Число протонов определяется. Число нуклонов в ядре атома элемента равно относительной атомной массе элемента, округленной до целого числа. Нуклиды, изотопы, массовое число
Атомное ядро состоит из частиц с общим названием нуклоны. Известно два их вида – нейтроны и протоны. Количество нейтронов можно найти по массе атома, поскольку она практически равна массе атомного ядра (масса электронной оболочки пренебрежимо мала) и его заряду.
Вам понадобится
- - периодическая таблица химических элементов (таблица Менделеева);
- - заряд протона;
- - химические элементы.
Инструкция
Каждый атом вещества описывается в периодической системе химических элементов. Найдите ячейку элемента, соответствующую исследуемому атому. В нижней части ячейки найдите его относительную атомную массу. Если она представлена дробным числом, округлите его до целого (это будет относительная атомная масса самого распространенного в природе изотопа). Это число отражает количество нуклонов в атомном ядре. Найдите порядковый номер исследуемого химического элемента. Он равен числу протонов в ядре. Определите количество нейтронов , отняв от относительной атомной массы количество протонов. Пример. Найдите количество протонов в атоме железа. Атому железа соответствует химический элемент Fe (феррум). Его относительная атомная масса равна 56. Порядковый номер элемента равен 26. Количество нейтронов N=56-26=30.
Все атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов, но некоторые могут иметь разное количество нейтронов. Например, все атомы углерода имеют шесть протонов, и большинство из них также имеют шесть нейтронов. Но некоторые атомы углерода имеют семь или восемь нейтронов вместо обычных шести. Атомы того же элемента, которые различаются по количеству нейтронов, называются изотопами. Естественно, многие изотопы происходят. Обычно один или два изотопа элемента являются наиболее стабильными и обычными.
Различные изотопы элемента обычно имеют одинаковые физические и химические свойства. Это потому, что они имеют одинаковое количество протонов и электронов. Водород является примером элемента, который имеет изотопы. На рисунке изображены три изотопа водорода. Большинство атомов водорода имеют только один протон и один электрон и не имеют нейтронов. Эти атомы называют водородом. Некоторые атомы водорода имеют один нейтрон. Эти атомы представляют собой изотоп, называемый дейтерием. Другие атомы водорода имеют два нейтрона.
Для определенного изотопа всегда дается дополнительное пояснение. Перед обозначением элемента указывается его относительная атомная масса и порядковый номер в периодической таблице. В этом случае берите атомную массу, указанную в записи изотопа. Например, обычный кислород имеет массовое число 16 и порядковый номер 8, количество нейтронов в нем N=16-8=8. Его стабильный изотоп кислород-18, имеет соответствующее массовое число и количество нейтронов в ядре N=18-8=10.
Орбитальная модель атома
Эти атомы представляют собой изотоп, называемый тритием. Рисунок \\: Три наиболее стабильных изотопа водорода: протия, дейтерия и трития. Изображение используется с разрешения. Для большинства других элементов, кроме водорода, изотопы названы по их массовому числу. Например, атомы углерода с обычными 6 нейтронами имеют массовое число 12, поэтому они называются атомами углерода. Углеродные атомы с 7 нейтронами имеют атомную массу 13. Эти атомы представляют собой изотоп, называемый углеродом.
Пример \\: изотопы лития.
- Каково атомное число и массовое число изотопа лития, содержащего 3 нейтрона.
- Каково атомное число и массовое число изотопа лития, содержащего 4 нейтрона?
Определите количество нейтронов по массе ядра и его заряду. Если масса дана в килограммах, поделите ее на число 1,661 10^(-27). В результате получите массу в атомных единицах массы (относительную атомную массу). Заряд ядра в кулонах поделите на число 1,6022 10^(-19) (заряд одного протона в кулонах). Это будет число протонов. При переводе все величины округляйте до целых. Найдите число нейтронов , отняв от относительной атомной массы количество протонов. Пример. Масса атома равна 11,627 10^(-27) кг. Заряд его ядра составляет 4,8 10^(-19) Кл. Найдите относительную атомную массу элемента 11,627 10^(-27)/(1,661 10^(-27))=7. Рассчитайте количество протонов 4,8 10^(-19) Кл/(1,6022 10^(-19))?3. Определите число нейтронов N=7-3=4.
