"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Атом — электронейтральная частица, состоящая из компактного ядра и электронной оболочки. В ядре находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, а вокруг него — отрицательно заряженные электроны. Число протонов определяет заряд ядра и указывает, к какому химическому элементу относится атом. Массовое число показывает общее количество протонов и нейтронов. Зная эти правила, можно определить состав атома и объяснить, почему нейтральный атом не имеет суммарного заряда.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронной оболочки. Электронейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды в целом уравновешены. Ядро занимает очень малую часть объёма атома, а электроны образуют его оболочку. Это определение помогает не представлять атом просто неделимым шариком: у него есть части с разными свойствами.
Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Число протонов определяет заряд ядра: например, если протонов пять, заряд ядра равен +5 элементарных зарядов. Именно подсчёт протонов позволяет отличить атомы разных химических элементов. Поэтому при описании ядра важно не смешивать протоны с другими частицами.
Нейтрон — частица ядра, не имеющая электрического заряда. Нейтроны вместе с протонами составляют основную массу ядра, но не увеличивают его электрический заряд. Их количество может различаться у атомов одного элемента. Знание числа нейтронов нужно, чтобы определить массовое число атома.
Электрон — отрицательно заряженная частица электронной оболочки. Его масса значительно меньше массы протона: примерно в 1840 раз. Электроны компенсируют положительный заряд протонов, если их количества равны. Поэтому при определении заряда атома нужно учитывать не только ядро, но и электронную оболочку.
Представление о ядре появилось благодаря опытам Резерфорда: учёный направлял быстрые частицы на тонкую металлическую фольгу и наблюдал, как они проходят сквозь неё или отклоняются. Большинство частиц проходило почти прямо, значит, основная часть объёма атома не заполнена плотным веществом. Небольшая часть частиц сильно отклонялась, а некоторые даже возвращались назад. Это можно было объяснить только тем, что почти вся положительная масса сосредоточена в очень маленькой области — ядре, а вокруг него находится электронная оболочка.
Положительный заряд ядра создают протоны, а нейтроны заряда не имеют. Поэтому величина заряда ядра зависит только от количества протонов: при Z протонах он составляет +Z элементарных зарядов. Заряд выражается целым числом, потому что протоны несут одинаковые элементарные заряды, которые складываются. Добавление нейтрона увеличивает массу ядра, но не меняет его заряд.
У каждого протона заряд +1 элементарный заряд, а у каждого электрона — −1 такой же величины. В нейтральном атоме положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронной оболочки, поэтому число электронов равно числу протонов. Например, при десяти протонах и десяти электронах суммарный заряд равен нулю. Если электронов больше или меньше, нейтральным атом уже не будет: это заряженная частица.
Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, потому что там находятся протоны и нейтроны, а масса электрона очень мала. Массы протона и нейтрона приблизительно равны одной атомной единице массы, поэтому при подсчёте общей массы вкладом электронов обычно пренебрегают. Именно поэтому состав ядра позволяет оценить массу атома. Электронная оболочка важна для заряда и строения атома, хотя её частицы почти не добавляют ему массы.
Массовое число показывает, сколько протонов и нейтронов вместе находится в ядре. Если обозначить число протонов через Z, а число нейтронов через N, то массовое число A = Z + N. Отсюда число нейтронов можно найти вычитанием: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 в ядре 23 − 11 = 12 нейтронов; электроны этим вычислением не учитываются.
| Частица | Обозначение | Электрический заряд | Относительная масса | Расположение в атоме |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | 1 | Ядро |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | 1 | Ядро |
| Электрон | e⁻ | −1 | Примерно 1/1840 | Электронная оболочка |
Сравнивая строки таблицы, можно быстро увидеть, какие частицы отвечают за заряд, а какие находятся в ядре. Относительная масса показывает массу частицы по сравнению с протоном: для протона она принята за 1. При подсчёте массового числа складывают протоны и нейтроны, а число электронов определяют отдельно.
Задача 1. В нейтральном атоме 11 протонов. Определите число электронов и заряд ядра. Сначала используем условие нейтральности, затем учитываем, что заряд ядра создают протоны. Так можно найти оба ответа, не зная числа нейтронов.
Ответ: 11 электронов; заряд ядра +11 элементарных зарядов. Число электронов найдено из нейтральности атома, а заряд — по количеству протонов в ядре.
