Задачи на строение атома
Задачи на строение атома сводятся к определению числа протонов, нейтронов и электронов, а также к различению атома, изотопа и иона. Главное — правильно читать запись \(^{A}_{Z}X\) и учитывать заряд частицы.
1. Состав атома и обозначение нуклида
Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. В ядре находятся протоны и нейтроны; вместе их называют нуклонами. В нейтральном атоме вокруг ядра движутся электроны.
Протон имеет заряд \(+1\), нейтрон — заряд \(0\), электрон — заряд \(-1\). Число протонов определяет химический элемент и равно его порядковому номеру \(Z\). Массовое число \(A\) равно общему числу протонов и нейтронов.
Здесь \(A\) — массовое число, \(Z\) — число протонов, \(N\) — число нейтронов. Для нуклида используют запись \(^{A}_{Z}X\), где \(X\) — символ элемента. Например, \(^{23}_{11}\mathrm{Na}\) содержит 11 протонов и массовое число 23.
Число протонов находят по порядковому номеру элемента в периодической системе; подробнее алгоритм разобран на странице число протонов. Число электронов для нейтрального атома равно числу протонов: \(e=Z\). Если запись дана без массового числа, его обычно не требуется находить для определения протонов и электронов.
В нейтральном атоме положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки, поэтому \(p=e=Z\).
2. Изотопы и массовое число
Изотопы — это атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому у изотопов одинаковое \(Z\), но разные \(A\). Химические свойства изотопов близки, а масса и некоторые ядерные свойства различаются.
| Величина | Что показывает | Как найти |
|---|---|---|
| \(Z\) | число протонов; элемент | по порядковому номеру |
| \(A\) | протоны + нейтроны | указано в записи нуклида |
| \(N\) | число нейтронов | \(N=A-Z\) |
| \(e\) | число электронов | для нейтрального атома \(e=Z\) |
Определим состав частицы \(^{37}_{17}\mathrm{Cl}\).
Ответ: в атоме 17 протонов, 20 нейтронов и 17 электронов. Если сравнить его с \(^{35}_{17}\mathrm{Cl}\), число протонов останется равным 17, а число нейтронов станет \(35-17=18\). Это два изотопа хлора.
Сколько нейтронов содержит частица \(^{40}_{20}\mathrm{Ca}\)?
3. Ионы: как учитывать заряд
Ион — это заряженная частица, образовавшаяся из атома при потере или присоединении электронов. Число протонов при этом не изменяется: изменение числа протонов означало бы превращение в другой химический элемент.
Если заряд иона равен \(q\) и записан в единицах элементарного заряда, то \(q=p-e\). Поэтому \(e=p-q=Z-q\). Для катиона \(q>0\), электронов меньше, чем протонов; для аниона \(q<0\), электронов больше.
- Для катиона \(\mathrm{Na^+}\): \(e=11-1=10\).
- Для катиона \(\mathrm{Mg^{2+}}\): \(e=12-2=10\).
- Для аниона \(\mathrm{Cl^-}\): \(e=17-(-1)=18\).
- Для аниона \(\mathrm{O^{2-}}\): \(e=8-(-2)=10\).
При записи \(^{A}_{Z}X^{q}\) сначала находят \(Z\) и \(A\), затем вычисляют \(N=A-Z\), а число электронов — по заряду. Такой порядок уменьшает риск перепутать массовое число и заряд.
Найдём состав иона \(^{27}_{13}\mathrm{Al^{3+}}\).
Ответ: 13 протонов, 14 нейтронов и 10 электронов. Проверка: заряд равен \(13-10=+3\), поэтому результат согласуется с записью иона.
4. Универсальный алгоритм решения
- Запишите из обозначения частицы массовое число \(A\) и порядковый номер \(Z\).
- Определите число протонов: \(p=Z\).
- Вычислите число нейтронов: \(N=A-Z\).
- Определите заряд частицы. Если заряд не указан, атом нейтрален.
- Найдите число электронов: для нейтрального атома \(e=Z\), для иона \(e=Z-q\).
- Проверьте ответ: \(A=p+N\), а заряд должен удовлетворять равенству \(q=p-e\).
Если в условии сказано «частица содержит 8 электронов и 10 протонов», сначала найдите заряд: \(q=p-e=10-8=+2\). Затем определите элемент по \(Z=10\): это не кислород, а неоновая частица \(\mathrm{Ne^{2+}}\) в условной записи задачи. Если дано число нейтронов и протонов, массовое число находят сложением.
1. Путают \(A\) и \(Z\): \(A\) не является числом протонов. 2. Для иона считают электроны равными \(Z\), забывая заряд. 3. При заряде \(-1\) вычитают один электрон, хотя анион получает электрон. 4. Изменяют число протонов при образовании иона. 5. Называют изотопами частицы с разными \(Z\): изотопы обязаны иметь одинаковое число протонов.
5. Задачи по данным о частице
Иногда обозначение нуклида не дано напрямую. Тогда удобно составить систему по смыслу условия. Например, если известно, что в ядре 15 протонов и 16 нейтронов, то \(Z=15\), \(A=15+16=31\). По \(Z=15\) находят фосфор, а нейтральный атом содержит 15 электронов.
Если известны массовое число и число нейтронов, число протонов находят так: \(Z=A-N\). Если известны массовое число и число протонов, сразу вычисляют нейтроны. Для среднего относительного атомного веса смеси изотопов используется отдельный алгоритм на странице расчёт относительной атомной массы; не смешивайте массовое число конкретного изотопа со средней атомной массой элемента.
При изучении электронной оболочки могут встретиться понятия число электронов, подуровень и вместимость орбитали. Для задач этого конспекта достаточно сначала установить общее число электронов, а распределение по оболочкам и подуровням выполнять только если оно отдельно требуется.
Итоговая проверка
Главное
- \(Z\) равно числу протонов и определяет химический элемент.
- \(A=p+N\), поэтому \(N=A-Z\).
- В нейтральном атоме \(e=Z\); заряд иона считают по формуле \(q=Z-e\).
- Катионы имеют меньше электронов, анионы — больше, чем нейтральные атомы.
- Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но различаются числом нейтронов.
- Всегда завершайте решение проверкой: \(A=p+N\) и \(q=p-e\).