Какой это элемент?
Z = p
Порядковый номер равен числу протонов. Добавил протон, и это уже другой элемент: следующая клетка таблицы Менделеева.
- Z
- порядковый номер, или зарядовое число ядра
- p
- число протонов в ядре
Строение атома
Что отличает углерод от кислорода и почему углерод-14 радиоактивен, а углерод-12 нет? Собирай атом из протонов, нейтронов и электронов и смотри, какой получится элемент, изотоп или ион.
01 Что это такое
Атом это крошечное тяжелое ядро и легкие электроны вокруг него. Какой это элемент, решает только число протонов.
Ядро собрано из протонов и нейтронов. Протон несет положительный заряд, нейтрон заряда не имеет, а весят они почти одинаково. Вокруг ядра движутся электроны: у каждого отрицательный заряд, равный заряду протона, а масса в 1836 раз меньше. В обычном атоме электронов столько же, сколько протонов, и заряды уравновешены.
Шесть протонов в ядре всегда означают углерод, восемь всегда кислород. Если поменять число нейтронов, получится изотоп того же элемента: он чуть тяжелее или легче, а химически почти такой же. Если поменять число электронов, получится ион: атом с зарядом.
- p
- Протон, заряд +1. Число протонов Z называют порядковым номером: это номер клетки в таблице Менделеева. Оно и определяет элемент.
- n
- Нейтрон, заряд 0. Добавляет массу и «склеивает» протоны в ядре. Разное число нейтронов дает разные изотопы одного элемента.
- e
- Электрон, заряд −1. Очень легкий. Электроны внешнего слоя участвуют в химических реакциях и связях между атомами.
02 Опыт
Добавляй частицы. Смотри, что получилось. КОНСТРУКТОР АТОМА
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Рис. 1.1Собери атом
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Элемент
Массовое число A
Заряд частицы
ⓘ Электроны показаны на круговых оболочках, как в модели Бора. На самом деле электрон размазан облаком, об этом следующая тема «Электронные оболочки и орбитали».
03 Формулы по буквам
Три числа, которые описывают любой атом
Чтобы записать атом, достаточно трех чисел: сколько в нем протонов, нейтронов и электронов. Все остальное из них считается. Числа под формулами берутся из опыта.
Сколько весит ядро?
A = Z + N
Массовое число это сумма протонов и нейтронов. Протон и нейтрон весят примерно по 1 атомной единице массы, а электроны почти ничего не добавляют.
- A
- массовое число, пишут слева сверху: ¹⁴C
- N
- число нейтронов
- а. е. м.
- атомная единица массы, 1,66 · 10⁻²⁷ кг
Какой заряд у частицы?
q = p − e
Если электронов меньше, чем протонов, частица заряжена положительно: это катион. Если больше, отрицательно: это анион. Заряд пишут справа сверху: Na⁺, Cl⁻, O²⁻.
- q
- заряд в единицах заряда электрона
- e
- число электронов
Почему масса в таблице Менделеева не целая
У хлора Z = 17, а атомная масса в таблице 35,45. Дело в том, что в природе хлор это смесь двух изотопов: примерно 76% атомов ³⁵Cl (18 нейтронов) и 24% атомов ³⁷Cl (20 нейтронов). В таблице записана средняя масса:
0,758 · 35 + 0,242 · 37 ≈ 35,45
Так же у меди 63,55: смесь ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. А у элементов с одним устойчивым изотопом, например у натрия или алюминия, масса близка к целому числу: 22,99 и 26,98.
Почему не любое число нейтронов годится? Протоны отталкиваются друг от друга, а нейтроны помогают их удержать. Если нейтронов слишком мало или слишком много, ядро неустойчиво и со временем распадается. Такие изотопы называют радиоактивными. У легких элементов устойчивые ядра имеют примерно столько же нейтронов, сколько протонов.
04 Где и зачем это применяют
От анализа руды до возраста находок
- Анализ пробы за секунды
Рентгенофлуоресцентный анализатор выбивает электроны с внутренних оболочек атомов. Каждый элемент при этом светится в рентгене по-своему, и прибор сразу показывает состав руды, сплава или шлама.
- Радиоизотопные датчики
На обогатительных фабриках плотность пульпы и уровень в бункерах меряют гамма-излучением изотопа цезия-137 сквозь стенку трубы, не касаясь потока. Работа с такими приборами требует допуска и дозиметра.
- Проверка сварных швов
Гамма-дефектоскопия просвечивает толстые швы трубопроводов и котлов излучением изотопов иридия-192 или кобальта-60. На снимке видны трещины и непровары внутри металла.
- Возраст находок
Радиоуглеродный метод считает, сколько осталось углерода-14 в дереве или кости. Половина его распадается за 5730 лет, и по остатку определяют возраст до 50 тысяч лет.
- Атомная энергетика
В реакторе делится ядро урана-235. Природный уран почти весь состоит из урана-238, поэтому изотопы разделяют, и это одна из самых сложных технологий в мире.
- Ионы в аккумуляторе и гальванике
В литий-ионном аккумуляторе заряд переносят ионы Li⁺, атомы лития без одного электрона. При хромировании и цинковании ионы металла из раствора оседают на детали и снова становятся атомами.
Допущения модели+
Опыт использует планетарную модель Бора: электроны на круговых оболочках по 2, 8 и 8 штук. Для первых 20 элементов, от водорода до кальция, такое заполнение верное. Дальше порядок сложнее, и электрон на самом деле не летает по орбите, а находится в облаке вероятности. Ядро нарисовано в десятки тысяч раз крупнее, чем в масштабе. Устойчивость ядра проверяется по списку природных устойчивых изотопов; для неустойчивых ядер не показано, как именно и как быстро они распадаются.