Print bookPrint book

§ 7. Строение атома

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 7. Строение атома
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 18 May 2024, 4:34 AM

Одно из наиболее ранних утверждений об атомах как неделимых частицах вещества содержится в трудах древнегреческого учёного Демокрита (V–IV вв. до н. э.). Лишь в конце XIX века благодаря ряду научных открытий в области физики стало понятно, что атом имеет сложное строение.

В 1911 году Э. Резерфорд на основании экспериментальных данных предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. В этой модели атом рассматривался как своеобразная «солнечная система», в центре которой находится положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по своим орбитам движутся электроны.

Дальнейшие исследования физиков показали, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Нейтрон не имеет заряда, а протон несёт положительный заряд, равный величине заряда электрона. Число протонов в ядре определяет его заряд по абсолютной величине и порядковый номер элемента (рис. 11).

Рис. 11. Планетарная модель атома бериллия
Рис. 11. Планетарная модель
атома бериллия
img

Доказательствами сложного строения атома послужили открытия фотоэффекта (А. Г. Столетов, 1889), радиоактивности (А. Беккерель, М. Склодовская-Кюри, 1896–1899 гг.), катодных лучей (Дж. Томсон, 1897), эксперименты по определению природы α-частиц (Э. Резерфорд, 1899–1900).

Исследования природы частиц, входящих в состав атомов, были дополнены представлениями квантовой механики, развивавшимися М. Планком А. Эйнштейном, Н. Бором, Луи де Бройлем, В. Гейзенбергом, Э. Шрёдингером.

Если заряд электрона, равный 1,6 ∙ 10–19 Кл, принять за 1, то заряд ядра любого атома будет численно равен порядковому номеру Z соответствующего химического элемента или числу протонов в ядре. В таком случае заряд ядра выражен в единицах элементарного заряда. Это безразмерная величина, как и относительная атомная масса. Например, уран — химический элемент с порядковым номером 92. Заряд его ядра в относительных единицах равен 92.

Суммарное число протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом (А):

A = Z + N.

Массовое число А имеет только целочисленные значения.

Атом в свободном состоянии является электронейтральной частицей. Следовательно, число протонов в ядре атома равно числу электронов. Важнейшие характеристики протонов, нейтронов и электронов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Важнейшие характеристики протонов, нейтронов, электронов

Характеристики Ядро Оболочка
Протон Нейтрон Электрон
Символ p n e
Масса, кг ≈ 1,673 ∙ 10–27 ≈ 1,675 ∙ 10–27 ≈ 9,109 ∙ 10–31
Масса, а. е. м. 1,0073 ≈ 1 1,0087 ≈ 1 0,0005 ≈ 0
Электрический заряд, Кл ≈ 1,602 ∙ 10–19 0 ≈ –1,602 ∙ 10–19
Электрический заряд в единицах элементарного заряда +1 0 –1
Обозначение в уравнениях ядерных реакций begin mathsize 16px style straight p presubscript 1 presuperscript 1 end style begin mathsize 16px style straight n presubscript 0 presuperscript 1 end style begin mathsize 16px style straight e presubscript negative 1 end presubscript presuperscript 0 end style

Массу ядра (mz) можно приблизительно определить, суммировав массы всех протонов (Zmp) и нейтронов (Nmn), из которых оно состоит.

Точное значение массы ядра немного меньше этой суммы:

mz < Zmp + Nmn.

Например, масса ядра нуклида кислород-16 равна 15,995. Разница объясняется выделением колоссальной энергии при образовании ядра из протонов и нейтронов. Именно из-за выделения этой энергии, называемой энергией связи (∆E), происходит потеря общей массы. Энергия связи в ядре в миллионы раз превышает прочность химической связи, поэтому ядра атомов в химических реакциях не разрушаются.

img

В курсе физики 11-го класса вы научитесь рассчитывать «дефект масс» и энергию связи, исходя из равенства begin mathsize 14px style increment m equals fraction numerator increment E over denominator c squared end fraction end style, где с — скорость света в вакууме.

При образовании из протонов и нейтронов 1 моль атомов гелия, в ядрах которых содержится по два протона и по два нейтрона, выделяется 2,73 · 1012 Дж энергии. Для сравнения: при образовании очень прочной тройной химической связи в молекуле азота begin mathsize 14px style straight N identical to straight N end style выделяется энергия 9,45 · 105 Дж/моль, то есть почти в 3 миллиона раз меньше.

Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может варьироваться в небольших пределах.

