Онлайн школа №1 - Энциклопедия

Основные сведения о строении атома

План урока

Атом
Абсолютная масса атома
Относительная атомная масса
Нуклиды

Цели урока

знать понятия: атом, электрон, протон, нейтрон и состав ядра, протонное, нейтронное и массовое число, атомная единица массы, относительная атомная масса, нуклиды, изотопы, изобары, изотоны, химический элемент
уметь определять количество протонов, нейтронов и электронов, рассчитывать абсолютную атомную массу атомов, составлять формулу нуклида, рассчитать изотопный состав химического элемента

Историческая справка

Рис. 1. Веселый Демокрит, картина, Шарльз-Антуан Койпель, 1746

Греческий философ Демокрит (460–370 г. до н. э.) был первым человеком, который догадался, что все вещества состоят из крошечных частичек, которые нельзя разделить на более мелкие. Он и назвал эти частички атомами, что по-гречески значит «неделимые».

Рис. 2. Амедео Авогадро

Итальянский физик и химик Амедео Авогадро
(1776–1856) доказал, что атомы объединяются в молекулы. Он также установил, что равные объёмы любых газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое количество молекул. На основании этого открытия (сегодня мы знаем его как закон Авогадро) он смог придумать метод определения атомной и молекулярной массы всех химических элементов.

Атом

Атом — электронейтральная частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и связанными с атомами того же элемента или других элементов, образуя молекулы.

Рис. 3. Изображение атомов кристалла празеодима

Физики смогли «сфотографировать» отдельные атомы в рекордном разрешении. Искажения, которые можно увидеть на фотографии, обусловлены тепловыми колебаниями самих атомов. Используемая техника называется птихография. Исследователи планируют ещё больше улучшить изображение, охладив образец: это уменьшит дрожь атомов и приведёт к ещё более чёткой фотографии.

Схема 1. Строение атома

Протоны, нейтроны и электроны называются элементарными частицами.

Название	Обозначение	Масса	Заряд
Электрон	$\bar{e}$	$\approx 0$	$- 1$
Протон	p	1	$+ 1$
Нейтрон	n	1	0

Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом. Имеет свойства волны. Электроны, которые движутся вокруг ядер атомов, образуют электронные оболочки, определяющие электрические, оптические и химические свойства атомов и молекул. Важную роль играют валентные электроны, которые принимают участие в образовании химических связей, обычно это электроны внешнего слоя.

Протон — это частица, которая имеет положительный заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона — ₁р.

Нейтрон — нейтральная частица, заряд нейтрона равен 0. Символ нейтрона — ₀n.

Состав атомного ядра описывается формулой:

$\begin{array}{l} A = Z + N \\ Z = A - N \\ N = A - Z \end{array}$ .

Z — протонное число, показывает число протонов в ядре и их суммарную массу (относительную);

N — нейтронное число, показывает число нейтронов в ядре и их суммарную массу (относительную);

А — массовое (нуклонное) число — это сумма нейтронов и протонов в ядре и их суммарная масса (относительная).

Схема 2. Порядковый номер

Пример 1

Сколько электронов, протонов и нейтронов имеет сера-32?

Решение

₃₂

₁₆S — масса атома записывается в левом верхнем углу относительно элемента, а порядковый номер — в левом нижнем углу.

e = 16 — количество электронов принимаем равным порядковому номеру элемента

p = 16 — количество электронов принимаем равным порядковому номеру элемента

n = 32 − 16 = 16 — количество нейтронов равно разности между массовым числом и количеством протонов

Пример 2

Сколько нейтронов содержит ядра атомов ${}_{17}^{37}{Сl}, {}_{8}^{18}O, {}_{14}^{30}{Si}, {}_{9}^{19}F ?$

Решение

N(n)_Cl=A − Z = 37 − 17 = 20

N(n)_O=A − Z = 18 − 8 = 10

N(n)_Si= A − Z = 30 − 14 = 16

N(n)_F=A − Z = 19 − 9 = 10

Упражнение 1

Заполните свободные клетки в следующей таблице (каждая строка в таблице соответствует одному атому).

Атом	Число протонов	Число электронов	Заряд ядра (Z)	Число нейтронов	Число нуклонов
№ 1	1			0
№ 2		6			12
№ 3			+12	12
№ 4		80		120
№ 5	15				31

Абсолютная масса атома

Атомы — очень малые частицы, поэтому численные значения абсолютных масс для атомов приблизительно будут порядка от 10⁻²³ до 10⁻²² г, например, абсолютная масса атома хлора составляет 5,89 ∙ 10⁻²³ г. При проведении расчётов очень неудобно использовать такие численные значения, поэтому перешли от абсолютных к относительным массам.

Атомная единица массы (а. е. м.) — это $\frac{1}{12}$ часть абсолютной массы атома углерода. Атомная единица массы обозначается буковой u.

Относительная атомная масса элемента — безразмерная величина, равная отношению средней абсолютной массы атома (учитывая изотопное распределение) элемента к атомной единице массы, т. е. к $\frac{1}{12}$ массы атома изотопа ¹²С. Например, серебро находится в природе в виде двух изотопов — ¹⁰⁷Ag (52 % по массе) и ¹⁰⁹Ag (48 % по массе).

$Ar (Ag) = \frac{0, 52 \cdot m_{аб} ({}^{107}{Ag}) + 0, 48 \cdot m_{аб} ({}^{109}{Ag})}{u} = 107, 868$

Значения средних (с учётом изотопного распределения) относительных атомных масс элементов приведены в периодической таблице Д. И. Менделеева.

