"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Атом — не неделимый шар, а электронейтральная система из ядра и электронов. В ядре находятся протоны и нейтроны, причём на него приходится почти вся масса атома. Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом, а число нейтронов может меняться: такие атомы называют изотопами. Зная протонное и массовое числа, можно определить состав ядра, а с учётом заряда — и число электронов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электронейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Электронейтральность означает, что положительный заряд ядра уравновешен суммарным отрицательным зарядом электронов. Это определение помогает отличать атом от иона, у которого число электронов не совпадает с числом протонов.
Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно очень мало по сравнению с атомом, но в нём находятся массивные частицы — протоны и нейтроны. Понимание роли ядра нужно, чтобы объяснить массу атома и его принадлежность к химическому элементу.
Протонное число — число протонов в ядре; оно определяет заряд ядра и порядковый номер элемента. Его обозначают Z: если в ядре 11 протонов, это натрий с порядковым номером 11. По Z можно также найти число электронов в нейтральном атоме.
Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре. Его обозначают A, поэтому число нейтронов можно найти как разность A − Z. Массовое число — целое количество частиц ядра, а не точная масса атома.
В опытах Резерфорда альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу и наблюдали, куда они попадут. Большинство проходило сквозь неё почти без отклонения, поэтому основная часть объёма атома должна быть почти пустой. Некоторые частицы резко меняли направление, а редкие отскакивали назад: так могло происходить при встрече с очень маленькой областью, где сосредоточен положительный заряд. Эту область назвали ядром.
Ядерная модель Резерфорда описывает атом как маленькое массивное ядро, окружённое электронами. Такой вывод объясняет сразу два наблюдения: большая часть атома не мешает прохождению частиц, а сильные отклонения возможны рядом с компактной областью. Почти вся масса приходится на ядро, потому что протоны и нейтроны намного тяжелее электронов. Электроны занимают пространство вокруг ядра, но их вклад в массу атома мал.
В ядре находятся протоны и нейтроны; вместе их называют нуклонами. Протон несёт положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Поэтому суммарный заряд ядра создают именно протоны, и его величина связана с их количеством. Нейтроны на заряд ядра не влияют, но входят в его состав и увеличивают массу ядра.
Чтобы определить состав атома, сначала считают частицы ядра, а затем учитывают заряд всей частицы. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов: отрицательный заряд электронов точно компенсирует положительный заряд ядра. Если атом теряет электроны, получается положительно заряженный ион; если приобретает — отрицательно заряженный. Поэтому для иона число электронов находят с учётом знака и величины его заряда, а не приравнивают автоматически к числу протонов.
Атомы одного химического элемента могут иметь одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Такие разновидности называют изотопами; из-за разного числа нейтронов у них различаются массовые числа. Элемент при этом остаётся тем же, потому что его определяет протонное число. Например, ядра изотопов углерода содержат по 6 протонов, но число нейтронов в них может быть разным.
| Частица | Обозначение | Электрический заряд | Относительная масса | Расположение |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | 1 | Атомное ядро |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | 1 | Атомное ядро |
| Электрон | e⁻ | −1 | примерно 1/1836 | Пространство вокруг ядра |
Сравнивайте сначала заряды: протоны и электроны имеют равные по величине, но противоположные заряды, а нейтроны нейтральны. Затем смотрите на относительные массы: массы протона и нейтрона примерно равны, электрон значительно легче. Последний столбец помогает не путать частицы ядра с электронами, расположенными вокруг него.
Задача 1. Определите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме натрия ²³₁₁Na. Нижний индекс 11 показывает протонное число, а верхний индекс 23 — массовое число. Так как атом нейтрален, его число электронов должно уравновешивать заряд ядра.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Сумма протонов и нейтронов равна 23, что проверяет найденный состав ядра. Равное число протонов и электронов подтверждает нейтральность атома.