Длительное время считали, что химический элемент — это вид атомов с определённой массой. Однако в 1913 году было установлено, что у одного и того же химического элемента могут быть атомы, различающиеся по массе. Такие разновидности атомов назвали изотопами.

Изотопы — это атомы, относящиеся к одному химическому элементу, но отличающиеся по массе. Их ядра состоят из одинакового числа протонов, но разного числа нейтронов.

Кроме понятия изотопа существует понятие нуклид.

Вид атомов с определённым количеством протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом (от лат. nucleus — ядро). Совокупность атомов, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, относят к одному химическому элементу, то есть все атомы одного химического элемента имеют одинаковый заряд ядра.

Нуклиды принято обозначать straight Э presubscript Z presuperscript A, где Э — символ химического элемента, Z — число протонов в ядре (атомный номер элемента), A — массовое число, равное суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Например, straight C presubscript 6 presuperscript 12, He presubscript 2 presuperscript 4, Cl presubscript 17 presuperscript 35.

Большинство химических элементов в природе существует в виде нескольких нуклидов. Так, у кремния три стабильных нуклида, а у олова их десять.

img

В настоящее время для 118 элементов известно более 3400 нуклидов.

Например, существующие в природе нуклиды straight H presubscript 1 presuperscript 1, straight H presubscript 1 presuperscript 2 и straight H presubscript 1 presuperscript 3 — изотопы водорода, так как принадлежат одному и тому же химическому элементу, но различаются числом нейтронов в ядре атома (рис. 12). Их называют водород-1, или протий (H), водород-2, или дейтерий (D), водород-3, или тритий (T). Массы атомов водорода-1, водорода-2 и водорода-3 равны 1,008, 2,014 и 3,016 а. е. м., или приблизительно 1, 2 и 3 а. е. м.

Рис. 12. Схема строения изотопов водорода
Рис. 12. Схема строения изотопов водорода

Вещества, содержащие различные изотопы, практически не отличаются химическими свойствами, но имеют различия в некоторых физических свойствах. Например, вода H2O, в состав молекул которой входит протий, замерзает при 0 °С. В то же время вода, состоящая из молекул D2O, замерзает при 3,81 °С, а из молекул T2O — при 4,48 °С.

Значение атомных масс изотопов и их относительное содержание определяют методом масс-спектроскопии. Именно с учётом значений атомных масс изотопов и их доли в природе вычисляют относительную атомную массу химических элементов.

Уточним определение, приведённое ранее на с. 7. Относительная атомная масса химического элемента — физическая величина, равная отношению усреднённой массы атомов элемента к 1 over 12 части массы атома углерода-12 (12С). Теперь становится понятным, что подразумевается под термином «усреднённая масса» атомов элемента. Её можно рассчитать, имея сведения о точном значении массы и распространённости изотопов элемента. Покажем этот расчёт на следующем примере.

Пример 1. Известно, что химический элемент кислород в природе представлен тремя изотопами: straight O presubscript 8 presuperscript 16, straight O presubscript 8 presuperscript 17 и straight O presubscript 8 presuperscript 18. Их относительные атомные массы соответственно равны 15,995, 16,999 и 17,999. В изотопной смеси на долю атомов кислорода-16 приходится 99,757 %, кислорода-17 — 0,038 %, а кислорода-18 — 0,205 %. Рассчитайте относительную атомную массу элемента кислорода.

Решение. Для наглядности расчёта выделим 100 000 атомов этой изотопной смеси. Тогда в ней будет 99 757 атомов кислорода-16, всего лишь 38 атомов кислорода-17 и 205 атомов кислорода-18. Для определения среднего значения относительной атомной массы кислорода, очевидно, надо сложить массы всех атомов и разделить на число этих атомов:

A subscript straight r left parenthesis straight O right parenthesis equals fraction numerator 15 comma 995 space times space 99 space 757 space plus space 16 comma 999 space times space 38 space plus space 17 comma 999 space times space 205 over denominator 100 space 000 end fraction equals 15 comma 999.

Полученное значение совпадает с тем, что приведено в периодической системе.

Относительная атомная масса химического элемента — это усреднённое значение относительных атомных масс его изотопов с учётом их распространённости.

Следует помнить, что каждому нуклиду присуще определённое массовое число. Нельзя говорить о массовом числе химического элемента, так как в природе у одного и того же химического элемента может быть несколько изотопов.

