6. Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Определения и обозначения

Изотопы — атомы одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Например, ядра атомов водорода могут содержать один протон и разное число нейтронов. Это понятие нужно, чтобы различать разновидности атомов одного элемента, не смешивая их с атомами других элементов.

Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре атома. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами, поэтому массовое число показывает, сколько нуклонов находится в ядре. Оно помогает определить число нейтронов, если известно число протонов.

В записи ¹²₆C верхний индекс 12 показывает массовое число, а нижний индекс 6 — заряд ядра, то есть число протонов. Символ C обозначает химический элемент углерод. Такая запись сразу сообщает, что в ядре 6 протонов, а нейтронов 12 − 6 = 6.

Нуклид — разновидность атомов с определённым составом ядра. Его можно узнать по числу протонов и нейтронов, или по символу элемента и соответствующим индексам. Понятие нужно, чтобы точно назвать атом с конкретным набором частиц в ядре, например углерод-12.

Как это устроено

Заряд ядра создают протоны: каждый протон имеет положительный заряд, а нейтрон заряда не имеет. Поэтому общее число протонов определяет заряд ядра и служит «паспортом» атома. Если в ядре 6 протонов, это всегда углерод; другое число протонов означает другой химический элемент.

Число нейтронов может изменяться, даже если число протонов осталось прежним. Нейтроны участвуют в строении ядра, но не меняют его положительный заряд, поэтому атом продолжает относиться к тому же элементу. Так появляются разные изотопы: например, у них одинаковый символ, но могут быть разные массы.

Массовое число получается сложением частиц, находящихся в ядре: A = Z + N, где A — массовое число, Z — число протонов, а N — число нейтронов. Электроны в это число не входят, потому что они находятся за пределами ядра. Переставив слагаемые, получаем удобное правило: N = A − Z.

В записи нуклида нижний индекс показывает Z, а верхний — A. Например, в ²³₁₁Na символ Na указывает на натрий, нижнее число 11 означает 11 протонов, а верхнее 23 — всего 23 протона и нейтрона. Значит, число нейтронов равно 23 − 11 = 12; по двум индексам можно восстановить состав ядра.

Химические реакции в основном зависят от электронов атома, а их расположение связано с зарядом ядра. У нейтральных атомов одного элемента одинаковое число протонов и электронов, поэтому изотопы реагируют сходным образом. Но число нейтронов у них различается, значит, различаются и масса, и некоторые свойства, связанные с массой атома.

Сравнение изотопов одного химического элемента

Сравни сначала число протонов: одинаковое значение означает, что перед тобой атомы одного элемента. Затем найди число нейтронов как разность массового числа и числа протонов. Таблица показывает, что изотопы хлора имеют одинаковый заряд ядра, но различаются числом нейтронов и массой.

Разбор задач

Для атома ²³₁₁Na определите число протонов и нейтронов в ядре.

Нижний индекс сразу сообщает число протонов, а верхний — общее число частиц в ядре. Чтобы найти нейтроны, из массового числа вычитают число протонов. Проверка сложением должна вернуть исходное массовое число.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 11.
2. Число нейтронов равно массовому числу минус число протонов: N = 23 − 11 = 12.
3. Проверяем: 11 + 12 = 23, значит, состав ядра согласуется с записью.

Ответ: в ядре 11 протонов и 12 нейтронов.

Запишите обозначение изотопа кислорода, в ядре которого 8 протонов и 10 нейтронов.

Сначала нужно определить элемент по числу протонов: у кислорода заряд ядра равен 8. Верхний индекс получим сложением протонов и нейтронов, а нижним индексом запишем число протонов. Символ кислорода — O.

1. Находим массовое число: A = 8 + 10 = 18.
2. Записываем символ O, сверху слева ставим 18, снизу слева — 8.
3. Получаем ¹⁸₈O; проверяем: 18 − 8 = 10 нейтронов.

Ответ: обозначение изотопа — ¹⁸₈O.

Сравните атомы ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl: укажите, чем они одинаковы и чем различаются.

Одинаковые нижние индексы показывают, что у обоих атомов по 17 протонов. Это атомы хлора, то есть изотопы одного элемента. Разница верхних индексов означает, что различаются их массовые числа, а значит, и число нейтронов.

1. Число протонов у обоих атомов равно 17, заряд каждого ядра — +17.
2. Для ³⁵₁₇Cl находим N = 35 − 17 = 18; для ³⁷₁₇Cl получаем N = 37 − 17 = 20.
3. Сравниваем результаты: символ и число протонов совпадают, а число нейтронов и массовое число различаются.

Ответ: это изотопы хлора; у них одинаковое число протонов и сходные химические свойства, но разное число нейтронов и разная масса.

Типичные ошибки

• Путать массовое число с числом нейтронов. Массовое число включает и протоны, и нейтроны, но нейтроны — только одна часть этого числа. Ошибка возникает, если смотреть на верхний индекс и считать его числом нейтронов; проверь себя сложением A = Z + N.

• Считать, что изотопы одного элемента имеют разное число протонов. Если число протонов изменилось, изменился заряд ядра, а значит, перед нами уже другой элемент. Для проверки сравни нижние индексы: у изотопов они должны совпадать.

• Вычитать массовое число из числа протонов, чтобы найти нейтроны. Так получается неверный знак и число, не описывающее состав ядра. Нужно вычитать число протонов из массового числа: N = A − Z; затем проверь, что N + Z = A.

• Менять местами верхний и нижний индексы. Верхний индекс — массовое число, нижний — число протонов, то есть заряд ядра. Перепутать их легко, потому что оба числа стоят рядом с символом; запомни проверку: нижний индекс должен совпадать с порядковым номером элемента.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в изотопах, нужно знать строение атома и заряды протона, нейтрона и электрона. В частности, положительный заряд ядра связан с числом протонов, а нейтроны не меняют его величину. Позже изотопы помогут понять, почему относительная атомная масса элемента часто не является целым числом: она учитывает массы разных изотопов и их доли в природе. Эти знания также пригодятся при рассмотрении состава веществ и обозначений атомов.

Что запомнить

• Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом.
• Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
• Массовое число равно сумме протонов и нейтронов.
• Число нейтронов находят как разность массового числа и числа протонов.
• В записи нуклида массовое число ставят сверху слева от символа, заряд ядра — снизу слева.
• Изотопы одного элемента имеют сходные химические свойства.