Текст учебника. Урок 2. Атомы химических элементов. Состав атома

Атомы химических элементов

§1. Состав атома. Основные характеристики

Введение
С древних времен ученые размышляли о том, из чего состоят все окружающие нас вещества. Понятие «атом», введенное еще древнегреческим философом Демокритом, долгое время означало мельчайшую, неделимую частицу вещества. Однако к началу XX века многочисленные эксперименты (например, опыты с катодными лучами) доказали, что атом имеет сложное строение и состоит из еще более мелких частиц.

1.1. Строение атома: ядро и электроны

Современная модель атома напоминает Солнечную систему и называется планетарной. В центре атома находится крошечное, но массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого, подобно планетам, движутся легкие, отрицательно заряженные электроны (ē).

• Атомное ядро состоит из двух типов частиц:

  • Протоны (p⁺) – частицы с положительным зарядом (+1). Их относительная масса условно принята за 1.

  • Нейтроны (n⁰) – частицы, не имеющие заряда (нейтральные). Их относительная масса также примерно равна 1.

• Электроны (ē) – частицы с отрицательным зарядом (-1). Их масса ничтожно мала (примерно в 1840 раз меньше массы протона) и в расчетах массы атома ею обычно пренебрегают.

Так как атом в целом электронейтрален, то число протонов в ядре всегда равно числу электронов в оболочке.

Вывод: Масса атома практически полностью сосредоточена в его ядре, а главной характеристикой элемента является заряд его ядра.

1.2. Атомный номер и массовое число

Как же отличить атомы разных химических элементов? Ключ к ответу хранится в Периодической системе Д.И. Менделеева.

• Атомный номер (Z) – это порядковый номер элемента в Периодической системе.

  • Он равен заряду ядра атома (числу протонов).

  • Он равен числу электронов в атоме.

  Формула: Z = p⁺ = e⁻

• Массовое число (A) – это сумма числа протонов и нейтронов в ядре атома. Поскольку масса электронов ничтожна, это число показывает относительную массу атома.

  Формула: A = p⁺ + n⁰

Зная атомный номер и массовое число, можно легко найти число нейтронов:

n⁰ = A – Z

Для краткой характеристики атома используют запись, где снизу указывают атомный номер, а сверху – массовое число. Например, атом алюминия с зарядом ядра +13 и массовым числом 27 записывается как ²⁷₁₃Al.

1.3. Изотопы. Относительная атомная масса

Оказывается, атомы одного и того же химического элемента могут иметь разную массу. Почему?

• Изотопы – это атомы одного и того же элемента (с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре.

  Пример: Рассмотрим изотопы водорода:

  • Протий ¹₁H – в ядре 1 протон и 0 нейтронов.

  • Дейтерий ²₁H – в ядре 1 протон и 1 нейтрон.

  • Тритий ³₁H – в ядре 1 протон и 2 нейтрона.

Все они являются атомами водорода (Z=1), но имеют разную массу.

В природе большинство элементов существует в виде смеси нескольких изотопов. Поэтому масса атомов данного элемента в природе – величина усредненная.

• Относительная атомная масса (Aᵣ) – это физическая величина, которая показывает, во сколько раз масса атома данного элемента больше 1/12 массы атома углерода ¹²₆C.

Именно относительную атомную массу мы видим в Периодической системе. Она является средней величиной масс всех природных изотопов с учетом их распространенности. Этим объясняется, почему Aᵣ многих элементов (например, хлора ~35,5) не является целым числом.

1.4. Строение электронных оболочек атомов. Энергетические уровни

Электроны в атоме движутся не хаотично, а располагаются на определенных энергетических уровнях (слоях), которые подобны ступенькам лестницы. Чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает.

• Энергетические уровни нумеруются, начиная от ядра: 1, 2, 3, 4 и т.д.

• На каждом уровне может помещаться строго определенное максимальное число электронов.

Максимальное число электронов на уровне можно рассчитать по формуле:
Nmax = 2n², где n – номер уровня.

• 1-й уровень (n=1): макс. 2 ē

• 2-й уровень (n=2): макс. 8 ē

• 3-й уровень (n=3): макс. 18 ē

Электроны заполняют уровни последовательно, начиная с самого нижнего, первого уровня, обладающего минимальной энергией.

Примеры строения атомов:

1. Водород (H, Z=1):

   • Число электронов = 1.

   • Схема электронного строения: 1)

   • Электронная формула: 1

2. Гелий (He, Z=2):

   • Число электронов = 2.

   • Схема электронного строения: 2)

   • Электронная формула: 2

3. Литий (Li, Z=3):

   • Число электронов = 3.

   • Первый уровень заполнен (2 ē), оставшийся электрон располагается на втором уровне.

   • Схема электронного строения: 2) 1)

   • Электронная формула: 2; 1

4. Кислород (O, Z=8):

   • Число электронов = 8.

   • Схема электронного строения: 2) 6)

   • Электронная формула: 2; 6

Важно: Число энергетических уровней в атоме равно номеру периода, в котором расположен элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Ключевые термины и понятия:

• Атом, ядро, протон, нейтрон, электрон

• Атомный номер, массовое число

• Изотопы, относительная атомная масса

• Электронная оболочка, энергетический уровень

Проверь себя:

1. Объясните, почему атом в целом электронейтрален.

2. Определите состав атома серы ³²₁₆S (число протонов, нейтронов, электронов).

3. Что такое изотопы? Чем различаются изотопы одного элемента?

4. Составьте схему строения электронной оболочки атома фосфора (Z=15).