Глава первая. Атомы химических элементов

Определения и обозначения

Атом — электронейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронной оболочки. Ядро несёт положительный заряд, а оболочка образована отрицательно заряженными электронами. Это понятие помогает описывать, из каких частиц построены вещества.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Элемент не следует путать с простым веществом: элемент обозначает вид атомов, а простое вещество состоит из атомов этого элемента. Такое различие нужно, чтобы точно называть состав вещества.

Протон имеет заряд +1 и находится в ядре; нейтрон не имеет заряда и тоже входит в ядро. Электрон имеет заряд −1 и располагается в электронной оболочке. Зная частицы и их заряды, можно объяснить, почему атом нейтрален и где сосредоточена его масса.

Изотопы — атомы одного элемента, у которых одинаковое число протонов, но различается число нейтронов. Протоны определяют принадлежность к элементу, поэтому изменение числа нейтронов её не меняет. Понятие изотопов позволяет различать атомы одного элемента по составу ядра.

Как это устроено

Атом состоит из очень малого положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядро мало по сравнению с размером всего атома, но в нём сосредоточена почти вся масса: протоны и нейтроны значительно тяжелее электронов. Поэтому массу атома главным образом определяет состав ядра, хотя размеры атома связаны с электронной оболочкой.

Заряд ядра создают протоны, и его величина зависит от их числа. Поэтому порядковый номер элемента в периодической системе равен числу протонов: при другом числе протонов получилось бы ядро другого элемента. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов, поскольку отрицательный заряд каждого электрона компенсирует положительный заряд протона.

Массовое число показывает общее число протонов и нейтронов в ядре, потому что именно эти частицы дают почти всю массу атома. Чтобы найти число нейтронов, из массового числа вычитают порядковый номер: N = A − Z, где A — массовое число, а Z — порядковый номер. Например, при A = 23 и Z = 11 число нейтронов равно 23 − 11 = 12.

Число нейтронов может меняться без изменения числа протонов, поэтому атомы остаются атомами одного элемента, но становятся разными изотопами. У таких атомов отличаются массовые числа, так как в их ядрах неодинаковое количество нейтронов. Если же меняется число протонов, меняется заряд ядра и атом относится уже к другому химическому элементу.

Электроны распределяются по энергетическим уровням — областям электронной оболочки, отличающимся энергией электронов. У разных элементов число электронов и особенности их распределения связаны с положением элемента в периодической системе. Поэтому сведения о строении оболочки помогают объяснять свойства элементов и то, как их атомы взаимодействуют с другими атомами.

Частицы, образующие атом

Сначала по таблице определите заряд частицы и место, где она находится. Относительная масса показывает, почему вклад электронов в массу атома очень мал по сравнению с вкладом частиц ядра. Сравнивая заряды протонов и электронов, можно проверить, будет ли атом нейтральным.

Разбор задач

Задача 1. У атома натрия порядковый номер 11, массовое число 23. Определите числа протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Порядковый номер показывает число протонов, а нейтральность означает равенство числа протонов и электронов.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 11.
2. Атом нейтрален, значит, электронов тоже 11.
3. Число нейтронов равно разности массового числа и числа протонов: 23 − 11 = 12.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Проверка: 11 протонов и 12 нейтронов дают массовое число 23, а положительный и отрицательный заряды компенсируются. Если забыть условие о нейтральности, число электронов нельзя было бы определить только по числу протонов.

Задача 2. Запишите состав нейтрального атома элемента с порядковым номером 17 и массовым числом 37. Сначала используем номер элемента, так как именно он задаёт заряд ядра. Затем по массовому числу найдём недостающее число частиц ядра.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 17.
2. В нейтральном атоме число электронов такое же: 17.
3. Число нейтронов равно 37 − 17 = 20.

Ответ: состав атома — 17 протонов, 20 нейтронов и 17 электронов. Сложение протонов и нейтронов даёт 37, как указано в условии. Равное число протонов и электронов подтверждает нейтральность атома.

Задача 3. Атомы одного элемента имеют массовые числа 35 и 37. Объясните, что у них одинаково и чем различается их состав. Чтобы сравнить атомы, нужно помнить: принадлежность к элементу задаёт число протонов, а массовое число включает и протоны, и нейтроны.

1. У атомов одного элемента одинаковое число протонов; число электронов также одинаково, если оба атома нейтральны.
2. Обозначим порядковый номер элемента буквой Z. Тогда число нейтронов в первом атоме равно 35 − Z, а во втором — 37 − Z.
3. Вычтем результаты: (37 − Z) − (35 − Z) = 2. Во втором атоме на два нейтрона больше.

Ответ: число протонов у этих атомов одинаково, а у нейтральных атомов одинаково и число электронов; число нейтронов различается на два. Это изотопы одного элемента. Без указания самого элемента найти точное число протонов и нейтронов нельзя, но разность числа нейтронов определить можно.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать химический элемент и простое вещество одним и тем же. Их путают, потому что оба понятия связаны с атомами одного вида, но элемент — это вид атомов, а простое вещество состоит из них. Проверьте себя вопросом: описывается тип атомов или вещество, которое можно получить?

Вторая ошибка — принимать массовое число за число только протонов. Так происходит, если забыть, что в ядре есть и нейтроны, а массовое число учитывает обе частицы. Проверка простая: массовое число должно равняться сумме протонов и нейтронов.

Третья ошибка — утверждать, что число электронов всегда равно числу протонов. Это верно для нейтрального атома, но ион может терять или присоединять электроны, сохраняя число протонов. Перед сравнением этих чисел проверьте, сказано ли в условии, что атом нейтрален.

Четвёртая ошибка — считать изотопы разными элементами. Чаще всего забывают, что элемент определяется числом протонов, а у изотопов меняется число нейтронов. Сверьте число протонов: если оно одинаково, перед вами атомы одного элемента, даже если массовые числа различаются.

Связь с другими темами

До изучения строения атома нужно уметь узнавать обозначения химических элементов и находить их в периодической системе. Порядковый номер в таблице показывает число протонов в ядре. Поэтому при решении задач сначала находят элемент и его номер, а уже затем вычисляют состав атома.

Строение электронной оболочки пригодится при изучении валентности, химической связи и свойств элементов. Распределение электронов помогает объяснить, почему атомы соединяются друг с другом определённым образом. Значит, сведения о частицах атома становятся основой для понимания химических реакций.

Представления о протонах, нейтронах и изотопах нужны для дальнейшего изучения состава веществ и ядерных превращений. Сравнение изотопов показывает, как может меняться ядро без смены химического элемента. А изменение числа протонов уже означает превращение ядра в ядро другого элемента.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• В ядре находятся протоны и нейтроны, в оболочке — электроны.
• Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Массовое число равно сумме чисел протонов и нейтронов.
• Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов.