§ 42. Роль Периодического закона в выявлении фактов, необъяснимых с позиций атомно-молекулярной теории

Определения и обозначения

Периодический закон — закон, согласно которому свойства химических элементов и их соединений периодически зависят от заряда ядер атомов. Это значит, что при увеличении заряда свойства меняются не случайно, а закономерно повторяются. Закон помогает связывать положение элемента в таблице с его свойствами и объяснять сходство разных элементов.

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов и разными массами. Число протонов у них совпадает, а количество частиц в ядре может отличаться. Понятие изотопов нужно, чтобы объяснить, почему у одного элемента существуют атомы неодинаковой массы.

Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Заряд ядра определяется числом протонов, поэтому именно оно, а не масса атома, задаёт принадлежность к элементу. Такое определение позволяет считать атомы с разным числом нейтронов атомами одного элемента.

Относительная атомная масса — величина, которая показывает, во сколько раз средняя масса атомов элемента больше одной двенадцатой массы атома углерода-12. Если природный элемент состоит из нескольких изотопов, его относительная атомная масса отражает их среднее соотношение. Поэтому значение в таблице может быть дробным и не обязано совпадать с массой какого-либо одного атома.

Как это устроено

Первоначальная атомно-молекулярная теория исходила из представления, что все атомы одного элемента одинаковы. Такое предположение было понятным: химические превращения показывали, что элементы обладают характерными свойствами и образуют определённые соединения. Но обнаружение атомов одного элемента с разными массами поставило это представление под сомнение. Если считать массу обязательным признаком элемента, такие атомы пришлось бы ошибочно отнести к разным элементам.

Причину различия масс помогло понять строение атомного ядра. В ядре находятся протоны и нейтроны: протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. У изотопов число протонов одинаковое, поэтому совпадает заряд ядра, но число нейтронов различается. Так объясняется, почему атомы сохраняют принадлежность к одному элементу, хотя имеют разную массу.

Природный хлор представлен изотопами с массовыми числами 35 и 37. Массовое число — это общее число протонов и нейтронов в ядре, а относительная атомная масса природного хлора зависит от того, сколько атомов каждого изотопа встречается. Поскольку атомы двух изотопов имеют разные массы, средняя масса смеси обычно не равна ни 35, ни 37. Именно поэтому относительная атомная масса хлора в таблице дробная; это не означает, что отдельный атом имеет «долю» нейтрона.

Располагая элементы и сравнивая их свойства, учёные обнаружили случаи, когда порядок по атомной массе не совпадал с ожидаемым расположением элементов со сходными свойствами. Это было затруднительно объяснить, если считать атомную массу главным основанием классификации. Периодический закон позволил выявить несоответствие: повторение свойств указывало на более глубокую закономерность, чем простая сортировка по массе. Позднее связь свойств с зарядом ядра объяснила, почему масса сама по себе не определяет место элемента.

Открытие изотопов уточнило представление об атоме: атомы одного элемента не всегда одинаковы по массе, хотя одинаковы по заряду ядра. Значит, первоначальную атомно-молекулярную теорию пришлось дополнить новыми сведениями о строении атома. При этом основные закономерности химии не исчезли: изотопы одного элемента обладают сходными химическими свойствами. Периодический закон сохранил значение, поскольку свойства элементов связаны с зарядом ядра.

Изотопы и их роль в объяснении свойств элементов

Сначала сравни число протонов: оно показывает заряд ядра и позволяет определить элемент. Затем сравни число нейтронов и массовое число, чтобы увидеть, чем различаются изотопы. Последняя строка показывает, почему относительная атомная масса природного элемента зависит от состава смеси.

Разбор задач

Задача 1. У атомов хлора заряд ядра равен +17. Объясните, почему атомы хлора с разным числом нейтронов относятся к одному элементу.

