§ 8. Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Определения и обозначения

Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, входящих в состав атомного ядра. Это слово удобно, когда нужно говорить сразу о частицах ядра, не перечисляя их по отдельности. Электроны к нуклонам не относятся.

Зарядовое число — число протонов в ядре атома. Оно показывает, какой это химический элемент: например, ядро с 6 протонами принадлежит углероду. Поэтому зарядовое число помогает установить элемент даже тогда, когда неизвестно число нейтронов.

Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре. Его обозначают A, а зарядовое число — Z; число нейтронов можно найти как разность A − Z. Так массовое число позволяет не только оценить состав ядра, но и определить, сколько в нём нейтронов.

Изотопы — разновидности атомов одного элемента, у которых одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они принадлежат одному элементу, потому что число протонов не меняется. Разное количество нейтронов означает, что отличаются их массовые числа.

Как это устроено

Атом состоит из ядра и электронов вокруг него. В ядре находятся протоны и нейтроны, а масса электронов очень мала по сравнению с массой этих частиц. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре, и при подсчёте массового числа учитывают именно протоны и нейтроны.

Число протонов связано с зарядом ядра: каждый протон имеет положительный заряд. У разных элементов число протонов разное, поэтому изменение этого числа меняет заряд ядра и означает, что перед нами уже другой элемент. Например, атом с 6 протонами — углерод, а с 7 протонами — азот.

Число нейтронов может изменяться, а число протонов оставаться прежним. В таком случае сохраняется заряд ядра и элемент остаётся тем же, но меняется количество частиц в ядре и его масса. Так возникают изотопы: например, у атомов углерода может быть шесть протонов, но разное число нейтронов.

Запись атома обычно имеет вид ᴬ_ZX: символ X обозначает элемент, верхнее число A — массовое, а нижнее Z — зарядовое. Число протонов равно Z, нейтронов — A − Z. Если атом нейтрален, положительный заряд протонов уравновешен электронами, поэтому электронов тоже Z; для заряженного атома это равенство может не выполняться.

Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов и, как правило, одинаковое число электронов в нейтральных атомах. Электронная оболочка определяет химические свойства, поэтому свойства изотопов в основном сходны. Однако ядра содержат разное число нейтронов, и потому массы таких атомов различаются.

Состав атомов изотопов одного элемента

В таблице число нейтронов получено вычитанием зарядового числа из массового: например, для ¹⁴₆C это 14 − 6 = 8. Одинаковые числа протонов показывают, что оба атома относятся к углероду. Сравнивая нейтроны и массовые числа, можно увидеть, чем отличаются его изотопы.

Разбор задач

Задача 1. Для атома ²³₁₁Na определите число протонов, нейтронов и электронов. Нижний индекс 11 задаёт число протонов, а верхний индекс 23 — сумму протонов и нейтронов. Поскольку в условии дан атом без заряда, считаем его нейтральным.

1. Число протонов равно зарядовому числу: 11.
2. Число нейтронов равно разности массового и зарядового чисел: 23 − 11 = 12.
3. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: 11.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

Задача 2. Запишите обозначение атома с 17 протонами и 18 нейтронами и укажите, к какому элементу он относится. Элемент определяют по протонам, а верхний индекс находят сложением протонов и нейтронов. Числу протонов 17 соответствует хлор, символ которого Cl.

1. Зарядовое число Z равно числу протонов: Z = 17.
2. Массовое число A равно сумме протонов и нейтронов: 17 + 18 = 35.
3. Записываем символ элемента с массовым и зарядовым числами: ³⁵₁₇Cl.

Ответ: ³⁵₁₇Cl, это атом хлора.

Задача 3. Сравните атомы ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl: определите число протонов, нейтронов и электронов и объясните, являются ли они изотопами. У обоих атомов нижний индекс одинаков, значит, число протонов совпадает. Верхние индексы различаются, поэтому нужно отдельно вычислить число нейтронов каждого атома.

1. В каждом атоме 17 протонов; в нейтральном атоме также 17 электронов.
2. Для ³⁵₁₇Cl число нейтронов: 35 − 17 = 18.
3. Для ³⁷₁₇Cl число нейтронов: 37 − 17 = 20.
4. Протоны одинаковы, а нейтроны различаются, поэтому это изотопы хлора.

Ответ: у ³⁵₁₇Cl — 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов; у ³⁷₁₇Cl — 17 протонов, 20 нейтронов и 17 электронов. Это изотопы одного элемента.

Типичные ошибки

Путают массовое число с числом нейтронов. Ошибка возникает, если забыть, что массовое число включает и протоны, и нейтроны. Проверь себя: сложи найденные числа протонов и нейтронов — сумма должна совпасть с массовым числом.

Считают изотопы атомами разных элементов. Различие массовых чисел может создать такое впечатление, но элемент определяется не массой, а числом протонов. Чтобы проверить, сравни зарядовые числа: одинаковые Z означают один элемент.

Определяют элемент по числу нейтронов. Нейтроны могут различаться у атомов одного элемента, поэтому по ним нельзя установить его принадлежность. Сверяй число протонов с зарядовым числом: именно оно задаёт химический элемент.

Считают, что число электронов всегда равно числу протонов. Это верно для нейтрального атома, где заряды уравновешены, но не обязательно для заряженной частицы. Перед подсчётом электронов проверь, сказано ли в условии, что атом нейтрален.

Связь с другими темами

Для изучения изотопов нужно знать строение атома, состав ядра и заряды протона и электрона: без этого трудно понять, почему число протонов определяет элемент, а число электронов в нейтральном атоме ему равно. Сведения об изотопах пригодятся при изучении относительной атомной массы, потому что атомы одного элемента могут иметь разные массы. Они также нужны при знакомстве с ядерными реакциями, где меняется состав атомных ядер.

Что запомнить

• Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны называют нуклонами.
• Число протонов определяет химический элемент.
• Массовое число равно сумме чисел протонов и нейтронов.
• Число нейтронов можно найти как разность массового и зарядового чисел.
• Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.