§ 2. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — наименьшая электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронной оболочки. Нейтральность означает равенство положительных зарядов протонов и отрицательных зарядов электронов. Это понятие нужно, чтобы отличать обычную частицу элемента от заряженного иона.

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, содержащая протоны и нейтроны. Почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре, хотя его размеры очень малы по сравнению с размерами атома. По составу ядра определяют заряд, массу и разновидность атома.

Атомный номер — число протонов в ядре; его обозначают буквой Z. Он однозначно определяет химический элемент: если протонов 8, это всегда кислород, а если 11 — натрий. В периодической таблице элементы упорядочены по возрастанию атомного номера.

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому их химические свойства близки, а массы и некоторые ядерные свойства различаются. Запись нуклида имеет вид ᴬZX, где A — массовое число, Z — атомный номер, X — символ элемента.

Как это устроено

Представление о ядре возникло из опытов по рассеянию частиц. Большинство частиц проходило через тонкую металлическую фольгу почти без отклонения, но небольшая доля резко меняла направление. Значит, атом в основном заполнен пустым пространством, а положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень маленькой плотной области — ядре.

В атом входят протоны, нейтроны и электроны. Протон имеет заряд +1, нейтрон не имеет заряда, а электрон — заряд −1; относительные массы протона и нейтрона близки к 1, тогда как масса электрона примерно в 1840 раз меньше. Поэтому заряд ядра создают протоны, массу атома определяют главным образом протоны и нейтроны, а электроны образуют оболочку и участвуют в химических связях.

Нейтральный атом не имеет общего заряда, потому что каждый протон компенсируется одним электроном. Если атом отдаёт один или несколько электронов, протонов становится относительно больше и возникает положительный ион, или катион. Если атом присоединяет электроны, отрицательный заряд электронов преобладает и образуется отрицательный ион, или анион.

Число частиц удобно находить по записи нуклида ᴬZX. Число протонов равно Z, число нейтронов равно A − Z, а число электронов в нейтральном атоме равно Z; для иона Xⁿ⁺ оно равно Z − n, для Xⁿ⁻ — Z + n. Изотопы имеют одинаковый заряд ядра и поэтому принадлежат одному элементу, но различное число нейтронов меняет их массу и устойчивость ядра.

Частицы атома и характеристики нуклида

Таблицу удобно читать от общего к частному: сначала определить состав ядра, затем учесть электроны и заряд частицы. Для конкретного нуклида сравнивайте A и Z: их разность даёт число нейтронов. Строка «изотоп» описывает не отдельную элементарную частицу, а атом с определённым составом ядра.

Разбор задач

Задача 1. Атом натрия ²³₁₁Na

Нужно определить число протонов, нейтронов и электронов. В записи уже указаны массовое число A = 23 и атомный номер Z = 11, а отсутствие заряда означает, что атом нейтрален.

1. Число протонов равно Z: 11.
2. Число нейтронов находим по формуле N = A − Z: 23 − 11 = 12.
3. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов: 11.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

Задача 2. Частица ³⁵₁₇Cl⁻

Знак «−» показывает, что частица является анионом и получила один дополнительный электрон. Сначала определяем состав ядра, потому что образование иона не меняет число протонов и нейтронов.

1. Протонов Z = 17.
2. Нейтронов N = A − Z = 35 − 17 = 18.
3. Электронов у Cl⁻ на один больше, чем протонов: 17 + 1 = 18.

Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов.

Задача 3. Ион X²⁺

Ион содержит 18 электронов и имеет заряд +2, значит, он потерял два электрона. Восстанавливаем число протонов, затем добавляем нейтроны и определяем элемент по периодической таблице.

1. Для катиона число электронов равно Z − 2, поэтому Z = 18 + 2 = 20.
2. Элемент с Z = 20 — кальций, Ca.
3. Массовое число A = Z + N = 20 + 20 = 40.

Ответ: это ион ⁴⁰₂₀Ca²⁺; его ядро содержит 20 протонов и 20 нейтронов, а электронная оболочка — 18 электронов.

Типичные ошибки

Путают атомный номер и массовое число. Z показывает только число протонов, а A — сумму протонов и нейтронов. Проверьте себя: если из A нельзя получить массу ядра как сумму Z и N, числа перепутаны.

Считают, что ион возникает из-за изменения числа протонов. В химических процессах атом отдаёт или принимает электроны, а ядро сохраняется. Для проверки сравните заряд: он должен объясняться разностью числа протонов и электронов.

Находят нейтроны сложением A + Z. Массовое число уже включает протоны и нейтроны, поэтому нужно вычитать: N = A − Z. Результат обязательно должен быть неотрицательным и меньше A.

Считают изотопы разными элементами. Разное число нейтронов не меняет атомный номер, а именно Z определяет элемент. Сначала сравните число протонов, и только затем — число нейтронов и массовые числа.

Связь с другими темами

Для работы с составом атома нужно уметь пользоваться периодической таблицей, читать символы элементов и распознавать заряд иона. Знание строения атома объясняет периодический закон, строение электронной оболочки и изменение свойств элементов. Состав ядра и изотопы понадобятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций и относительной атомной массы.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• Ядро содержит протоны и нейтроны, а электроны находятся вне ядра.
• Атомный номер Z равен числу протонов в ядре.
• Массовое число A равно сумме числа протонов и нейтронов.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Изотопы имеют одинаковый Z, но разные числа нейтронов и массовые числа.
• При образовании иона изменяется число электронов, а не состав ядра.