Пример 3

Рассчитайте массу трёх атомов кислорода.

Решение

$\frac{m}{M} = \frac{N}{N_{A}}$

$m (O) = \frac{N \cdot M (O)}{N_{A}} = \frac{3 \cdot 16}{6, 02 \cdot 10^{23}} = 7, 97 \cdot 10^{- 23} г$

Упражнение 2

Рассчитайте массу:

7 атомов фосфора;
13 атомов серебра;
25 атомов меди;
30 атомов цинка.

Нуклиды

Нуклиды — атом элемента с определённым количеством протонов и нейтронов.

К нуклидам относят изотопы, изобары, изотоны.

Изотопы — разные нуклиды одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре.

Изотопы — нуклиды с одинаковым Z, но различным A и N.

Изотопы кислорода: ${}_{8}^{16}O; {}_{8}^{17}O; {}_{8}^{18}O$ .

Изотопы водорода: ${}_{1}^{1}H$ — протий; ${}_{1}^{2}H$ — дейтерий; ${}_{1}^{3}H$ — тритий.

Изотопы калия: ${}_{19}^{39}K; {}_{19}^{40}K; {}_{19}^{41}K$ .

Изотоны — разновидности атомов разных химических элементов, имеющие одинаковое число нейтронов, но разные атомные номера.

Изотоны — нуклиды с одинаковым N, но различным Z и A.

${}_{88}^{228}R a; {}_{90}^{230}{Ra}; {}_{91}^{231}{Ra}$

Изобары — разновидности атомов разных химических элементов, имеющих одинаковые массовые числа, но разные атомные номера.

Изобары — нуклиды с одинаковым A, но различным Z и N.

${}_{18}^{40}{Ar}; {}_{19}^{40}K; {}_{20}^{40}{Ca}$

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядер (Z).

Пример 4

Ядро нуклида состоит из 20 протонов и 20 нейтронов. Заполните клетки:

Решение

Пример 5

Природный хлор состоит из двух стабильных изотопов: ³⁵Сl и ³⁷Сl. Исходя из средней относительной атомной массы хлора, равной 35,45, рассчитайте изотопный состав хлора в процентах по массе.

Решение

Пусть х — мольная доля ³⁵Сl, у — мольная доля ³⁷Сl, тогда

$\{\begin{cases} x + y = 1; \\ 35 x + 37 y = 35, 45 . \end{cases}$

Решая эту систему, находим х = 0,775, у = 0,225.

Массовые доли изотопов:

$({Cl}^{35}) = \frac{35 x}{33, 45} \cdot 100 % = \frac{35 \cdot 0, 775}{35, 45} \cdot 100 % = 76, 52 %;$

$({Cl}^{37}) = 100 % - 76, 52 % = 23, 48 %$ .

Ответ: $ω % ({Сl}^{35}) = 76, 52 %, ω % ({Сl}^{37}) = 23, 48 % .$

Упражнение 3

Решите расчётные задачи.

Природное серебро состоит из двух стабильных изотопов: ¹⁰⁷Ag и ¹⁰⁹Ag. Исходя из средней относительной атомной массы серебра, равной 107,87, рассчитайте изотопный состав серебра в процентах по массе.
Природная медь состоит из двух стабильных изотопов: ⁶³Сu и ⁶⁵Сu. Исходя из средней относительной атомной массы меди, равной 63,55, рассчитайте изотопный состав меди в процентах по массе.
Природный бром состоит из двух стабильных изотопов: ⁷⁹Вr и ⁸¹Вr. Исходя из средней относительной атомной массы брома, равной 79,90, рассчитайте изотопный состав брома в процентах по массе.

Контрольные вопросы

Как называются частицы, которыми образованы все вещества?
Что находится в центре атома?
Из чего состоит ядро атома?
Какое общее название имеют протоны и нейтроны?
Чему равен заряд протона в условных единицах?
Какой заряд имеют ядра атомов? Почему?
Как называются частицы, которые движутся вокруг ядра атома?
Чему равен заряд электрона в условных единицах?
Какое общее название имеют протоны, нейтроны и электроны?
Почему атомы являются электронейтральными частицами?
Что является главной характеристикой любого атома?
Чему равен заряд ядра атома?
Что называется химическим элементом?
Сколько химических элементов известно в настоящее время?

Ответы

Упражнение 1

Атом	Число протонов	Число электронов	Заряд ядра (Z)	Число нейтронов	Число нуклонов
№ 1	1	1	+1	0	1
№ 2	6	6	+6	6	12
№ 3	12	12	+12	12	24
№ 4	80	80	+80	120	200
№ 5	15	15	+15	16	31

Упражнение 2

$3, 60 \cdot 10^{- 22} г$
$2, 33 \cdot 10^{- 22} г$
$2, 33 \cdot 10^{- 22} г$
$3, 26 \cdot 10^{- 21} г$

Упражнение 3

$ω ({}^{107}{Ag}) = 56, 04 %, ω ({}^{109}{Ag}) = 43, 96 %$
$ω ({}^{63}{Cu}) = 71, 87 %, ω ({}^{65}{Cu}) = 28, 13 %$
$ω ({}^{79}{Br}) = 54, 38 %, ω ({}^{81}{Br}) = 45, 62 %$

Конспект урока: Основные сведения о строении атома

Начальные понятия и законы химии

Атом

Абсолютная масса атома

Нуклиды