"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Атомы состоят из ядра и электронов, а их состав помогает различать химические элементы и нуклиды. Элемент определяется числом протонов в ядре, нуклид — числами протонов и нейтронов. По порядковому номеру и массовому числу можно вычислить состав атома и записать его обозначение. Нуклиды одного элемента с разным числом нейтронов называют изотопами; они имеют разные массы, хотя относятся к одному элементу.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — наименьшая электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Ядро содержит протоны и нейтроны, а электроны находятся вокруг него. Это понятие помогает описывать отдельную частицу и разбирать, из каких частей она состоит.
Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Например, каждый атом кислорода содержит восемь протонов. Понятие элемента нужно, чтобы объединять атомы по главному признаку, который не меняется при различии в числе нейтронов.
Нуклид — разновидность атомов с определённым числом протонов и числом нейтронов в ядре. Его можно представить как атом с точно заданным составом ядра. Это понятие позволяет различать атомы одного элемента, если число нейтронов у них неодинаково.
Изотопы — нуклиды одного химического элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, хлор-35 и хлор-37 оба содержат 17 протонов, но отличаются числом нейтронов. Термин нужен, чтобы назвать разные нуклиды одного элемента и не принимать их за разные элементы.
Состав атома описывают через ядро и электроны, потому что именно эти частицы задают его внутреннее устройство. Протоны в ядре имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный; нейтроны заряда не имеют. В нейтральном атоме положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов, поэтому число электронов равно числу протонов. Если эти числа не равны, частица имеет электрический заряд и называется ионом.
Порядковый номер элемента совпадает с числом протонов, потому что он отражает заряд ядра. У каждого элемента это число своё: например, ядро с восемью протонами принадлежит кислороду, а с семью — азоту. Поэтому по порядковому номеру можно однозначно определить элемент, даже если число нейтронов неизвестно. В периодической таблице порядковый номер обозначают буквой Z.
Чтобы найти состав атома, сначала определяют число протонов по порядковому номеру Z. Массовое число A показывает общее число протонов и нейтронов в ядре, поэтому нейтроны находят вычитанием: N = A − Z. Если атом нейтрален, число электронов также равно Z. Например, при Z = 11 и A = 23 в атоме 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.
Нуклид записывают символом химического элемента, указывая массовое число A сверху слева, а порядковый номер Z — снизу слева: ²³₁₁Na. Такая запись сразу сообщает, какой это элемент и сколько частиц содержится в ядре. Массовое число складывается из протонов и нейтронов, поэтому связь выражается формулой A = Z + N. Если известны любые два значения, третье можно найти вычислением.
Изотопы остаются атомами одного элемента, потому что у них одинаковое число протонов и, следовательно, одинаковый порядковый номер. Разное число нейтронов меняет массовое число и массу атома. Из-за различия масс изотопы могут отличаться некоторыми физическими свойствами, например скоростью движения при одинаковых условиях. При этом разница в нейтронах не превращает один элемент в другой.
| Понятие | Что определяет | Главный признак | Обозначение или пример |
|---|---|---|---|
| Атом | Отдельную нейтральную частицу | Ядро и электроны; число электронов равно числу протонов | Атом натрия, Na |
| Химический элемент | Принадлежность атомов к одному элементу | Одинаковое число протонов Z | Кислород, Z = 8 |
| Нуклид | Состав ядра атома | Определённые числа протонов и нейтронов | ²³₁₁Na |
| Изотоп | Разновидность атома внутри элемента | Одинаковое Z, разное число нейтронов | ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl |
Сначала выясни, о чём говорится: об отдельной частице, группе атомов или составе конкретного ядра. Затем проверь главный признак — число протонов либо пару чисел протонов и нейтронов. Чтобы распознать изотопы, сравни Z: одинаковый Z при разных A означает один элемент и разные изотопы.
