Строение атома

Цели урока

• Определять состав атома по положению элемента в Периодической системе
• Различать изотопы одного элемента
• Рассчитывать число протонов, нейтронов и электронов

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание 1 ЕГЭ напрямую проверяет знание строения атома: от вас требуется определить число протонов, нейтронов и электронов, понимать, что такое изотопы, и ориентироваться в распределении электронов по уровням. Без чёткого представления о строении атома невозможно понять ни химическую связь, ни периодические закономерности, ни электронные конфигурации – а это фундамент для десятков заданий.

Теория

Состав атома

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро несёт положительный заряд и сосредоточивает в себе практически всю массу атома. Электронная оболочка образована отрицательно заряженными электронами.

В ядре находятся два типа частиц – нуклоны:

• Протоны ($p^+$) – положительно заряженные, масса $\approx 1$ а.е.м., заряд $+1$
• Нейтроны ($n^0$) – электрически нейтральные, масса $\approx 1$ а.е.м., заряд $0$

Электроны ($e^-$) – отрицательно заряженные частицы, масса в 1836 раз меньше массы протона, заряд $-1$. Электроны определяют химические свойства элемента.

Порядковый номер и массовое число

Из Периодической системы можно извлечь ключевую информацию о любом атоме:

Порядковый номер ($Z$) = число протонов в ядре = заряд ядра. Для нейтрального атома число электронов тоже равно $Z$.

Массовое число ($A$) = число протонов + число нейтронов:

$$A = Z + N$$

Отсюда число нейтронов:

$$N = A - Z$$

Нуклид - атом с определенным значением заряда ядра (атомного номера, протонного числа) и массового числа.

Запись нуклида: $^A_Z X$, где $X$ – символ элемента. Например, $^{23}_{11}Na$ означает: 11 протонов, 12 нейтронов, массовое число 23.

Изотопы - нуклиды одного химического элемента с различными массовыми числами.

Как определить состав атома по Периодической системе:

1. Порядковый номер → число протонов (и электронов у нейтрального атома)
2. Округлённая атомная масса → массовое число основного изотопа
3. Массовое число − порядковый номер → число нейтронов

Ионы: когда число электронов не равно числу протонов

Нейтральный атом содержит одинаковое количество протонов и электронов. При образовании ионов число протонов остаётся неизменным (ядро не меняется), а число электронов изменяется:

• Катион (положительный ион): атом отдал электроны. Число электронов $= Z - \text{заряд иона}$. Пример: $Na^+$ – 11 протонов, 10 электронов. $Fe^{3+}$ – 26 протонов, 23 электрона.
• Анион (отрицательный ион): атом принял электроны. Число электронов $= Z + |\text{заряд иона}|$. Пример: $Cl^-$ – 17 протонов, 18 электронов. $O^{2-}$ – 8 протонов, 10 электронов.

Частая ловушка на ЕГЭ – вопрос о числе электронов в ионе. Запомните: протоны не меняются никогда, меняются только электроны.

Изотопы

Изотопы – разновидности атомов одного элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов), но различное число нейтронов. У изотопов одинаковые химические свойства (определяются электронной оболочкой), но разные массовые числа и, как следствие, немного разные физические свойства.

Примеры:

• Водород: $^1H$ (протий, 0 нейтронов), $^2H$ (дейтерий $D$, 1 нейтрон), $^3H$ (тритий $T$, 2 нейтрона, радиоактивен)
• Углерод: $^{12}C$ (6 нейтронов, 98,9 %), $^{13}C$ (7 нейтронов, 1,1 %), $^{14}C$ (8 нейтронов, радиоактивен – радиоуглеродное датирование)
• Хлор: $^{35}Cl$ (75 %) и $^{37}Cl$ (25 %) – поэтому средняя атомная масса 35,5

Атомные массы в Периодической системе – это средневзвешенные значения по природным изотопам. Если $A_r$ элемента сильно отличается от целого числа (как у хлора – 35,5), это свидетельствует о существенном вкладе нескольких изотопов.

Почему электроны не «падают» на ядро

Электрон притягивается к положительному ядру, но не падает на него. В квантовой механике электрон описывается не траекторией, а волновой функцией – облаком вероятности. У каждого электрона есть минимально возможная энергия ($1s$-состояние), ниже которой опуститься нельзя. Поэтому атом устойчив.

Примеры

Пример 1. Определение состава атома

Задача: Определите число протонов, нейтронов и электронов в атоме $^{56}Fe$ и ионе $Fe^{3+}$.

Решение: Порядковый номер железа $Z = 26$.

• Число протонов: 26 (и в атоме, и в ионе – ядро не меняется)
• Число нейтронов: $N = A - Z = 56 - 26 = 30$ (и в атоме, и в ионе)
• Число электронов в атоме: 26 (нейтральный атом)
• Число электронов в $Fe^{3+}$: $26 - 3 = 23$

Пример 2. Изотопы

Задача: Атом имеет 19 протонов и 20 нейтронов. Определите элемент, массовое число и запишите символ изотопа.

Решение: $Z = 19$ → это калий ($K$). $A = 19 + 20 = 39$. Символ: $^{39}_{19}K$.

Вопросы для самопроверки

1. Почему именно число протонов определяет принадлежность атома к тому или иному элементу, а не число нейтронов или электронов?
2. Чем изотопы $^{12}C$ и $^{14}C$ отличаются друг от друга? В чём их сходство?
3. Определите число протонов, нейтронов и электронов в ионе $^{27}Al^{3+}$.
4. Почему в Периодической системе у аргона атомная масса 40, а у калия – 39, хотя калий стоит после аргона? Не противоречит ли это закону?

Краткий конспект

• Атом = ядро (протоны + нейтроны) + электронная оболочка (электроны)
• $Z$ (порядковый номер) = число протонов = число электронов (в нейтральном атоме)
• $A$ (массовое число) $= Z + N$; $N = A - Z$
• Изотопы – атомы с одинаковым $Z$, но разным $N$; одинаковые химические свойства
• Электроны расположены на уровнях; максимум на $n$-м уровне $= 2n^2$
• Номер периода = число уровней; номер группы (главная) = число внешних электронов
• В катионе электронов меньше, чем протонов; в анионе – больше

Что изучать дальше

Следующий шаг – урок 3 «Электронные конфигурации атомов и ионов»: вы научитесь записывать электронные конфигурации любых элементов и увидите, как они связаны с положением в Периодической системе. Также в уроке 4 «Периодический закон и закономерности изменения свойств» вы изучите закономерности изменения свойств по периодам и группам.