Строение атома

Химические свойства вещества связаны с устройством его атомов. В центре атома находится маленькое положительно заряженное ядро, а вокруг него — электронная оболочка. Чтобы читать формулы и периодическую таблицу, прежде всего нужно научиться различать протоны, нейтроны и электроны и правильно считать их число.

Ядро и электронная оболочка

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. При этом электронная оболочка занимает гораздо больший объём. Приведённые массы округлены: протон и нейтрон не имеют массу ровно 1 а. е. м., а масса связанного атома не равна простой сумме масс свободных частиц.

Обычно ядра содержат и протоны, и нейтроны. Важное исключение — ядро наиболее распространённого изотопа водорода ¹H: в нём один протон и нет нейтронов.

Порядковый, или атомный, номер Z равен числу протонов в ядре. Именно число протонов определяет, к какому химическому элементу относится атом.

У всех атомов углерода 6 протонов, у всех атомов кислорода — 8. Изменение числа нейтронов или электронов не превращает углерод в кислород. Для смены элемента нужно изменить число протонов, что относится уже к ядерным превращениям.

Массовое число и число нейтронов

Массовое число A — суммарное число протонов и нейтронов данного ядра. Эти частицы вместе называют нуклонами. Если число нейтронов обозначить N, получим:

A = Z + N; N = A − Z.

A и Z — целые числа частиц, а не массы в граммах. Массовое число конкретного изотопа отличается от табличной относительной атомной массы A_r, которая часто относится к смеси изотопов и может быть дробной.

Указание «хлор имеет A_r около 35,5» не позволяет утверждать, что в его ядре «18,5 нейтрона». Чтобы найти N, нужно знать, какой изотоп рассматривается, например хлор-35 или хлор-37.

Пример 1. Состав атома натрия-23

Для Na атомный номер Z = 11. В обозначении ²³Na верхнее число 23 является массовым числом данного изотопа:

Число протонов = 11; N = 23 − 11 = 12.

Нейтральный атом содержит 11 электронов: их отрицательный заряд компенсирует положительный заряд 11 протонов. Получаем 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов.

Изотопы одного элемента

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Их массовые числа различаются.

Например, ¹²C и ¹³C имеют по 6 протонов. Первый изотоп содержит 6 нейтронов, второй — 7. В периодической системе им соответствует одна клетка углерода, поскольку Z у них одинаков.

Изотопы могут различаться массой и ядерной устойчивостью. Их химическое поведение во многом сходно из-за одинакового заряда ядра и близкого электронного строения; это сходство не означает полного отсутствия изотопных различий в свойствах.

Пример 2. Сравнение изотопов кислорода

У кислорода Z = 8. Для нейтральных атомов ¹⁶O и ¹⁸O число протонов и электронов одинаково, но число нейтронов различается:

N(¹⁶O) = 16 − 8 = 8; N(¹⁸O) = 18 − 8 = 10.

Эти атомы принадлежат одному элементу. Разница в два нейтрона меняет массовое число, а не положение кислорода в таблице.

Как образуются ионы

В нейтральном атоме число электронов равно Z. Если атом теряет или присоединяет электроны, образуется одноатомный ион. Положительные ионы называют катионами, отрицательные — анионами.

При образовании обычного одноатомного иона изменяется число электронов, а число протонов и нейтронов в ядре сохраняется.

Обозначим число электронов N_e, а заряд иона в единицах e — знаковым числом q. Тогда:

q = Z − N_e; N_e = Z − q.

Для катиона q положительно, поэтому электронов меньше Z. Для аниона q отрицательно, и вычитание отрицательного числа увеличивает N_e. Заряд +2 обозначает потерю двух электронов относительно нейтрального атома, а не появление двух дополнительных протонов.

Пример 3. Анион хлора-35

В ионе ³⁵Cl⁻ атомный номер хлора Z = 17, массовое число A = 35, заряд q = −1. Считаем частицы:

Число протонов = 17; N = 35 − 17 = 18.

N_e = 17 − (−1) = 18.

По сравнению с нейтральным атомом хлора добавился один электрон. Ядро осталось тем же, поэтому это по-прежнему хлор, а не аргон, у которого в ядре 18 протонов.

Почему электрон не маленькая планета

Схема с ядром и круговыми линиями удобна для первого знакомства с электронными слоями. Но она не показывает точные траектории электронов. Современная квантовая модель описывает состояние электрона и вероятности его обнаружения в пространстве; для этого используют понятие атомной орбитали.

Электроны распределяются по состояниям с определёнными энергиями. При поглощении или испускании энергии возможны переходы между состояниями. Для начальных задач на состав атома подробные электронные конфигурации не требуются: достаточно правильно использовать Z, A и заряд.

Типичные ошибки

• Брать A_r вместо A. Число нейтронов находят для конкретного изотопа.
• Менять число протонов при ионизации. Обычная ионизация меняет электронную оболочку.
• Путать изотопы с ионами. Первые различаются нейтронами, вторые — электронным зарядом.
• Считать число электронов всегда равным Z. Это верно для нейтрального атома.
• Представлять нарисованные окружности точными орбитами. Это упрощённая схема, а не траектории квантовых частиц.

Проверьте себя

1. Сколько протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме ²⁷Al, если Z = 13?
2. Сколько электронов в Ca²⁺ при Z(Ca) = 20? Изменилось ли ядро при образовании иона?
3. Атомы содержат по 12 протонов, но 12 и 13 нейтронов соответственно. Это разные элементы или изотопы? Назовите их массовые числа.
4. В ядре 8 протонов, а в оболочке 10 электронов. Определите элемент и заряд иона.
5. Можно ли по значению A_r(Cl) ≈ 35,5 однозначно найти число нейтронов в любом атоме хлора?

Ответы с объяснениями

1. Протонов 13, электронов также 13, поскольку атом нейтрален. Нейтронов:

N = 27 − 13 = 14.

2. Катион образован потерей двух электронов:

N_e = 20 − 2 = 18.

Число протонов и нейтронов при такой ионизации не меняется.

3. Это изотопы магния, поскольку Z = 12 у обоих. Их массовые числа:

A₁ = 12 + 12 = 24; A₂ = 12 + 13 = 25.

4. По Z = 8 определяем кислород. Электронов на два больше, чем протонов:

q = 8 − 10 = −2; ион O²⁻.

5. Нет. A_r характеризует относительную массу и может быть усреднённой для изотопной смеси. Для N нужно массовое число конкретного изотопа: у ³⁵Cl нейтронов 18, у ³⁷Cl — 20.

Связанные темы

Повторите понятия атомов и ионов и различие относительной массы и массового числа. С числом протонов непосредственно связано место элемента в периодической системе.

Источники: OpenStax: частицы, изотопы и ионы; OpenStax: квантовая модель атома; IUPAC: номера и символы элементов. Примеры и задания составлены для этой статьи.