"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Атом состоит из компактного положительно заряженного ядра и электронов вокруг него. В ядре находятся протоны и нейтроны, причём на него приходится почти вся масса атома. Опыт по рассеянию альфа-частиц на тонкой фольге помог обнаружить это ядро: большинство частиц пролетало почти прямо, а некоторые резко отклонялись. Порядковый номер элемента Z показывает число протонов, массовое число A — сумму протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов можно найти по формуле N = A − Z.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ядро атома — центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно очень мало по сравнению с атомом, но именно его устройство помогает объяснить результаты опытов с частицами. Размер и заряд ядра важны для понимания того, почему атомы разных элементов отличаются друг от друга.
Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом. Поэтому, зная количество протонов, можно определить элемент и заряд его ядра.
Нейтрон — электрически нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. Он не добавляет ядру электрического заряда, но вместе с протонами составляет его основную массу. Число нейтронов помогает различать атомы одного и того же элемента.
Массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре; обозначается A. Его используют вместе с порядковым номером Z, чтобы определить состав ядра. Если известны A и Z, число нейтронов можно найти вычитанием: N = A − Z.
Существование ядра удалось установить, направляя альфа-частицы на тонкую металлическую фольгу и наблюдая, как меняется их движение. Альфа-частицы имеют положительный заряд, поэтому взаимодействуют с положительно заряженными частями атомов. Если бы положительный заряд был распределён по всему объёму равномерно, частицы отклонялись бы лишь немного. Однако некоторые из них меняли направление очень сильно, и это потребовало объяснения.
Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу почти без отклонения, потому что атом в основном состоит из пространства вокруг небольшой центральной области. Частицы, пролетавшие далеко от этой области, почти не испытывали влияния атома. Небольшая доля альфа-частиц приближалась к положительно заряженному центру и отталкивалась от него. Чем ближе был пролёт к центру, тем заметнее могло измениться направление; редкие особенно близкие пролёты вызывали резкий поворот.
Так объяснили наблюдения моделью атома с компактным положительным ядром и электронами вокруг него. В ядре сосредоточена почти вся масса, поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов. Электроны занимают область вокруг ядра, а не находятся в нём. Поскольку отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд протонов, нейтральный атом в целом не имеет заряда.
Заряд ядра зависит от числа протонов: у каждого протона один положительный элементарный заряд, а нейтроны заряда не добавляют. Поэтому если протонов Z, заряд ядра условно записывают как +Z. В периодической системе каждому химическому элементу соответствует свой порядковый номер Z, равный числу протонов в ядре. Например, если заряд ядра равен +17, в нём 17 протонов, а порядковый номер элемента — 17.
Массовое число A показывает, сколько всего протонов и нейтронов находится в ядре. Если из общего числа частиц вычесть протоны, останутся нейтроны: N = A − Z. Например, при A = 23 и Z = 11 число нейтронов равно 12. В записи атома вида ²³₁₁Na верхнее число обозначает A, а нижнее — Z.
| Частица | Обозначение | Электрический заряд | Расположение в атоме | Относительная масса |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | В ядре | Около 1 |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | В ядре | Около 1 |
| Электрон | e⁻ | −1 | Вокруг ядра | Около 1/1840 |
Сначала по таблице удобно сравнить заряды частиц: протоны и электроны заряжены противоположно, а нейтрон нейтрален. Затем можно сопоставить их расположение и массы: тяжёлые протоны и нейтроны находятся в ядре, а лёгкие электроны — вокруг него. Это помогает проверить, почему почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а нейтральность обеспечивается равным числом протонов и электронов.
Задача 1. Для атома натрия ²³₁₁Na укажите число протонов, нейтронов и электронов. Здесь нижнее число 11 — порядковый номер Z, а верхнее число 23 — массовое число A. Сначала по Z определяем число протонов, затем находим нейтроны как разность A и Z. Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов.
Число протонов равно Z: 11.
Число нейтронов равно A − Z: 23 − 11 = 12.
