Электроны, протоны и нейтроны
Всё вокруг состоит из атомов. Долгое время люди думали, что атом нельзя разделить. Потом учёные нашли внутри него ещё более мелкие частицы.
- Электрон (e⁻): открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Заряд −1. Очень лёгкий: примерно 1/1836 массы протона. Движется вне ядра.
- Протон (p⁺): обнаружен при изучении каналовых лучей (Э. Гольдштейн, 1886). Заряд +1. Масса около 1 а.е.м. (u).
- Нейтрон (n): открыт Дж. Чедвиком в 1932 году. Заряда нет. Масса около 1 u, чуть больше, чем у протона. Нейтроны есть в каждом атоме, кроме обычного водорода.
В атоме протонов столько же, сколько электронов. Заряды + и − гасят друг друга, поэтому весь атом не имеет заряда (он нейтрален).
Модели атома: Томсон, Резерфорд и Бор
Модель Томсона
Томсон считал, что атом — это шар с положительным зарядом. Внутри него сидят электроны, как косточки в арбузе. Положительный и отрицательный заряды равны, поэтому атом нейтрален. Проблема: эта модель не могла объяснить результат Резерфорда.
Опыт Резерфорда с альфа-частицами
Резерфорд направил быстрые альфа-частицы (ядра гелия, заряд +2) на очень тонкую золотую фольгу. Он увидел три вещи:
- Большинство альфа-частиц прошло насквозь. Значит, большая часть атома — пустое пространство.
- Некоторые отклонились на небольшие углы. Значит, в атоме есть положительный заряд, который их отталкивает.
- Совсем немногие (примерно 1 из 12 000) отскочили прямо назад. Значит, весь положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в очень маленьком центре — ядре.
Его модель: крошечное положительное ядро и электроны, которые вращаются вокруг него, как планеты вокруг Солнца. Ядро примерно в 100 000 раз меньше атома. Проблема: заряженная частица, движущаяся по кругу, должна терять энергию и упасть на ядро. Тогда атомы были бы неустойчивы. Но они устойчивы.
Модель Бора
Нильс Бор исправил эту проблему. Он сказал, что электроны могут двигаться только по определённым орбитам, которые называются слоями или энергетическими уровнями. Пока электрон находится в слое, он не теряет энергию. Слои называются K, L, M, N (или n = 1, 2, 3, 4) и идут от ядра наружу.
Слои K, L, M, N: как расположены электроны
Правила для первых 20 элементов (схема Бора–Бери):
- В слое n может быть не больше 2n² электронов: K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
- В самом внешнем слое не может быть больше 8 электронов.
- Сначала заполняются внутренние слои. Новый слой начинает заполняться только тогда, когда предыдущий полон (для первых 20 элементов).
Примеры: углерод (6) = 2, 4. Натрий (11) = 2, 8, 1. Хлор (17) = 2, 8, 7. Кальций (20) = 2, 8, 8, 2. Открой шаг 4 в 3D и посмотри, как слои натрия заполняются один за другим.
Валентность, атомный номер и массовое число
Валентность
Электроны самого внешнего слоя называются валентными электронами. Атомы стремятся иметь полный внешний слой (8 электронов, а у гелия 2). Это называется октетом. Атомы с полным внешним слоем, например неон и аргон, не вступают в реакции, поэтому их валентность равна 0.
Валентность — это соединительная способность атома, то есть сколько электронов он отдаёт, принимает или делит, чтобы получить полный внешний слой.
- Если внешних электронов от 1 до 4: валентность = число внешних электронов. Натрий (2, 8, 1) → 1. Магний (2, 8, 2) → 2.
- Если внешних электронов от 5 до 7: валентность = 8 − число внешних электронов. Кислород (2, 6) → 8 − 6 = 2. Хлор (2, 8, 7) → 1.
Атомный номер (Z)
Это число протонов в ядре. Оно определяет элемент. У каждого атома углерода Z = 6. В нейтральном атоме число электронов равно Z.
Массовое число (A)
Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. Массовое число = протоны + нейтроны. Поэтому нейтроны = A − Z. Атом записывают как ₆¹²C: A сверху, Z снизу.
