Раздел I. Атомы химических элементов

Определения и обозначения

Атом — частица, состоящая из ядра и электронной оболочки, то есть области, где находятся электроны. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, а оболочка занимает окружающее его пространство. Протоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный, и в нейтральном атоме их числа равны. Поэтому суммарный заряд атома равен нулю.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Именно число протонов задаёт «принадлежность» атома к элементу: все атомы кислорода имеют восемь протонов, а атомы натрия — одиннадцать. Это определение позволяет отличать один элемент от другого, даже если атомы различаются массой или зарядом.

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, у изотопов углерода число протонов одинаково, но в ядрах может быть разное количество нейтронов. Понятие изотопа нужно, чтобы описывать разновидности атомов одного элемента и объяснять различия их масс.

Ион — заряженная частица, которая образуется, когда атом теряет или присоединяет электроны. Потеряв электрон, атом получает положительный заряд, а присоединив — отрицательный. Ион сохраняет принадлежность к тому же элементу, поскольку число протонов в его ядре не меняется.

Как это устроено

Представление о ядре и электронной оболочке возникло не просто из догадки: учёные сопоставляли результаты опытов с поведением частиц, проходивших через вещество. Большинство частиц проходило почти беспрепятственно, но некоторые резко отклонялись. Это можно объяснить, если почти весь объём атома считать пространством электронной оболочки, а положительный заряд и основную массу сосредоточить в очень маленьком ядре. Так появилась модель атома из ядра и окружающих его электронов.

Положительный заряд ядра создают протоны, а нейтроны не имеют заряда. Число протонов определяет элемент, потому что при его изменении меняется заряд ядра и, следовательно, сам вид атома. Поэтому химические элементы расположены в периодической системе по возрастанию числа протонов: порядковый номер показывает это число. Изменение количества нейтронов или электронов не превращает ядро в ядро другого элемента.

Чтобы найти число протонов, достаточно посмотреть на порядковый номер элемента в периодической системе. Например, номер натрия равен 11, значит, в ядре каждого его атома 11 протонов, а заряд ядра составляет +11. У нейтрального атома электронов тоже 11: положительные и отрицательные заряды уравновешены. Если частица заряжена, равенство числа протонов и электронов уже не действует.

В ядре, кроме протонов, находятся нейтроны. Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре, поэтому количество нейтронов находят вычитанием: N = A − Z, где A — массовое число, а Z — порядковый номер. Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов, сохраняя одинаковое число протонов. Такие атомы называются изотопами, а их массовые числа различаются.

Электроны участвуют в образовании ионов: если атом теряет один или несколько электронов, положительных протонов становится больше, чем отрицательных электронов. Если атом присоединяет электроны, отрицательный заряд начинает преобладать. В обоих случаях меняется только электронная оболочка, а состав ядра остаётся прежним. Поэтому ион натрия остаётся частицей элемента натрия, хотя его заряд не равен нулю.

Частицы, образующие атом

По таблице можно сравнить заряд, массу и расположение частиц. Протоны и нейтроны образуют ядро, а число протонов определяет элемент; электроны находятся в оболочке и отвечают за заряд атома или иона. Относительная масса электрона очень мала, поэтому при подсчёте массового числа её не учитывают.

Разбор задач

У атома натрия порядковый номер 11. Определим заряд ядра и число протонов и электронов в нейтральном атоме. Начинаем с порядкового номера: он показывает, сколько протонов находится в ядре. Затем используем условие о нейтральности, чтобы найти количество электронов.

1. Порядковый номер натрия равен 11, значит, в ядре 11 протонов.
2. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен +11.
3. Атом нейтрален, следовательно, электронов столько же, сколько протонов: 11.

Ответ: заряд ядра +11, 11 протонов и 11 электронов.

Дана запись ²³₁₁Na. Верхнее число — массовое число A = 23, нижнее — порядковый номер Z = 11. Чтобы не перепутать частицы, сначала находим протоны по Z, затем нейтроны по разности A − Z, а число электронов определяем с учётом того, что атом нейтрален.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 11.
2. Число нейтронов равно 23 − 11 = 12.
3. Атом не имеет указанного заряда, значит, он нейтрален и содержит 11 электронов.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов, 11 электронов.

Сравним ³⁵₁₇Cl⁻ и ³⁷₁₇Cl. У обеих частиц нижнее число равно 17, поэтому число протонов и принадлежность к элементу одинаковы. Верхние числа различаются, значит, нужно проверить число нейтронов; знак «−» отдельно учитываем при подсчёте электронов первой частицы.

1. В каждой частице 17 протонов, потому что порядковый номер равен 17.
2. У Cl⁻ нейтронов 35 − 17 = 18; у нейтрального Cl — 37 − 17 = 20.
3. Ион Cl⁻ имеет один лишний электрон: 18. У нейтрального атома электронов столько же, сколько протонов, — 17.

Ответ: частицы — изотопы хлора; они различаются числом нейтронов. В ³⁵₁₇Cl⁻: 17 протонов, 18 нейтронов, 18 электронов; в ³⁷₁₇Cl: 17 протонов, 20 нейтронов, 17 электронов.

Типичные ошибки

Порядковый номер иногда принимают за число нейтронов, потому что оба числа связаны с ядром. На самом деле номер элемента всегда показывает число протонов. Проверь себя: по номеру можно определить элемент, а для нейтронов дополнительно нужно знать массовое число.

Массовое число ошибочно считают количеством нейтронов, хотя в него входят и протоны, и нейтроны. Путаница возникает из-за того, что обе частицы находятся в ядре и имеют близкую массу. Проверка простая: число нейтронов должно быть меньше массового числа на число протонов, то есть N = A − Z.

Число электронов приравнивают к числу протонов для любой частицы. Это правило верно только для нейтрального атома, а у иона электронов больше или меньше из-за присоединения или потери. Перед подсчётом электронов проверь запись: если рядом с символом указан заряд, учти его.

При образовании иона считают, что меняется химический элемент. Это происходит потому, что заряженная частица заметно отличается от нейтрального атома, но отличие связано с электронами, а не с ядром. Чтобы проверить себя, сравни число протонов до и после: если оно прежнее, элемент тот же.

Связь с другими темами

Для понимания заряда атома нужно знать, что тела могут быть нейтральными, а частицы — положительными или отрицательными. Равенство числа протонов и электронов объясняет нейтральность, а их избыток или недостаток — заряд иона.

Строение атома помогает объяснить периодический закон: порядковый номер связан с числом протонов и задаёт место элемента в периодической системе. Электроны участвуют в образовании химической связи, поэтому устройство атома помогает понять, как возникают вещества и чем различаются их частицы.

Изотопы важны для изучения относительной атомной массы и записи состава атомов. Их сравнение показывает, почему у атомов одного элемента может быть разная масса при одинаковом числе протонов.

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 протонов и нейтронов.
• Изотопы одного элемента различаются числом нейтронов.
• Ион образуется при потере или присоединении электронов.