Обратите внимание, что поскольку атом лития всегда имеет 3 протона, атомный номер для лития всегда. Количество масс, однако, равно 6 в изотопе с 3 нейтронами и 7 в изотопе с 4 нейтронами. В природе существуют только определенные изотопы. Например, литий существует как изотоп с тремя нейтронами и как изотоп с 4 нейтронами, но он не существует как изотоп с двумя нейтронами или как изотоп с 5 нейтронами.
Атомы нуждаются в определенном соотношении нейтронов к протонам, чтобы иметь стабильное ядро. Слишком много или слишком мало нейтронов относительно протонов приводит к нестабильному или радиоактивному ядру, которое рано или поздно разрушается до более стабильной формы. Этот процесс называется радиоактивным распадом. У многих изотопов есть радиоактивные ядра, и эти изотопы называются радиоизотопами. Когда они распадаются, они выделяют частицы, которые могут быть вредными. Вот почему радиоактивные изотопы опасны, и поэтому для работы с ними требуются специальные костюмы для защиты.
Атом химического элемента состоит из атомного ядра и электронов. В состав атомного ядра входят два типа частиц - протоны и нейтроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, так как протоны и нейтроны намного тяжелее электронов.
Вам понадобится
- атомный номер элемента, изотопы
Инструкция
В отличие от протонов, нейтроны не имеют электрического заряда, то есть их электрический заряд равен нулю. Поэтому, зная атомный номер элемента, нельзя однозначно сказать, сколько нейтронов содержится в его ядре. К примеру в ядре атома углерода всегда содержится 6 протонов, однако протонов в нем может быть 6 и 7. Разновидности ядер химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре называются изотопами этого элемента. Изотопы могут быть как природными, так и полученными искусственно.
Изотоп углерода, известный как углерод-14, является примером радиоизотопа. Напротив, изотопы углерода, называемые углерод-12 и углерод-13, являются стабильными. Все это обсуждение изотопов возвращает нас к атомной теории Далтона. Согласно Далтону, атомы данного элемента одинаковы, но если атомы данного элемента могут иметь различное количество нейтронов, то они могут иметь и разные массы! Оказывается, что найденные в природе элементы существуют как постоянные однородные смеси их встречающихся в природе изотопов.
Другими словами, кусок лития всегда содержит оба типа встречающегося в природе лития. Кроме того, он всегда содержит два в одинаковых относительных количествах. кусок лития, \\ всегда будет литием с 4 нейтронами, а оставшийся \\ всегда будет литием с тремя нейтронами.
Атомные ядра обозначаются буквенным символом химического элемента из таблицы Менделеева. Справа от символа вверху и внизу стоят два числа. Верхнее число A - это массовое число атома, A = Z+N, где Z - заряд ядра (число протонов),а N - число нейтронов . Нижнее число - это Z - заряд ядра. Такая запись дает информацию о количестве нейтронов в ядре. Очевидно, оно равно N = A-Z.
Далтон всегда экспериментировал с большими кусками элемента - кусками, которые содержали все естественные изотопы этого элемента. В результате, когда он выполнил свои измерения, он фактически наблюдал усредненные свойства всех различных изотопов в образце. Для большинства наших целей в химии мы будем делать то же самое и иметь дело со средней массой атомов. К счастью, помимо разных масс, большинство других свойств разных изотопов схожи.
Существует два основных способа, которыми ученые часто показывают массовое число интересующего их атома. Важно отметить, что массовое число не приводится на периодической таблице. Эти два способа включают в себя запись ядерного символа или указание имени элемента с указанным массовым числом.
У разных изотопов одного химического элемента число A меняется, что отражено в записи этого изотопа. Определенные изотопы имеют свои оригинальные названия. Например, обычное ядро водорода не имеет нейтронов и имеет один протон. Изотоп водорода дейтерий имеет один нейтрон (A = 2), а изотоп тритий - два нейтрона (A = 3).
Зависимость числа нейтронов от числа протонов отражена на N-Z диаграмме атомных ядер. Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов и числа протонов. Ядра легких нуклидов наиболее устойчивы при N/Z = 1, то есть при равенстве количества нейтронов и протонов. С ростом массового числа область устойчивости сдвигается к величинам N/Z>1, достигая величины N/Z ~ 1,5 для наиболее тяжелых ядер.