Задача 1. Для нуклида ³⁵₁₇Cl определить число протонов, нейтронов и электронов. Здесь индекс 17 — порядковый номер Z, а верхнее число 35 — массовое число A. Поскольку атом не обозначен как заряженный, считаем его нейтральным. Решение:
Ответ: 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов. Проверка: 17 + 18 = 35, то есть сумма частиц ядра совпадает с массовым числом.
Задача 2. Сравнить нуклиды ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl и определить, являются ли они атомами одного элемента. Сначала сравниваем нижние индексы: у обеих записей Z = 17. Затем сопоставляем массовые числа 35 и 37, чтобы выяснить, одинаков ли состав ядер. Решение:
Ответ: да, это атомы одного химического элемента и разные изотопы хлора. Их массовые числа неодинаковы из-за разного числа нейтронов.
Задача 3. В ядре атома 8 протонов и 10 нейтронов; атом нейтрален. Нужно определить элемент, число электронов и записать нуклид. Число протонов указывает на элемент, а сумма протонов и нейтронов — на массовое число. Решение:
Ответ: кислород, 8 электронов, нуклид ¹⁸₈O. Проверка: в его ядре 8 + 10 = 18 частиц.
Порядковый номер путают с массовым числом, потому что оба обозначения связаны с составом атома. Но Z показывает только число протонов, а A — сумму протонов и нейтронов. Проверь себя: если ищешь элемент, используй Z; если нужно общее число частиц ядра, смотри на A. Для атома с Z = 17 и A = 35 эти значения различны.
Изотопы иногда принимают за разные элементы, замечая, что у них разные массовые числа. Однако элемент задаётся числом протонов, а оно у изотопов одинаково. Сравни нижние индексы в записях: одинаковые Z означают один элемент. Разные A указывают на различное число нейтронов, а не на смену элемента.
Число нейтронов иногда вычисляют как A + Z, потому что забывают, что массовое число уже включает протоны. Из равенства A = Z + N следует обратная формула N = A − Z. После вычисления проверь результат сложением: N + Z должно дать A. Если получилось больше массового числа, значит, вместо вычитания использовано сложение.
Число электронов ошибочно приравнивают к массовому числу, поскольку оба значения относятся к одному атому. Но у нейтрального атома электроны уравновешивают заряд протонов, поэтому их число равно Z, а не A. Самопроверка: число электронов должно совпасть с числом протонов. Это правило относится к нейтральному атому; у иона электронов может быть больше или меньше.
Для изучения темы нужно знать строение атома и понимать, что протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, а нейтрон не имеет заряда. Понадобится умение пользоваться периодической таблицей и находить элемент по порядковому номеру. Эти знания пригодятся при изучении относительных атомных масс, состава веществ и химических формул. Понимание состава ядра также необходимо для знакомства с ядерными превращениями.
Чем атом отличается от химического элемента?
Атом — отдельная частица с ядром и электронами. Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым числом протонов в ядре. Поэтому у атомов одного элемента могут различаться числа нейтронов.
Почему одинаковое число протонов означает один и тот же химический элемент?
Число протонов задаёт положительный заряд ядра, а каждому его значению соответствует свой порядковый номер в периодической таблице. Поэтому атомы с одинаковым числом протонов принадлежат одному химическому элементу.
Как быстро определить число нейтронов по записи нуклида?
Вычти порядковый номер Z из массового числа A: N = A − Z. Например, у ³⁵₁₇Cl число нейтронов равно 35 − 17 = 18.
Почему изотопы имеют разные массовые числа?
У изотопов одного элемента одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Массовое число складывается из числа протонов и нейтронов, поэтому у изотопов оно различается.
Могут ли атомы одного элемента иметь разное число электронов?
Нейтральные атомы одного элемента имеют одинаковое число электронов, равное числу протонов. Но частицы, полученные из атомов при потере или присоединении электронов, могут иметь разное их число: это уже заряженные ионы.
§ 11. Атомы, элементы, нуклиды
