"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Атомное ядро образовано протонами и нейтронами, а число протонов задаёт, к какому химическому элементу относится атом. Число нейтронов у атомов одного элемента может различаться: такие разновидности называют изотопами. Чтобы определить состав ядра, используют зарядовое число Z и массовое число A: протоны равны Z, а нейтроны находят вычитанием N = A − Z. Эти обозначения помогают читать запись изотопа, сравнивать атомы и готовиться к изучению радиоактивности и ядерных реакций.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Протон — положительно заряженная частица ядра. Число протонов определяет, каким химическим элементом является атом: например, у всех атомов натрия в ядре 11 протонов. Это число нужно, чтобы найти элемент по записи атома и отличить один элемент от другого.
Нейтрон — незаряженная частица ядра, масса которой приблизительно равна массе протона. Он влияет на массу ядра, но не меняет заряд атомного ядра. Зная число нейтронов, можно определить, какой именно изотоп элемента рассматривается.
Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре; его обозначают буквой A. Оно показывает, сколько тяжёлых частиц составляют ядро, и помогает вычислить недостающее число нейтронов. Массовое число — целое число, а не масса атома, измеренная в граммах.
Изотоп — разновидность атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Изотопы сохраняют принадлежность к одному элементу, хотя их ядра имеют разную массу. Понятие нужно, чтобы описывать такие варианты атомов и объяснять различия их ядер.
В центре атома находится ядро, вокруг него движутся электроны. Ядро состоит из протонов и нейтронов: так в небольшом объёме сосредоточены положительный заряд и почти вся масса атома. Электроны тоже входят в состав атома, но их масса очень мала по сравнению с массой частиц ядра. Поэтому, когда говорят о массе атома, основное внимание уделяют ядру.
Порядковый номер элемента в периодической системе показывает, сколько протонов находится в его ядре; это число обозначают Z. Например, натрий имеет номер 11, значит, в каждом его атомном ядре 11 протонов. Если атом нейтрален, положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов, поэтому электронов тоже 11. У заряженных частиц — ионов — число электронов может отличаться, но порядковый номер по-прежнему связан с числом протонов.
Массовое число A складывается из числа протонов Z и нейтронов N, потому что в него входят все частицы ядра: A = Z + N. Чтобы найти число нейтронов, из общей суммы вычитают уже известные протоны: N = A − Z. Например, если A равно 23, а Z равно 11, то нейтронов 12. Электроны в эту сумму не включают: их масса слишком мала, а массовое число по определению считают для ядра.
Состав ядра можно записать рядом с символом элемента: ᴬ_ZX. Верхний индекс A — массовое число, то есть сумма протонов и нейтронов, а нижний индекс Z — зарядовое число, равное числу протонов. Буква X обозначает сам химический элемент, поэтому по символу и Z можно проверить, правильно ли записана принадлежность атома. Если элемент уже известен, Z обычно можно определить по периодической системе.
У атомов одного элемента число протонов одинаково, но число нейтронов иногда различается. Это возможно потому, что изменение числа нейтронов не меняет заряд ядра и не превращает атом в другой элемент. Такие атомы называют изотопами: у них разные A, но одинаковое Z. Их химические свойства в основном сходны, так как у нейтральных атомов совпадает число электронов и строение электронной оболочки.
| Характеристика | Протон | Нейтрон | Изотопы одного элемента |
|---|---|---|---|
| Электрический заряд | +1 | 0 | Заряд ядра одинаков при одинаковом Z |
| Приблизительная масса | Около 1 условной единицы | Около 1 условной единицы | Различается из-за разного числа нейтронов |
| Обозначение числа частиц | Z — число протонов | N — число нейтронов | A — массовое число, Z — зарядовое число |
| Что определяет принадлежность к элементу | Число протонов задаёт элемент | Само по себе не задаёт элемент | Одинаковое число протонов |
| Что может различаться у атомов одного элемента | У одного элемента число протонов постоянно | Число нейтронов может быть разным | Число нейтронов и массовое число |
| Связь массового и зарядового чисел | Входит в A как Z | Входит в A как N | A = Z + N; N = A − Z |
Сначала по Z установи число протонов и элемент, а затем используй A, чтобы определить число нейтронов. Для сравнения изотопов проверь, совпадает ли Z и различается ли A. Эти два числа вместе дают состав ядра.