1. Заряд ядра создают протоны, и число протонов у атомов хлора равно 17. Это число служит признаком элемента, поэтому в обоих случаях перед нами хлор.
2. Если число нейтронов различается, меняются масса ядра и массовое число. Заряд ядра от этого не меняется, так как число протонов осталось прежним.
3. Атомы с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называют изотопами. Значит, оба атома относятся к изотопам хлора.

Ответ: атомы принадлежат хлору, потому что у каждого заряд ядра +17, то есть по 17 протонов; разное число нейтронов делает их изотопами.

Задача 2. Хлор в природе представлен изотопами с массовыми числами 35 и 37. Объясните, почему его относительная атомная масса не обязана быть целым числом.

1. Массовые числа 35 и 37 относятся к атомам отдельных изотопов, а не к среднему значению для природного хлора. Атомы этих изотопов имеют разные массы.
2. В природе изотопы встречаются в определённых количествах, причём их распространённость может быть неодинаковой. Поэтому для характеристики природного хлора учитывают оба изотопа и долю каждого.
3. Среднее с учётом этих долей может находиться между массами изотопов. Если среднее значение не целое, это не ошибка и не означает, что масса отдельного атома дробная.

Ответ: относительная атомная масса природного хлора — среднее значение, зависящее от масс изотопов и их распространённости, поэтому она может быть дробной.

Задача 3. Элемент с большей относительной атомной массой расположен в периодической таблице перед элементом с меньшей массой. Объясните, почему это не опровергает Периодический закон.

1. Нужно различать исторический порядок по атомной массе и основание, на котором строится современная Периодическая система. Масса не является единственным признаком, по которому определяют место элемента.
2. Положение элемента связано с зарядом ядра, то есть числом протонов. Если сравниваемые элементы стоят в таком порядке, их расположение не обязано повторять порядок по относительной атомной массе.
3. Сходство свойств и их периодическое изменение согласуются с закономерностью, которую описывает Периодический закон. Различие масс объясняется, в частности, существованием изотопов и разной распространённостью их в природе.

Ответ: такой порядок не опровергает закон, потому что положение элементов связано с зарядом ядра, а не только с относительной атомной массой.

Типичные ошибки

• Считать, что атомы одного элемента обязательно имеют одинаковую массу. Так думают, если смешивают понятия элемента и отдельного изотопа. Проверь себя: у разных изотопов одинаковое число протонов, но может быть разное число нейтронов, значит, массы тоже могут различаться.
• Определять элемент по числу нейтронов. Нейтроны влияют на массу, но не задают заряд ядра; путаница возникает из-за того, что обе частицы находятся в ядре. Для проверки посчитай протоны: одинаковое их число означает один элемент.
• Принимать относительную атомную массу за массовое число отдельного атома. Это разные величины: массовое число относится к конкретному ядру, а относительная атомная масса природного элемента может учитывать смесь изотопов. Проверь, говорится ли об одном атоме или о среднем составе природного элемента.
• Считать изотопы разными химическими элементами. Различие нейтронов может создать такое впечатление, но элемент определяют не по ним. Сравни заряд ядра: если он одинаков, это изотопы одного элемента, а не два разных элемента.

Связь с другими темами

Чтобы понять изотопы, нужно знать строение атома: где находятся протоны и нейтроны, что такое заряд ядра и как эти частицы связаны с массой. Также важно уметь пользоваться Периодической системой и понимать, что положение элемента связано с закономерным изменением его свойств. Эти знания пригодятся при изучении состава ядра, радиоактивности и расчёте относительных атомных масс. Они помогают различать свойства отдельного атома и характеристики природной смеси изотопов.

Что запомнить

• Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
• У изотопов одного элемента одинаковый заряд ядра.
• Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом.
• Изотопы одного элемента могут иметь разные массы.
• Относительная атомная масса природного элемента может быть дробной.
• Открытие изотопов уточнило атомно-молекулярную теорию, но не отменило Периодический закон.