Атом нейтрален, поэтому число электронов тоже равно 11.
Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.
Задача 2. У атома элемента заряд ядра +17, а массовое число равно 35. Нужно определить состав атома и назвать элемент. Положительный заряд создают только протоны, поэтому заряд ядра сразу указывает на Z. По массовому числу и Z находим нейтроны, а для нейтрального атома устанавливаем число электронов. Порядковый номер 17 в периодической системе соответствует хлору.
В ядре 17 протонов, значит, Z = 17.
Число нейтронов: 35 − 17 = 18.
В нейтральном атоме 17 электронов; элемент с Z = 17 — хлор.
Ответ: хлор; 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов.
Задача 3. Сравните ядра атомов хлора ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl и объясните, почему это атомы одного элемента. В обеих записях нижнее число одинаково и равно 17, значит, в каждом ядре по 17 протонов. Верхние числа различаются, поэтому различается общее число частиц в ядрах. Вычитаем Z из каждого A, чтобы сравнить количество нейтронов.
Для ³⁵₁₇Cl число нейтронов: 35 − 17 = 18.
Для ³⁷₁₇Cl число нейтронов: 37 − 17 = 20.
Оба атома имеют 17 протонов, поэтому относятся к хлору; число нейтронов у них разное.
Ответ: состав ядер — 17 протонов и 18 нейтронов у первого атома, 17 протонов и 20 нейтронов у второго. Это атомы одного элемента, потому что число протонов одинаково.
Ошибка: считать, что масса атома равномерно распределена по всему объёму. Такое представление кажется естественным, если вообразить атом сплошным шариком, но опыт с альфа-частицами показал наличие компактного центра. Проверка: вспомните, что редкие резкие отклонения частиц объясняются столкновением с маленьким массивным ядром.
Ошибка: путать заряд ядра с массовым числом. Эти величины иногда смешивают, потому что обе связаны с частицами ядра. Заряд задаётся числом протонов, а массовое число — суммой протонов и нейтронов; проверьте, какую именно величину спрашивают.
Ошибка: складывать A и Z, чтобы найти нейтроны. Так делают, если забывают, что A уже включает и протоны, и нейтроны. Проверка простая: число нейтронов должно составлять недостающую часть до A, поэтому используют N = A − Z.
Ошибка: считать, что у нейтрального атома электронов столько же, сколько нейтронов. Нейтральность зависит от компенсации положительного и отрицательного зарядов, а нейтроны заряда не имеют. Проверьте число электронов по протонам: в нейтральном атоме оно равно Z.
Чтобы разобраться в строении ядра, нужно знать, что атом состоит из частиц, а химический элемент определяется зарядом ядра. Формулы A = Z + N и N = A − Z пригодятся при изучении изотопов и при записи состава атомов. Изотопы имеют одинаковое число протонов, но различаются числом нейтронов. Представление о заряженных частицах также понадобится при изучении ионов и химической связи: ионы образуются, когда атомы теряют или присоединяют электроны.
Почему атом в целом нейтрален, если его ядро заряжено положительно?
В ядре положительный заряд создают протоны, а вокруг него находятся электроны с отрицательным зарядом. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому заряды компенсируют друг друга.
Почему большая часть альфа-частиц прошла через фольгу, не отклонившись?
Почти весь объём атома занимает пространство вокруг очень маленького ядра. Поэтому большинство альфа-частиц не приближалось к ядру достаточно близко, чтобы заметно изменить направление.
Чем протон отличается от нейтрона?
Протон имеет положительный электрический заряд, а нейтрон заряда не имеет. Оба находятся в атомном ядре и имеют близкие относительные массы.
Как узнать число нейтронов, если известны порядковый номер и массовое число?
Порядковый номер Z равен числу протонов, а массовое число A — сумме протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов находят вычитанием: N = A − Z.
Почему атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов?
Принадлежность к элементу определяется числом протонов, которое у таких атомов одинаково. Число нейтронов может различаться, поэтому различается и массовое число атомов.
§ 6. Атом имеет ядерное строение