Для атома натрия дана запись ²³₁₁Na; нужно определить число протонов, нейтронов и электронов. Нижний индекс 11 — зарядовое число Z, а верхний индекс 23 — массовое число A. Сначала прочитаем их как числа частиц, затем применим формулу для нейтронов. Речь идёт об атоме, а не о заряженном ионе.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.
Нужно записать атом хлора, в ядре которого 17 протонов и 20 нейтронов. Число протонов сразу задаёт зарядовое число Z и помогает проверить символ элемента: порядковый номер хлора равен 17. Массовое число пока неизвестно, но его можно получить сложением двух видов частиц ядра. После этого останется расставить числа относительно символа.
Ответ: ³⁷₁₇Cl. Проверка: 37 − 17 = 20 нейтронов, как указано в условии.
Сравним два атома хлора, чтобы установить состав их ядер и общие признаки. В обеих записях нижний индекс одинаков — 17, значит, протоны у них совпадают. Верхние индексы различны, поэтому число нейтронов нужно вычислить отдельно для каждого ядра. Именно так проверяют, являются ли атомы изотопами одного элемента.
Ответ: ядра содержат соответственно 17 протонов и 18 нейтронов, а также 17 протонов и 20 нейтронов. Атомы сходны принадлежностью к хлору и в основном химическими свойствами, но различаются числом нейтронов и массовым числом.
Путают A с числом нейтронов. Так происходит, если забыть, что массовое число включает сразу протоны и нейтроны. Проверь себя равенством A = Z + N: если вычесть из A число протонов, получится N, а не наоборот.
Принимают порядковый номер за число нейтронов. Порядковый номер показывает число протонов, потому что именно оно определяет элемент и заряд ядра. Ошибку легко проверить по записи: нижний индекс Z — это протоны, а нейтроны вычисляются как A − Z.
Забывают про электроны в нейтральном атоме. Обычно при расчёте сосредотачиваются на ядре и не учитывают, что атом включает электронную оболочку. Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов; если частица заряжена, это равенство может нарушаться.
Называют изотопами атомы с одинаковым A. Одинаковое массовое число само по себе не означает, что атомы принадлежат одному элементу. Чтобы проверить изотопы, сравни Z: у изотопов одного элемента оно одинаково, а число нейтронов различается.
Для работы с изотопами нужны знания о строении атома и периодической системе: порядковый номер показывает число протонов. Новые обозначения A и Z помогают записывать изотопы и находить состав их ядер, а также понимать, почему относительная атомная масса элемента связана с его изотопами. Позже эти знания пригодятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций и применения изотопов. Так связь между составом ядра и свойствами атома становится основой для следующих тем химии.
Почему нейтроны не влияют на принадлежность атома к химическому элементу?
Принадлежность к элементу определяет число протонов в ядре, а оно задаёт заряд ядра и место элемента в периодической системе. Нейтроны меняют массу ядра, но не его заряд. Поэтому атомы с разным числом нейтронов могут быть атомами одного элемента.
Как быстро определить число нейтронов по записи изотопа?
Вычти нижнее число Z из верхнего числа A: N = A − Z. Например, у ²³₁₁Na число нейтронов равно 23 − 11 = 12.
Почему изотопы одного элемента имеют разные массовые числа?
У изотопов одинаковое число протонов, но неодинаковое число нейтронов. Массовое число складывается из протонов и нейтронов, поэтому при разном числе нейтронов различается и A.
Могут ли изотопы одного элемента иметь разные химические свойства?
Их химические свойства в основном сходны, потому что у нейтральных атомов одного элемента одинаковое число электронов и одинаковое строение электронной оболочки. Небольшие различия возможны из-за разной массы изотопов, но основную химическую принадлежность задаёт электронная оболочка.
Что изменится в атоме, если изменится число протонов, а что — если число нейтронов?
Если меняется число протонов, атом становится атомом другого элемента; у нейтрального атома при этом меняется и число электронов. Если меняется число нейтронов, элемент остаётся тем же, но получается другой изотоп с иной массой ядра.
§ 8. Состав ядра атома. Изотопы