Чтобы записать ядерный символ, массовое число помещается в левом верхнем углу химического символа, а атомный номер помещается в левом нижнем углу символа. Полный ядерный символ для гелия-4 приведен ниже. Следующие ядерные символы для ядра никеля с 31 нейтроном и ядром урана с 146 нейтронами.
В ядре никеля, представленном выше, атомное число 28 указывает, что в ядре содержится 28 протонов, и поэтому он должен содержать 31 нейтрон, чтобы иметь массовое число ядра урана, имеет 92 протонов, как и все ядра урана и это конкретное ядро урана имеет 146 нейтронов.
Примеры:
Водород Ar = 1,001; 1 нуклон
Углерод Ar = 12,011; 12 нуклонов.
Нуклиды, изотопы, массовое число
Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы.
Пример. Хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых содержит 18, а другой – 20 нейтронов в ядре.
Другим способом представления изотопов является добавление дефиса и массового числа к химическому названию или символу. Обратите внимание, что массовые числа указаны в стороне от имени. Знаете ли вы, что вы состоят в основном из пустого пространства? Это не должно быть оскорблением; скорее пример того, как вы состоите из атомов, а большая часть атома - это совершенно пустое пространство. Атом является наименьшей частицей элемента, который все еще обладает теми же свойствами этого элемента. Помните, что элемент - это чистое вещество, состоящее только из одного типа атома.
Каждый вид атомов (вид ядер) называется нуклидом . Нуклид – это вид атомов и ядер, отвечающий определенным числам протонов и нейтронов.
Нуклиды, принадлежащие одному элементу и однозначно определяемые числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, называются изотопными нуклидами , или просто изотопами.
Массовое число = Число нуклонов в ядре
Томсон, Резерфорд и Милликан обнаружили, что атомы состоят из еще меньших частиц, называемых субатомными частицами. Этот урок будет сосредоточен на трех основных субатомных частицах: протоне, нейтроне и электроне. Периодическая таблица представляет собой организованную ссылку на все известные элементы, расположенные в соответствии с их свойствами.
У вас почти всегда будет доступ к одному из них, поэтому было бы неплохо научиться его использовать. Вероятно, это одна из самых важных частей атома. Число протонов атома определяет тип элемента. Например, все атомы, имеющие только один протон, будут атомами водорода. Найдите водород в верхней левой части таблицы. Вы должны заметить несколько вещей об этой коробке. Это химический символ для водорода. Каждый элемент имеет другой химический символ. Вы также должны заметить, что номер один заметно отображается в поле.
Изотопы элемента – это нуклиды, обладающие равным зарядом ядра (числом протонов). Изотопы элемента различаются только числом нейтронов и, следовательно, общим числом нуклонов.
Пример. Ядра двух природных изотопов хлора содержат по 17 протонов, но 18 и 20 нейтронов, т.е. 35 и 37 нуклонов соответственно.
Для нуклидов точные значения относительных атомных масс всегда близки к целочисленным значениям, поэтому массы нуклидов можно сравнивать по этим значениям, называемым массовыми числами .
Это указывает на количество протонов, которые имеют атомы этого элемента. Вы можете быстро заметить, что это число увеличивается на единицу при перемещении слева направо и сверху вниз на периодической таблице. Итак, гелий имеет номер два, литий имеет номер три и т.д. это означает, что все атомы гелия имеют два протона, и все атомы лития имеют три протона. Число протонов называется атомным номером, и оно действительно особенное, потому что оно дает атому его идентичность.
Имейте в виду, что не все периодические таблицы абсолютно одинаковы, поэтому некоторые могут иметь атомный номер для каждого элемента в другом месте. Еще одна интересная особенность протона заключается в том, что он несет электрический заряд положительного. Не беспокойтесь о единицах этого заряда - просто помните, что он заряжен положительным. Протоны также относительно тяжелы. Они имеют массу около одного аму или атомную массу. Поскольку атомы настолько малы, они требуют мы будем использовать атомную массу, когда мы обсудим массы атомов и молекул.
Массовое число нуклида равно числу содержащихся в нем нуклонов (сумме протонов и нейтронов).