Небольшие различия физических свойств веществ, включающих разные изотопы одного и того же элемента, приводят к тому, что изотопный состав вещества зависит от способа его получения и существования. Например, сахароза свекловичного сахара содержит меньше нуклида 13C, чем сахароза, выделенная из сахарного тростника. Такие различия нередко позволяют определить происхождение вещества. Сведения об изотопном составе веществ используются в геологии, медицинской диагностике, криминалистике, для контроля состояния окружающей среды.

img

В природе 21 химический элемент существует в виде лишь одного стабильного нуклида. К ним относятся Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Pa. Их относительные атомные массы в периодической системе указаны с точностью, значительно большей, чем для элементов, существующих в виде смеси изотопов.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Относительный заряд ядра определяется числом содержащихся в нём протонов и равен порядковому номеру соответствующего химического элемента.

Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но разного числа нейтронов.

Относительная атомная масса химического элемента — это усреднённое значение относительных атомных масс его изотопов с учётом распространённости изотопов элемента.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите:

  • а) частицы, входящие в состав атома;
  • б) нуклид, который не содержит нейтронов.

2. Приведите обозначения нуклидов хлор-35 и хлор-37, йод-127 и йод-131 в виде Э presubscript Z presuperscript A.

3. Используя данные таблицы 4, сравните характеристики:

  • а) протона и нейтрона;
  • б) протона и электрона.

4. Ответьте на вопросы:

  • а) почему в результате химических реакций не происходит превращения одних элементов в другие;
  • б) какая атомная масса химических элементов указана в периодической системе — относительная или абсолютная;
  • в) почему масса ядра меньше суммарной массы протонов и нейтронов, составляющих ядро?

5. Определите число протонов и нейтронов в ядрах изотопов углерода с массовыми числами 12, 13 и 14.

6. Укажите число электронов в следующих атомах и ионах: H, H+, He, Au, Cа2+.

7. Определите, сколько разновидностей молекул воды может образоваться из кислорода и водорода, если имеется смесь атомов водорода и кислорода, включающая нуклиды: straight H presubscript 1 presuperscript 1, straight H presubscript 1 presuperscript 2, straight O presubscript 8 presuperscript 16, straight O presubscript 8 presuperscript 17, straight O presubscript 8 presuperscript 18.

8. Сопоставьте состав нуклидов 40Ar, 40K, 40Ca, а также 3H, 3He и 14С, 14N. Можно ли однозначно установить принадлежность атома к определённому элементу только на основании величины его массового числа?

9. Рассчитайте относительную атомную массу природной меди, если известно, что она состоит из двух изотопов 63Cu (69 %) и 65Cu (31 %), причём Аr(63Cu) = 62,93, Аr(65Cu) = 64,93. Ответ проверьте по периодической системе Менделеева.

10. Известно, что химический элемент углерод в природе представлен двумя стабильными изотопами углерод-12 и углерод-13, относительные атомные массы которых соответственно равны 12,000000 и 13,003355. На долю атомов углерода-12 приходится 98,90 %, а на долю атомов углерода-13 — 1,10 %. Рассчитайте относительную атомную массу углерода и сопоставьте полученное значение с тем, что приведено в периодической системе.

Повышенный уровень

*Самоконтроль

1. Число протонов в ядре атома равно:

  • а) числу нейтронов в ядре;
  • б) числу электронов, принадлежащих данному атому;
  • в) порядковому номеру химического элемента;
  • г) относительному заряду ядра атома.

2. Изотопам углерода соответствуют записи:

  • а) straight Э presubscript 6 presuperscript 14;
  • б) straight Э presubscript 12 presuperscript 24;
  • в) straight Э presubscript 6 presuperscript 12;
  • г) straight Э presubscript 6 presuperscript 13.

3. В записи Al presubscript 13 presuperscript 27 число 27 является:

  • а) числом протонов;
  • б) массовым числом;
  • в) суммой числа протонов и числа нейтронов;
  • г) числом электронов.

4. Одинаковое число нуклонов (нуклоны — протоны и нейтроны) содержат нуклиды:

  • а) straight K presubscript 19 presuperscript 40;
  • б) Ca presubscript 20 presuperscript 40;
  • в) Zr presubscript 40 presuperscript 91;
  • г) Zr presubscript 40 presuperscript 90.

5. Ядро нуклида Fe presubscript 26 presuperscript 56 содержит:

  • а) 26 электронов и 26 протонов;
  • б) 56 нейтронов и 26 протонов;
  • в) 30 нейтронов и 26 протонов;
  • г) 30 нейтронов и 26.