Глава IV.30 Основные сведения о строении атома

Открытия, сделанные наукой в конце ХIХ – начале XX в., доказали, что атом делим – он состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил модель атома, напоминающую строение Солнечной системы (рис. 69). Эта модель получила название планетарной.

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Ядро – это самая тяжёлая, при этом самая маленькая часть атома. Вокруг ядра располагаются отрицательно заряженные электроны, совокупность которых называется электронной оболочкой.

Радиус ядра примерно в 100 тыс. раз меньше размеров всего атома. Ядро можно сравнить с футбольным мячом, положенным в центре поля, а атом – с современным стадионом.

Ядро атома образовано элементарными частицами двух видов: протонами ${}_1{}^1р$ и нейтронами ${}_0{}^{1}n$. И те и другие называют общим термином нуклоны (от лат. nucleus – ядро).

Электроны $\stackrel{\mathrm{\_}}{e}$ очень малы. Масса электрона равна 9,11 ∙ 10^–31 кг, т. е. в 1833 раза меньше массы протона, которая равна 1,67 ∙ 10^–27 кг.

Электроны – это отрицательно заряженные элементарные частицы, обладающие наименьшим электрическим зарядом, принятым за единицу, у электрона он равен –1. Все известные положительные и отрицательные заряды частиц (протонов и ионов) обычно сравнивают с этой единицей. Так, заряд протона равен +1. Масса протона также принята равной 1.

Атом в целом не имеет электрического заряда, так как число протонов в ядре равно числу электронов в электронной оболочке.

Атомы в процессе химических реакций могут отдать или получить один или несколько электронов. В этом случае они перестают быть электронейтральными и получают положительный или отрицательный заряды, т. е. превращаются в ионы.

(Определите количество протонов в ядрах атомов водорода, углерода, рутения.)

В ядре атома водорода – 1 протон, в ядре атома углерода – 6 протонов, в ядре атома рутения – 44 протона.

Следовательно, атомы одного химического элемента всегда имеют одинаковое число протонов, т. е. одинаковый положительный заряд ядра. Это позволяет дать более точное определение понятию «химический элемент».

Помимо протонов, в ядре атома содержатся нейтроны. Они не имеют заряда, не изменяют его величину, но определяют массу ядра. Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Масса нейтрона, как и протона, равна 1, т. е. 1/12 массы атома углерода (см. § 6). Значит, масса ядра атома (в относительных единицах) равна сумме числа протонов и нейтронов. Эту величину называют массовым числом атома и обозначают буквой А.

Порядковый номер элемента принято обозначать цифрой слева внизу от символа химического элемента, а массовое число — слева вверху. Например, для атома натрия:

${}_{11}{}^{23}\mathrm{Na}$

Массовое число, число протонов и нейтронов в ядре рассчитывается по формуле:

A = Z + N

Используя эту формулу, можно рассчитать число нейтронов в ядре атома любого химического элемента по известному массовому числу. Например, в ядре атома лития ${}_3{}^7\mathrm{Li}$ четыре нейтрона (7 – 3 = 4), в ядрах атомов кислорода ${}_8{}^{16}\mathrm{O}$ восемь нейтронов (16 – 8 = 8), в ядрах атомов фосфора ${}_{15}{}^{31}\mathrm{P}$ – шестнадцать (31 – 15 = 16), в ядрах атомов золота ${}_{79}{}^{197}\mathrm{Au}$ – сто восемнадцать (197 – 79 = 118).

Основные сведения о частицах, образующих атом, обобщены в таблице 15.

Таблица 15

Сравнительная характеристика элементарных частиц

Ядра атомов химического элемента всегда содержат одно и то же число протонов, а вот число нейтронов в них, оказывается, может быть различным. Например, в ядре любого атома хлора 17 протонов, но в природе встречаются атомы хлора с массовыми числами 35 и 37. Значит, число нейтронов в их ядрах соответственно равно 18 и 20.

Своё название изотопы получили от двух греческих слов: isos – равный, topos – место, т. е. изотопы определённого химического элемента занимают одно место (одну и ту же клетку) в таблице Д. И. Менделеева.

Изотопы хлора обозначаются ${}_{17}{}^{35}\mathrm{Cl}$ и ${}_{17}{}^{37}\mathrm{Сl}$ (читают «хлор-35» и «хлор-37»). Причём из каждых четырёх атомов хлора три атома – это лёгкие изотопы. Любое природное соединение хлора имеет именно такое соотношение изотопов – 75% ${}_{17}{}^{35}\mathrm{Cl}$  и 25% ${}_{17}{}^{37}\mathrm{Cl}$.

Среднюю относительную атомную массу хлора рассчитывают с учётом содержания его изотопов в природе:

$A_{\mathit{r}}\left(\mathrm{Cl}\right) = \frac{A_{\mathit{r}}\left({}_{17}{}^{35}\mathrm{Cl}\right) · \omega \left({}_{17}{}^{35}\mathrm{Cl}\right) + A_r\left({}_{17}{}^{37}\mathrm{Cl}\right) · \omega \left({}_{17}{}^{37}\mathrm{Cl}\right)}{100 \%} = \frac{35 · 75 \% + 37 · 25 \%}{100 \%} = 35,5$ 

Но данная формула учитывает только массы ядер атомов. А как же быть с массой электронов? Она настолько мала, что не вносит поправки в округлённое значение относительной атомной массы.

Таким образом, относительные атомные массы элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева имеют дробные значения главным образом потому, что рассчитаны как средние величины для всех природных изотопов с учётом их распространённости. Так, заряд ядра атома аргона +18 (18 протонов), а калия +19 (19 протонов). Однако из двух природных изотопов калия ³⁹K и ⁴⁰K большая часть приходится на лёгкий изотоп, поэтому Ar  (K) ≈ 39. У аргона, напротив, преобладает тяжёлый изотоп A_r, поэтому A_r(Ar) ≈ 40.

Обычно вещества, образованные различными изотопами одного элемента, не различаются по свойствам.

За единицу массы элементарных частиц, атомов и молекул принята масса 1/12 массы атома углерода, причём не любого атома, а изотопа ¹²С.