часто совпадают; проверь себя вопросом, говорится ли об одной частице или о целом виде атомов.

Некоторые считают, что элемент определяется числом нейтронов. На самом деле число протонов задаёт порядковый номер, а число нейтронов может меняться у изотопов. Чтобы проверить ответ, найди порядковый номер: если он совпадает с числом протонов, элемент определён верно.

Массовое число иногда ошибочно принимают за число электронов или только протонов. Оно равно сумме протонов и нейтронов, потому что именно эти частицы составляют почти всю массу ядра. Для самопроверки запиши соотношение A = Z + N и убедись, что массовое число не меньше числа протонов.

Правило «электронов столько же, сколько протонов» верно для нейтрального атома, но не для иона. Ошибка появляется, когда условие о нейтральности не замечают или переносят правило на любую частицу. Проверь, есть ли у частицы заряд: если он указан, число электронов может отличаться от числа протонов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что вещества состоят из частиц, и отличать атом от молекулы. Также пригодится понимание положительного и отрицательного электрических зарядов: оно объясняет нейтральность атома. Порядковый номер и символы элементов нужны для чтения периодической таблицы и записи формул веществ. Позже знания об атомах и изотопах помогут разбирать ионную связь, химические реакции, радиоактивность и ядерные превращения.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• Ядро содержит протоны и нейтроны.
• Химический элемент определяется числом протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.
• Массовое число равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Химические элементы обозначают символами.