Изотопы и изобары
Изотопы
Атомы одного и того же элемента (одинаковое Z) с разными массовыми числами (разное число нейтронов). У водорода их три: протий ¹H (0 нейтронов), дейтерий ²H (1 нейтрон), тритий ³H (2 нейтрона). У хлора есть ³⁵Cl и ³⁷Cl.
У изотопов одинаковые электроны, поэтому у них одинаковые химические свойства. Массы разные, поэтому некоторые физические свойства отличаются.
Почему масса хлора равна 35.5 u? В природе примерно 3 из 4 атомов хлора — это ³⁵Cl, и 1 из 4 — это ³⁷Cl. Среднее = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.
Применение: уран-235 — топливо в ядерных реакторах, кобальт-60 — для лечения рака, йод-131 — для лечения зоба, углерод-14 — для определения возраста старых предметов.
Изобары
Атомы разных элементов (разное Z) с одинаковым массовым числом. Пример: ⁴⁰₁₈Ar и ⁴⁰₂₀Ca. У них разные электроны, поэтому разные химические свойства.
Попробуй: собери атом дома
Возьми мелкие предметы трёх цветов: красные бусины (протоны), чёрный горох (нейтроны) и жёлтые зёрнышки (электроны). Нарисуй на бумаге три круга для K, L, M.
- Выбери элемент, например кислород: Z = 8, A = 16.
- Положи в центр 8 красных и 16 − 8 = 8 чёрных.
- Разложи 8 жёлтых по кругам: 2 на K, 6 на L.
- Предскажи валентность (8 − 6 = 2). Теперь проверь в 3D: на последнем шаге выбери кислород-16.
Потом добавь в центр ещё 2 чёрные горошины. Ты только что сделал изотоп! Элемент не изменился, потому что число красных бусин не изменилось.
Главные формулы и определения
- Атомный номер Z = число протонов = число электронов (нейтральный атом)
- Массовое число A = протоны + нейтроны
- Нейтроны = A − Z
- Максимум электронов в слое n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Валентность = число внешних электронов (если 1–4) или 8 − число внешних электронов (если 5–7)
- Средняя атомная масса = сумма (масса изотопа × доля)
Разобранные примеры
1. В атоме 9 протонов и 10 нейтронов. Найди Z, A и число электронов.
Шаг 1: Z = число протонов = 9. Шаг 2: A = 9 + 10 = 19. Шаг 3: атом нейтрален, значит электронов 9. Это фтор.
2. Запиши распределение электронов кислорода (Z = 8) и найди его валентность.
Шаг 1: в K помещается 2, остаётся 6. Шаг 2: в L идут 6. Получаем 2, 6. Шаг 3: внешних электронов 6, это больше 4. Валентность = 8 − 6 = 2.
3. У магния Z = 12 и A = 24. Найди число нейтронов, распределение и валентность.
Нейтроны = 24 − 12 = 12. Распределение: K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Внешних электронов 2, значит валентность = 2.
4. У хлора Z = 17. Почему его валентность 1, а не 7?
Распределение 2, 8, 7. Ему нужен всего 1 электрон, чтобы получилось 8. Принять 1 легче, чем отдать 7, поэтому валентность = 8 − 7 = 1.
5. Какая пара — изотопы, а какая — изобары? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.
¹²C и ¹⁴C: одинаковое Z (6), разное A → изотопы. ⁴⁰Ar и ⁴⁰Ca: одинаковое A (40), разное Z → изобары.
6. У элемента X два изотопа: ¹⁶X (90%) и ¹⁸X (10%). Найди его среднюю атомную массу.
Среднее = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.
7. Почему в опыте Резерфорда очень немногие альфа-частицы отскочили назад?
Сильный толчок от положительного заряда ядра почувствовала только та альфа-частица, которая подлетела совсем близко к крошечному ядру. Ядро так мало, что очень немногие частицы подлетели так близко. Поэтому назад отскочили очень немногие.
Частые ошибки
- Путать атомный номер и массовое число. Z считает только протоны; A считает протоны и нейтроны.
- Писать валентность хлора 7. Когда внешних электронов от 5 до 7, валентность = 8 − число внешних электронов.
- Думать, что у изотопов разное число протонов. Изотопы отличаются только нейтронами; изобары отличаются протонами.
- Ставить 18 электронов в слой M у калия. Для первых 20 элементов во внешнем слое не больше 8, поэтому у K распределение 2, 8, 8, 1.