Для обозначения конкретного нуклида применяется специальная символика. Слева от символа химического элемента верхним индексом указывается массовое число, а нижним индексом – заряд ядра (порядковый номер элемента). Например, изотоп хлора-18 записывается как .
Последняя особенность протона заключается в том, что он затуманен внутри ядра атома. Ядро очень маленькая плотная область в центре атома. Ядро настолько крошечное, что если бы ядро было размером с баскетбол, остальная часть атома была бы размером с большой город. что слово «ядро» может означать разные вещи, в зависимости от той отрасли науки, в которой вы находитесь. В химии слово «ядро» относится к ядру атома. В биологии слово «ядро» относится к ядру клетки. вы визуальное представление о различии между атомом и ячейкой, триллионы триллионов атомов, составляющих каждую живую клетку.
Таким образом:
Массовое число = Число нуклонов в ядре.
Порядковый номер = Число протонов в ядре или число электронов в оболочке атома.
Разность между массовым числом и порядковым номером = Число нейтронов в ядре.
Строение электронной оболочки атома. Энергетические уровни
Строение электронной оболочки атома определяется различным запасом энергии E отдельных электронов в атоме. В соответствии с моделью атома Бора электроны могут занимать в атоме положения, которым отвечают точно определенные (квантованные) энергетические состояния.
А атомы не живут - они являются строительными блоками всего. Следующая частица внутри атома называется нейтроном. Подобно протонам, нейтроны также расположены внутри ядра атома. Нейтроны также имеют массу около одного аму. Таким образом, протоны и нейтроны расположены внутри ядра, и оба они имеют массу около одного аму. Однако, в отличие от протонов, нейтроны не имеют электрического заряда. Это должно быть очень легко запомнить, потому что слова и нейтраль настолько похожи.
Помните, что все атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов. Означает ли это, что у них должно быть такое же количество нейтронов? Атомы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Эти атомы с таким же числом протонов, но с различным числом нейтронов, называются изотопами. Подумайте об изотопах, таких как братья и сестры - они связаны между собой, но имеют некоторые отличия. Например, все изотопы углерода имеют одинаковое количество протонов: шесть.
Число электронов, которые могут находиться на отдельном энергетическом уровне, определяется формулой 2n² , где n – номер уровня, который обозначается арабскими цифрами 1-7; для обозначения энергетических уровней используются также буквы от K до Q. Максимальное заполнение первых четырех энергетических уровней в соответствии с формулой 2n² составляет: для первого уровня К – 2 электрона, для второго L – 8, для третьего M – 18 и для четвертого уровня N – 32 электрона.
Однако некоторые атомы углерода будут иметь шесть нейтронов, у некоторых будет семь, а у некоторых может быть восемь нейтронов. Эти изотопы будут химически реагировать одинаково, но у них будут различия в их ядерной стабильности, а это означает, что некоторые из них смогут легче пройти ядерную реакцию, чем другие.
Это связано с тем, что все они имеют различное количество нейтронов в своем ядре. Итак, как мы можем объяснить разницу между различными изотопами углерода? Для этого мы используем ядерные символы. Элементы обозначают буквы в ядерном символе. Напомним, что каждый элемент имеет свою собственную аббревиатуру. Цифры говорят нам, что находится внутри ядра. Число в левом нижнем углу символа - это атомный номер. Вы также заметите, что все они имеют одинаковый атомный номер, потому что все они являются атомами углерода.
КВАНТОВО - МЕХАНИЧЕСКОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ СТРОЕНИЯ АТОМА
Орбитальная модель атома
Современные квантово-механические представления о строении электронной оболочки атома исходят из того, что движение электрона в атоме нельзя описать определенной траекторией. Можно рассматривать лишь некоторый объем пространства, в котором находится электрон. Поскольку электрон обладает одновременно свойствами частицы и волны, то подходом к объяснению строения электронной оболочки может быть как корпускулярная теория, так и волновая теория; обе они приводят к одинаковому наглядному представлению, сформулированному как орбитальная модель атома .