Задача 2. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержит ион ³⁵₁₇Cl⁻? Сначала читаем запись ядра: нижний индекс задаёт количество протонов, а верхний — число нуклонов. Затем отдельно учитываем отрицательный заряд иона, который означает избыток электронов.
Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов. Ядро содержит 17 положительных зарядов, а электроны — 18 отрицательных. Поэтому суммарный заряд частицы равен −1.
Задача 3. У атома элемента 20 протонов и 22 нейтрона. Запишите обозначение атома и определите число электронов в ионе с зарядом 2+. Протонное число сразу указывает порядковый номер элемента: это кальций, Ca. Для обозначения нуклида нужно ещё найти массовое число, а для катиона — учесть потерю электронов.
Ответ: обозначение атома — ⁴²₂₀Ca, в ионе Ca²⁺ — 18 электронов. Число протонов при образовании иона не меняется, поскольку меняется только электронная оболочка. Это позволяет проверить, что порядковый номер элемента остаётся равным 20.
Массовое число иногда принимают за массу атома в единицах СИ, потому что оба понятия связаны с массой. Но A — целое количество нуклонов, а реальная масса атома не равна ему точно и выражается в единицах массы. Проверка: если в записи стоит A = 23, это означает 23 протона и нейтрона вместе, а не значение массы в килограммах.
При поиске нейтронов некоторые вычитают из массового числа число электронов, поскольку учитывают все частицы атома. Однако массовое число складывается только из протонов и нейтронов, поэтому верная формула — N = A − Z. Проверьте расчёт сложением: число нейтронов вместе с протонами должно давать A.
Число электронов не всегда равно числу протонов: это равенство верно только для нейтрального атома. Ошибка возникает, если забыть, что ионы образуются при потере или присоединении электронов. Для проверки сопоставьте заряд: при избытке электронов частица отрицательна, при недостатке — положительна.
Изотопы не являются атомами разных элементов, хотя их массовые числа отличаются. Путаница появляется, когда судят о принадлежности элемента по общей массе ядра, а не по числу протонов. Сравните протонные числа: одинаковое Z означает один элемент, а разное число нейтронов указывает на его изотопы.
Для изучения строения атома нужны представления о веществе как совокупности частиц, об электрическом заряде и о химическом элементе. Состав ядра помогает понять периодический закон и перейти к описанию электронных конфигураций, от которых зависят химические связи. Изотопы понадобятся при разборе относительной атомной массы, поскольку природные образцы элементов могут содержать разные изотопы. Они также важны при изучении ядерных превращений.
Почему атом называют сложной частицей, если он электрически нейтрален?
Электрическая нейтральность означает, что суммарный заряд атома равен нулю, а не то, что он состоит из одной неделимой частицы. В атоме есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны. Их заряды в нейтральном атоме взаимно компенсируются.
Как опыт Резерфорда позволил сделать вывод о существовании ядра?
В опытах альфа-частицы направляли на тонкую металлическую фольгу. Большинство частиц проходило почти прямо, но некоторые заметно отклонялись или отскакивали. Значит, положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень маленькой области — ядре.
Чем протон отличается от нейтрона и электрона?
Протон имеет положительный заряд и находится в ядре, а нейтрон тоже находится в ядре, но заряда не имеет. Электрон несёт отрицательный заряд и находится за пределами ядра. Протоны и нейтроны намного массивнее электронов.
Как по записи атома определить число нейтронов?
В записи нуклида нижнее число — протонное число Z, а верхнее — массовое число A. Число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z. Например, у ²³₁₁Na нейтронов 23 − 11 = 12.
Почему изотопы относятся к одному и тому же химическому элементу?
У изотопов одного элемента одинаково число протонов, а именно оно задаёт заряд ядра и порядковый номер элемента. Различается число нейтронов, поэтому могут различаться и массовые числа изотопов. Например, углерод-12 и углерод-14 — изотопы углерода.
§ 1. Атом — сложная частица
