Основные сведения о строении атома

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно очень мало по сравнению с атомом, но именно его состав позволяет определить элемент и массовое число. Поэтому при описании атома сначала учитывают частицы ядра.

Протон — положительно заряженная частица ядра; число протонов определяет заряд ядра и порядковый номер элемента. Если знать количество протонов, можно установить, какому элементу принадлежит атом. Это число не меняется при образовании иона.

Нейтрон — незаряженная частица ядра, которая вместе с протонами образует ядро атома. Он влияет на массу ядра, но не на его электрический заряд. Количество нейтронов помогает отличать изотопы одного элемента.

Электрон — отрицательно заряженная частица, находящаяся вне ядра; в нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Электроны участвуют в образовании химических связей и ионов. Поэтому для нейтрального атома их число находят по порядковому номеру, а для иона дополнительно учитывают заряд.

Как это устроено

Атомное ядро занимает очень малую часть объёма атома, но содержит протоны и нейтроны, масса которых намного больше массы электрона. Поэтому почти вся масса вещества атома сосредоточена именно в ядре. Электроны находятся далеко от ядра по сравнению с его размером и образуют электронный слой, занимающий большую часть объёма атома. Так объясняется, почему большой объём атома не означает, что его масса равномерно распределена в пространстве.

Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны электрически нейтральны. Заряды протонов складываются, поэтому заряд ядра определяется только их количеством: если протонов Z, заряд ядра равен +Ze, где e — элементарный заряд. Нейтроны не прибавляют к нему ни положительного, ни отрицательного заряда. Следовательно, по числу протонов можно узнать заряд ядра, но число нейтронов для этого знать не требуется.

Порядковый номер элемента в периодической системе равен числу протонов в его ядре. Это число служит своеобразным «паспортом» элемента: атом с другим числом протонов уже принадлежит другому элементу. В нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд протонов, поэтому число электронов равно числу протонов. Если атом превращается в ион, меняется число электронов, но порядковый номер остаётся прежним.

Массовое число A показывает общее число протонов и нейтронов в ядре: A = Z + N, где N — число нейтронов. Чтобы найти N, из массового числа вычитают порядковый номер: N = A − Z. Например, если A = 23, а Z = 11, то в ядре 23 − 11 = 12 нейтронов. Массовое число не следует путать с массой всего атома: оно показывает количество частиц ядра, а не число нейтронов отдельно.

Атомы одного элемента могут иметь разное число нейтронов. Такие разновидности атомов называют изотопами: у них одинаковое число протонов и одинаковый заряд ядра, но разные значения N и A. Например, у хлора-35 и хлора-37 по 17 протонов, но число нейтронов различается. Так как химический элемент определяется числом протонов, оба атома остаются атомами хлора.

Основные частицы атома

Сравнивая строки таблицы, сначала определите, какие частицы образуют ядро, а какая находится вне его. Относительные массы показывают, почему электроны почти не влияют на массу атома. Значения заряда позволяют проверить, будет ли атом нейтральным или станет ионом.

Разбор задач

Задача 1. У атома натрия порядковый номер 11, массовое число 23. Определите число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Сначала используем порядковый номер для определения состава ядра, затем проверяем электрическую нейтральность. Массовое число позволит найти недостающие нейтроны.

1. Число протонов равно порядковому номеру: 11. Это следует из определения порядкового номера элемента.
2. Атом нейтрален, поэтому электронов столько же, сколько протонов: 11. Заряды этих частиц взаимно компенсируются.
3. Число нейтронов равно массовому числу минус число протонов: 23 − 11 = 12. Итого в ядре 11 протонов и 12 нейтронов.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

Задача 2. Определите число протонов, нейтронов и электронов в ионе ³⁵Cl⁻, если порядковый номер хлора равен 17. Порядковый номер и массовое число описывают ядро и не зависят от заряда иона. Знак «−» показывает, что атом присоединил один электрон по сравнению с нейтральным атомом.

1. Протонов в ядре 17, поскольку таков порядковый номер хлора. Заряд иона числа протонов не меняет.
2. Число нейтронов: 35 − 17 = 18. Здесь 35 — массовое число, а не количество нейтронов.
3. У нейтрального хлора было бы 17 электронов. Заряд −1 означает один лишний электрон, значит, электронов 18.

Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов.

Задача 3. Атомы ³⁵Cl и ³⁷Cl имеют порядковый номер 17. Сравните состав их ядер и объясните, почему это атомы одного элемента. Для сравнения нужно отдельно вычислить нейтроны в каждом ядре. Затем можно проверить, какое число частиц у них одинаково и какое различается.

1. В обоих ядрах по 17 протонов, так как порядковый номер каждого атома равен 17. Следовательно, оба атома относятся к хлору.
2. У ³⁵Cl нейтронов 35 − 17 = 18. У ³⁷Cl нейтронов 37 − 17 = 20.
3. Число протонов одинаково, а число нейтронов различается. Это изотопы хлора с массовыми числами 35 и 37.

Ответ: у ³⁵Cl — 17 протонов и 18 нейтронов, у ³⁷Cl — 17 протонов и 20 нейтронов; это изотопы одного элемента.

Типичные ошибки

Массовое число принимают за число нейтронов. Так ошибаются, когда забывают, что оно включает и протоны, и нейтроны. Для проверки запишите A = Z + N, а нейтроны вычислите как N = A − Z.

Считают, что число электронов всегда равно числу протонов. Это верно только для нейтрального атома, поэтому такой ответ не подходит для иона. Проверьте, указан ли заряд: у отрицательного иона электронов больше, у положительного — меньше.

При вычислении заряда ядра учитывают нейтроны. Путаница возникает из-за того, что нейтроны находятся в ядре вместе с протонами, но электрического заряда у них нет. Сверьте вклад каждой частицы: заряд ядра создают только протоны.

Изотопы считают атомами разных элементов. Причина ошибки — различие массовых чисел, хотя принадлежность к элементу определяет число протонов. Проверьте порядковые номера: если число протонов совпадает, это изотопы одного элемента, даже если нейтронов разное количество.

Связь с другими темами

Для изучения строения атома нужны представления о веществе как совокупности частиц, электрическом заряде и периодической системе элементов. Число протонов и электронов помогает понять периодический закон, образование ионов и химическую связь: состав электронного слоя связан с химическим поведением атома. Число нейтронов и изотопный состав становятся основой для изучения радиоактивности и ядерных превращений, в которых меняется состав ядра.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• В ядре находятся протоны и нейтроны.
• Протоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный, нейтроны заряда не имеют.
• Порядковый номер элемента равен числу протонов в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Массовое число равно сумме протонов и нейтронов.
• Изотопы одного элемента различаются числом нейтронов.