§ 9. Химические элементы состоят из одинаковых атомов

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Он состоит из ядра и электронов; в ядре находятся протоны и нейтроны. Атом помогает описывать, из каких частиц построено вещество и как эти частицы могут участвовать в химических превращениях.

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом атомных ядер. Заряд ядра зависит от числа протонов, поэтому принадлежность атома к элементу определяют именно по этому числу. Это определение позволяет отличать элементы друг от друга, даже если атомы имеют разную массу.

Символ химического элемента — принятое буквенное обозначение элемента. Его записывают одной или двумя латинскими буквами: первая всегда заглавная, а вторая, если она есть, строчная. Символы нужны, чтобы коротко и одинаково во всём мире обозначать элементы в формулах и химических записях.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса атома больше 1/12 массы атома углерода-12. Её обозначают Aᵣ и находят в клетке элемента периодической таблицы; значение часто округляют для школьных расчётов. Эта величина помогает сравнивать массы атомов и выполнять расчёты с веществами.

Как это устроено

Вещества состоят из атомов, но атомы бывают разных видов. Чтобы установить, какие атомы относятся к одному виду, сравнивают заряд их ядер: он складывается из положительных зарядов протонов. Поэтому одинаковое число протонов означает одинаковую химическую принадлежность. Такое объединение атомов в элементы даёт общий способ описывать состав веществ.

Число протонов называют главным признаком химического элемента, потому что оно задаёт заряд ядра. Например, ядро с восемью протонами принадлежит кислороду, а с девятью — фтору. Если число протонов изменится, изменится и заряд ядра, следовательно, перед нами будет уже атом другого элемента. Число нейтронов такого перехода не вызывает.

Для удобной записи каждому элементу присвоен символ из одной или двух латинских букв. Одна буква может совпадать у нескольких названий, поэтому используют вторую, чтобы различать обозначения. Например, C — углерод, а Ca — кальций. Заглавная и строчная буквы — не украшение: запись Co означает кобальт, а CO состоит из символов C и O, то есть углерода и кислорода.

Периодическая таблица связывает символ элемента с его названием и характеристиками. Если известен символ, найдите такую же запись в клетке таблицы: там указано название элемента и обычно приведена его относительная атомная масса. Если дано название, действуйте наоборот — найдите его в таблице и перепишите символ с точным регистром букв. Так таблицей пользуются как справочником при чтении химических записей.

Фраза «атомы одного элемента одинаковы» означает, что у них одинаковое число протонов и, значит, одинаковая принадлежность к элементу. Она не означает, что все атомы совершенно одинаковы по массе. В ядрах может быть разное число нейтронов, а нейтроны тоже имеют массу. Поэтому атомы одного элемента способны различаться массой, не переставая быть атомами этого элемента.

Обозначения и характеристики некоторых химических элементов

Чтобы определить число протонов, найдите элемент в таблице и используйте его порядковый номер: он равен числу протонов в ядре. Относительную атомную массу ищите в той же клетке; в школьных задачах значения часто округляют до целых. Например, для натрия можно взять массу около 23, а число протонов равно 11.

Разбор задач

Задача 1. По периодической таблице определите символы водорода, кислорода и натрия.

Нужно найти три элемента по названиям и переписать их символы без изменения регистра букв. Сначала отыщем в таблице название водорода, затем кислорода и натрия. Поскольку символ — точное условное обозначение, нельзя заменять заглавную букву строчной или наоборот.

1. Находим клетку с названием «водород» и читаем символ H.
2. Находим «кислород»; его символ — O.
3. Находим «натрий»; его символ состоит из двух букв — Na, где N заглавная, а a строчная.

Ответ: водород — H, кислород — O, натрий — Na. Запись Na следует копировать именно так: вариант NA не является символом натрия. При работе с таблицей всегда проверяйте обе буквы и их регистр.

Задача 2. Для элемента с символом Mg укажите название и относительную атомную массу по периодической таблице.

Здесь дан не русский термин, а символ, поэтому сначала нужно найти его в таблице. Две буквы записаны правильно: M заглавная, g строчная. В клетке с Mg прочитаем название элемента и указанную рядом относительную атомную массу.

1. Ищем в таблице символ Mg.
2. Проверяем, что он соответствует элементу «магний».
3. Считываем значение относительной атомной массы: около 24,305; для простых школьных расчётов его обычно округляют до 24.

Ответ: Mg — магний, Aᵣ ≈ 24,305 (примерно 24 при округлении). Точное число может быть приведено в таблице с несколькими знаками после запятой. В задаче используйте точность, которую требует условие.

Задача 3. Атомы X и Y имеют в ядрах 8 и 9 протонов соответственно. Определите, принадлежат ли они одному химическому элементу, и обоснуйте ответ.

Чтобы сравнить принадлежность атомов к элементам, нужно сопоставить число протонов в их ядрах. Масса и число нейтронов для этого решения не нужны. Если числа протонов различаются, то различаются заряд ядра и химические элементы.

1. У атома X в ядре 8 протонов.
2. У атома Y в ядре 9 протонов.
3. Сравниваем числа: 8 ≠ 9, значит, заряды ядер различны и атомы относятся к разным элементам.

Ответ: X и Y не принадлежат одному химическому элементу. Атом с 8 протонами — кислород, с 9 протонами — фтор. Основание вывода — разное число протонов, а не возможная разница в массе.

Типичные ошибки

Символ элемента нельзя записывать произвольно: регистр букв имеет значение. Эту ошибку допускают, когда считают заглавные и строчные буквы взаимозаменяемыми; например, Co — кобальт, а CO — два символа, C и O. Проверьте себя, сверив запись с клеткой элемента в периодической таблице.

Не путайте химический элемент с отдельным атомом. Атом — конкретная частица, а элемент — вид атомов с общим признаком, одинаковым числом протонов. Путаница возникает потому, что в обычной речи эти слова иногда используют рядом; для проверки спросите себя, говорится об одной частице или о целом виде атомов.

Элемент определяют не по числу нейтронов и не по массе атома, а по числу протонов. Масса может меняться из-за различий в нейтронах, поэтому она не является надёжным признаком химической принадлежности. Чтобы проверить ответ, найдите число протонов и сопоставьте его с порядковым номером элемента.

Неверно считать, что все атомы одного элемента имеют одинаковую массу. Такое представление появляется, если смешать одинаковый заряд ядра с полностью одинаковым составом ядра. Протоны у атомов одного элемента совпадают по числу, а нейтронов может быть разное количество; при сомнении сравните число протонов отдельно от числа нейтронов.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что у атома есть ядро и электроны, а ядро содержит протоны и нейтроны. Понятие элемента и его символы понадобятся при чтении химических формул и уравнений реакций: формулы показывают, атомы каких элементов входят в вещество. Устройство атома также помогает понять периодический закон и строение периодической таблицы, где элементы расположены в определённом порядке.

Что запомнить

• Химический элемент — вид атомов с одинаковым числом протонов.
• Заряд ядра определяет, к какому элементу относится атом.
• Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов и массой.
• У каждого химического элемента есть собственный символ.
• В символе первая буква заглавная, вторая, если есть, строчная.
• Название, символ и относительную атомную массу элемента находят в периодической таблице.