Задача 2. В ядре атома 17 протонов и 18 нейтронов. Определите массовое число и число электронов в нейтральном атоме. Массовое число описывает состав ядра, поэтому для него нужны обе ядерные частицы. Для электронов отдельно используем условие нейтральности.
Ответ: массовое число равно 35, число электронов равно 17. Нейтроны не добавляются к числу электронов, поскольку они не входят в электронную оболочку.
Задача 3. Атом имеет массовое число 40, заряд его ядра равен +20. Определите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Положительный заряд ядра показывает количество протонов в единицах элементарного заряда. Затем по массовому числу найдём оставшиеся частицы ядра, а нейтральность подскажет число электронов.
Ответ: 20 протонов, 20 нейтронов и 20 электронов. Проверка: 20 + 20 = 40, то есть сумма частиц ядра совпадает с массовым числом.
Иногда считают, что атом состоит только из ядра, и забывают об электронной оболочке. К такому выводу могут привести схемы, где ядро изображено крупно, а электроны не показаны или условно обозначены. Но тогда невозможно объяснить отрицательный заряд частиц и электронейтральность атома. Проверьте себя: в составе атома должны быть названы и ядро, и электроны оболочки.
Другая ошибка — считать, что число нейтронов определяет заряд ядра. Нейтроны находятся в ядре рядом с протонами, поэтому их легко ошибочно принять за источник его заряда. Однако нейтрон электрически нейтрален, и заряд создают только протоны. Проверка простая: найдите количество протонов; именно оно задаёт заряд ядра.
Массовое число иногда принимают за число нейтронов, хотя оно включает обе разновидности частиц ядра. Путаница возникает потому, что и нейтроны, и массовое число упоминаются при описании ядра. Чтобы проверить расчёт, сложите числа протонов и нейтронов: результат должен совпасть с массовым числом. Если известны A и число протонов Z, используйте N = A − Z.
Нельзя утверждать, что число электронов всегда равно числу протонов: это правило относится к нейтральному атому. Его применяют автоматически, не обращая внимания на условие задачи о заряде частицы. Если речь об ионе, равенство может не выполняться. Проверьте формулировку: для нейтрального атома числа равны, а для заряженной частицы сначала нужно учитывать её заряд.
Для понимания строения атома нужно знать, что такое электрический заряд и элементарный заряд, а также различать положительные, отрицательные и нейтральные частицы. Эти знания объясняют, почему протоны и электроны притягиваются по заряду, а нейтроны не влияют на заряд атома. Они также помогают понять условие электронейтральности.
Знание ядра и электронной оболочки станет основой для изучения строения электронных оболочек и периодического закона. Число электронов связано с тем, как устроена оболочка, а число протонов определяет химический элемент. Поэтому строение атома помогает связать свойства частиц с положением и поведением элементов.
Подсчёт протонов, нейтронов и электронов пригодится при записи состава атомов и сравнении атомов разных химических элементов. С помощью массового числа и заряда ядра можно восстановить состав ядра, а условие нейтральности позволяет найти электроны. Такой способ превращает запись атома в понятную информацию о его частицах.
Почему атом в целом не имеет электрического заряда?
В нейтральном атоме число отрицательно заряженных электронов равно числу положительно заряженных протонов. Их заряды одинаковы по величине и противоположны по знаку, поэтому взаимно компенсируются. Нейтроны на общий заряд не влияют.
Чем заряд ядра отличается от заряда атома?
Заряд ядра положительный и создаётся находящимися в нём протонами. Заряд атома — это суммарный заряд ядра и электронов. У нейтрального атома он равен нулю, хотя ядро заряжено положительно.
Где находится основная масса атома?
Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, поскольку протоны и нейтроны намного тяжелее электронов. Масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы протона.
Как определить число нейтронов в ядре?
Из массового числа нужно вычесть число протонов. Например, если массовое число равно 40, а протонов 20, то нейтронов 40 − 20 = 20.
Всегда ли число электронов в атоме равно числу протонов?
В нейтральном атоме — да: иначе положительный и отрицательный заряды не уравновесятся. У заряженной частицы, которая называется ионом, число электронов может отличаться от числа протонов.
§ 7. Основные сведения о строении атомов
