Химия. 11 класс

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).

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

Массу ядра (m_z) можно приблизительно определить, суммировав массы всех протонов (Zm_p) и нейтронов (Nm_n), из которых оно состоит.

Точное значение массы ядра немного меньше этой суммы:

m_z < Zm_p + Nm_n.

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.

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 , 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, , , .

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

Например, существующие в природе нуклиды , и  — 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.

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 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.

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.