"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре атома находится крошечное ядро из протонов и нейтронов, а вокруг него — электроны. Число протонов задаёт заряд ядра и определяет, к какому элементу относится атом. Сумма протонов и нейтронов показывает массовое число, а различие в количестве нейтронов объясняет существование изотопов. Эти сведения помогают описывать состав атома, понимать свойства элементов и разбирать задачи о частицах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Оно имеет очень малый размер, но в нём сосредоточена почти вся масса атома. Поэтому для описания состава и массы атома прежде всего считают частицы ядра.
Протон — положительно заряженная частица ядра с зарядом +1 и относительной массой примерно 1. Число протонов определяет, какой перед нами химический элемент: например, у каждого атома кислорода их восемь. Подсчёт протонов помогает установить заряд ядра и отличить один элемент от другого.
Нейтрон — электрически нейтральная частица, которая находится в ядре и имеет относительную массу примерно 1. Он добавляет массу атому, но не меняет заряд ядра. Число нейтронов важно, чтобы определить массовое число и различать изотопы одного элемента.
Электрон — отрицательно заряженная частица, находящаяся вне ядра. Его заряд равен −1, то есть по модулю он такой же, как заряд протона, но противоположен по знаку. Электроны участвуют в образовании ионов и химических связей, а их число в нейтральном атоме уравновешивает число протонов.
Представления о строении атома изменились после опытов по рассеянию частиц. Учёные направляли быстрые частицы на тонкую металлическую пластинку и наблюдали, как меняется их движение. Большинство проходило почти прямо, но некоторые заметно отклонялись или отскакивали назад. Это объяснили тем, что положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень маленьком ядре, а электроны находятся вне него.
Почему ядро состоит из протонов и нейтронов? Именно в нём сосредоточена почти вся масса атома, а положительный заряд создают протоны; нейтроны вносят вклад в массу, не добавляя заряда. Вокруг ядра находятся отрицательные электроны. Если положительных и отрицательных зарядов поровну, они компенсируют друг друга, поэтому число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов.
Заряд ядра зависит от количества протонов: каждый из них приносит заряд +1, а нейтроны заряда не имеют. Поэтому ядро с восемью протонами имеет заряд +8, а с одиннадцатью — +11. У нейтрального атома столько же электронов, сколько протонов, и суммарный заряд электронов противоположен заряду ядра. Так весь атом получает заряд 0, хотя само ядро остаётся положительным.
Массовое число показывает общее число протонов и нейтронов в ядре. Его обозначают A, число протонов — Z, число нейтронов — N; связь между ними записывают так: A = Z + N. Чтобы найти число нейтронов, из массового числа вычитают число протонов: N = A − Z. Электроны в эту сумму не включают, поскольку их масса намного меньше массы протонов и нейтронов.
Атомы одного химического элемента имеют одинаковое число протонов, иначе они относились бы к разным элементам. Однако число нейтронов может различаться, поэтому различаются и массовые числа таких атомов. Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называют изотопами. Например, изотопы хлора с массовыми числами 35 и 37 имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
| Частица | Обозначение | Заряд | Относительная масса | Расположение |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | ≈ 1 | В ядре |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | ≈ 1 | В ядре |
| Электрон | e⁻ | −1 | ≈ 1/1836 | Вне ядра |
Сравнивая частицы, сначала смотрите на заряд: он показывает, какая частица создаёт положительный или отрицательный заряд атома. Относительные массы помогают понять, почему при подсчёте массового числа учитывают протоны и нейтроны, а электроны не включают. Столбец расположения напоминает, какие частицы входят в ядро.
Условие. У нейтрального атома кислорода 8 протонов. Нужно определить число электронов и заряд ядра. Обозначение нейтральности означает, что суммарный заряд протонов и электронов равен нулю.
Ответ: 8 электронов; заряд ядра +8.
Условие. В ядре атома натрия находятся 11 протонов и 12 нейтронов. Требуется найти массовое число и число электронов в нейтральном атоме. Для вычисления массового числа нужны только частицы ядра.
Ответ: массовое число 23; в нейтральном атоме 11 электронов.
Условие. Сравним нейтральные атомы изотопов хлора с массовыми числами 35 и 37. В периодической таблице порядковый номер хлора равен 17, а он показывает число протонов. Нужно определить также число электронов и нейтронов каждого изотопа.
Ответ: хлор-35: 17 протонов, 18 нейтронов, 17 электронов; хлор-37: 17 протонов, 20 нейтронов, 17 электронов.
Ошибка: считать, что число нейтронов равно массовому числу. Так путают общее число частиц ядра с числом только нейтронов. Массовое число включает и протоны, и нейтроны, поэтому нейтроны находят вычитанием: N = A − Z. Для проверки сложите найденные протоны и нейтроны — сумма должна равняться A.
Ошибка: путать заряд ядра с зарядом атома. Ядро положительно заряжено, поскольку в нём есть протоны, а нейтроны нейтральны. У нейтрального атома суммарный заряд равен нулю благодаря электронам. Проверяйте, о чём спрашивают: заряд ядра или общий заряд частицы.
Ошибка: считать, что у всех атомов элемента одинаковое число нейтронов. Такое впечатление возникает, если забыть об изотопах. Число протонов у атомов одного элемента одинаково, но нейтронов может быть разное количество. Сравните массовые числа: если они отличаются при одинаковом числе протонов, перед вами разные изотопы.
Ошибка: приравнивать массу электрона к массе протона или нейтрона. Заряд электрона по модулю равен заряду протона, но масса — не одно и то же, что заряд. Электрон примерно в 1836 раз легче протона, поэтому его массой обычно пренебрегают при определении массового числа. Сверяйтесь со столбцом относительной массы и не добавляйте электроны к сумме A.
Понятие химического элемента связано с зарядом ядра: порядковый номер в периодической таблице показывает число протонов. Для работы с этой темой пригодятся умение находить элемент по таблице и различать заряд ядра и заряд атома. Строение атома помогает понять изотопы, радиоактивность и ядерные реакции, в которых важны изменения ядра. Знание зарядов электронов и протонов понадобится при изучении ионов и химической связи.
Почему атом в целом нейтрален, если его ядро заряжено положительно?
В ядре находятся положительно заряженные протоны, а вне ядра — отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме их числа равны, поэтому противоположные заряды взаимно компенсируются.
Как узнать число нейтронов в атоме?
Вычтите число протонов из массового числа: N = A − Z. Здесь A — массовое число, а Z — число протонов, которое можно определить по порядковому номеру элемента.
Чем изотопы одного элемента отличаются друг от друга?
У изотопов одинаковое число протонов, поэтому они принадлежат одному элементу. Число нейтронов у них различается, а вместе с ним различается и массовое число.
Почему почти вся масса атома сосредоточена в ядре?
Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, намного тяжелее электронов. Масса электрона очень мала по сравнению с массой каждой из этих частиц, поэтому вклад электронов в общую массу атома незначителен.
Может ли число электронов в атоме отличаться от числа протонов?
В нейтральном атоме число электронов всегда равно числу протонов. Если электронов становится больше или меньше, частица получает суммарный заряд и называется ионом.
2. Строение атома
