Строение атома. Изотопы (протоны, нейтроны, электроны, атомный номер, массовое число) — тренажёр для 8 класса

Определение

Атом — это электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро содержит протоны (заряд +1, масса ≈ 1 а. е. м.) и нейтроны (заряд 0, масса ≈ 1 а. е. м.), электронная оболочка — электроны (заряд −1, масса примерно в 1836 раз меньше массы протона).

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре, а почти весь объём занимает электронная оболочка. Диаметр ядра примерно в 100 000 раз меньше диаметра атома: если ядро увеличить до размера вишни, атом стал бы размером со стадион.

Тема связывает строение вещества с периодической системой: атомный номер (порядковый номер) элемента равен заряду ядра, а положение элемента в таблице задаёт число электронов и строение оболочки. Через строение атома объясняются валентность, химическая активность и причины периодичности свойств.

Ключевые правила

Число протонов в ядре определяет химический элемент — изменение числа протонов превращает один элемент в другой.

1. Атомный номер Z = число протонов = заряд ядра = число электронов в нейтральном атоме. У серы Z = 16: 16 протонов, 16 электронов.
2. Массовое число A = число протонов + число нейтронов (A = Z + N). Массовое число — всегда целое, потому что считаются частицы.
3. Число нейтронов вычисляется вычитанием: N = A − Z. Для ⁴⁰Ca: N = 40 − 20 = 20.
4. Изотопы — разновидности атомов одного элемента с одинаковым Z, но разным числом нейтронов, а значит, разным A. Примеры: ³⁵Cl и ³⁷Cl.
5. Относительная атомная масса в таблице — средневзвешенное значение масс изотопов, поэтому она дробная (Cl — 35,45), а массовое число конкретного атома — целое.
6. Электроны заполняют оболочки по возрастанию энергии; вместимость уровня — не более 2n² электронов: на первом 2, на втором 8, на третьем (для первых 20 элементов) 8.

Разбор примеров

Пример 1. Атом натрия ²³Na. В таблице Z = 11, записано A = 23. Протонов 11, электронов 11, нейтронов N = 23 − 11 = 12. Распределение электронов: 2 на первом уровне, 8 на втором, 1 на третьем — запись 2, 8, 1 или 1s²2s²2p⁶3s¹. Вывод: один внешний электрон объясняет валентность I и активность щелочного металла.

Пример 2. Изотопы хлора ³⁵Cl и ³⁷Cl. У обоих Z = 17, следовательно 17 протонов и 17 электронов. Нейтронов: 35 − 17 = 18 и 37 − 17 = 20. Химические свойства одинаковы, потому что совпадает строение оболочки; различаются только массы ядер. Вывод: изотопы — атомы одного элемента, а не разные элементы.

Пример 3. Изотопы водорода. Протий ¹H — 1 протон, 0 нейтронов; дейтерий ²H — 1 протон, 1 нейтрон; тритий ³H — 1 протон, 2 нейтрона. Число нейтронов меняется от 0 до 2, но Z = 1 сохраняется. Вывод: ядро без нейтронов существует только у протия.

Пример 4. Определение элемента по составу ядра. В ядре 8 протонов и 8 нейтронов. Элемент задаётся протонами: Z = 8 — кислород. Массовое число A = 8 + 8 = 16, обозначение ¹⁶O. Вывод: по нейтронам элемент не определяют.

Пример 5. Электронная конфигурация серы. Z = 16, значит 16 электронов. Заполняем: 1s² (2 электрона), 2s²2p⁶ (8), остаётся 16 − 10 = 6 → 3s²3p⁴. Схема 2, 8, 6. Вывод: 6 внешних электронов — сера в VIA группе, до октета не хватает двух электронов.

Таблица

Типичные ошибки

Смешение массового числа и относительной атомной массы. Ошибка возникает из-за того, что в таблице стоит дробное число (Cu — 63,5). Неправильно: «нейтронов в меди 63,5 − 29 = 34,5». Правильно: округлить до целого или взять массовое число конкретного изотопа: ⁶³Cu → 63 − 29 = 34 нейтрона.

Подсчёт заряда ядра по всем частицам ядра. Нейтронам приписывают заряд. Неправильно: «у ⁷Li заряд ядра +7». Правильно: заряд создают только протоны, +3.

Изотопы принимают за разные элементы. Причина — разные массовые числа и разные названия (дейтерий, тритий). Неправильно: «дейтерий — самостоятельный элемент». Правильно: у всех изотопов водорода Z = 1, элемент один.

Перенос числа электронов атома на ион. Ошибка появляется, когда игнорируется заряд частицы. Неправильно: «в Na⁺ 11 электронов». Правильно: 11 − 1 = 10 электронов, протонов по-прежнему 11.

Заполнение третьего уровня 18 электронами у элементов третьего периода. Формулу 2n² применяют без учёта порядка энергий. Неправильно: аргон 2, 8, 18. Правильно: аргон 2, 8, 8 — далее заполняется 4s-подуровень (калий 2, 8, 8, 1).

Пошаговый алгоритм

1. Найдите элемент в периодической таблице и выпишите порядковый номер Z.
2. Запишите число протонов: p = Z; для нейтрального атома число электронов e = Z.
3. Возьмите массовое число A: из условия задачи (например, ⁵⁶Fe) либо округлите относительную атомную массу до целого.
4. Вычислите нейтроны: N = A − Z.
5. Если частица — ион, скорректируйте электроны: катион — вычесть заряд, анион — прибавить.
6. Распределите электроны по уровням в порядке 2 → 8 → 8 и запишите конфигурацию подуровнями (1s, 2s, 2p, 3s, 3p).
7. Проверьте: сумма электронов равна Z (или Z ± заряд иона), а p + N совпадает с A; номер периода равен числу заполненных уровней, номер группы (для главных подгрупп) — числу внешних электронов.

Как запомнить

• «Z — заряд»: порядковый номер = заряд ядра = протоны = электроны нейтрального атома.
• Формула-связка: A = Z + N, отсюда N = A − Z. Массовое число «сверху слева» у символа, заряд — «снизу слева»: ²³₁₁Na.
• Изотопы: «изо» — равный (протоны равны), «топ» — место (одно место в таблице); различие только в нейтронах.
• Ёмкость уровней: 2 — 8 — 8 для первых двадцати элементов; общая формула 2n².
• Номер периода = число электронных слоёв; номер группы А = число внешних электронов. Фосфор: 3-й период, VA → 2, 8, 5.