1. Обоснование орбитальной модели атома, исходящее из корпускулярного характера электрона , состоит в следующем. Как следует из рис. 2 , вероятность пребывания электрона в атомном ядре равна нулю, она незначительна вблизи ядра, но быстро возрастает при удалении от ядра. На некотором расстоянии вероятность достигает максимума, а затем медленно уменьшается, ассимптотически приближаясь к нулю на расстоянии, стремящемся к бесконечности. Таким образом, невозможно ограничить то пространство, в котором может находиться электрон, т.е. нельзя (без дополнительных условий) указать размеры атома. Исходя из корпускулярного характера электрона можно говорить о 90 %-ой вероятности его пребывания в ограниченном объеме пространства, которое называется атомная орбиталь .
2. Обоснование орбитальной модели атома, исходящее из волнового характера электрона , состоит в следующем. Электрон заполняет пространство вокруг атомного ядра в форме стоячей волны, которую наглядно можно представить как электронное облако. Плотность электронного облака, понимаемого как облако электрического заряда электрона − электронная плотность – окажется различной и зависящей от расстояния ядро-электрон (рис.1 ). При ограничении электронной плотности до значения ~ 90 % получается та же орбитальная модель атома.
Атомная орбиталь – это геометрический образ, отвечающий объему пространства вокруг атомного ядра, который соответствует 90 %-ой вероятности нахождения в этом объеме электрона (как частицы) и одновременно 90 %-ой плотности заряда электрона (как волны).
Модель атомной орбитали (электронного облака) очень удобна для наглядного описания распределения электронной плотности в пространстве. При этом s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – форму гантели, d-орбиталь – четырехлепесткового цветка или удвоенной гантели, f-орбиталь – еще более сложную форму (рис. 3 ).
Если в атомной орбитали находится только один электрон (как в атоме водорода), то говорят об однократно занятой или полузаполненной, полузаселенной атомной орбитали. Если же в атомной орбитали находятся два электрона (как в атоме гелия), то говорят о двукратно занятой или полностью заполненной, полностью заселенной атомной орбитали. Полузаселенные АО играют важнейшую роль при формировании химических связей.
В соответствии с квантово-механическим описанием состояния электрона в атоме каждый электрон является индивидуальной частицей. Такие его свойства, как масса и заряд не выявляют различий между электронами, особенно между теми электронами, которые находятся на одной атомной орбитали (как в атоме гелия). Собственной характеристикой каждого электрона в атоме является спин .
Два электрона, находящиеся в одной атомной орбитали, различаются по спину .
Спин – квантово-механическое свойство электрона, которое невозможно точно объяснить с помощью традиционных представлений на основе механического поведения макрочастиц. Без учета волновых свойств электрона спин можно интерпретировать путем сравнения электрона с шаром, вращающимся вокруг выбранной оси. Спин характеризует направление вращения и, следовательно, при двух возможных направлениях механического вращения должно существовать два разных спина электрона.
Спин – неотъемлемая характеристика электрона в атоме; два электрона на одной атомной орбитали обладают антипараллельными спинами.
Атомную орбиталь удобно изображать в виде квадрата, называемого квантовой ячейкой, а каждый электрон − вертикальной стрелкой, обозначающей один из двух возможных спинов электрона. Квантовая ячейка с одной стрелкой означает атомную орбиталь с одним электроном, т.е. полузаселенную орбиталь, с двумя стрелками − атомную орбиталь с двумя электронами, т.е. полностью заселенную орбиталь, без стрелок – вакантную орбиталь, т. е. без электронов.
2.2. Орбитали с s, p , d - и f -электронами
(атомные s, p , d - и f -орбитали)
Атомную орбиталь, имеющую шаровую симметрию (рис. 3 ), принято обозначать как s-орбиталь (s-АО) , а находящиеся в ней электроны – как s-электроны .
Радиус атомной s-орбитали возрастает при увеличении номера энергетического уровня; 1s-АО расположена внутри 2s-АО, последняя – внутри 3s-АО и т.д. с центром, отвечающим атомному ядру. В целом строение электронной оболочки атома в орбитальной модели представляется слоистым. Каждый энергетический уровень, содержащий электроны, геометрически рассматривается как электронный слой.
Для сокращенного обозначения электрона, занимающего атомную s-орбиталь, используется обозначение самой s-АО с верхним цифровым индексом, указывающим число электронов. Например, 1s − обозначение единственного электрона атома водорода.
Номер энергетического уровня отвечает главному квантовому числу, а вид орбитали − орбитальному квантовому числу .
2s Li=1s 2s , Be=1s 2s
Электронная формула в сочетании с энергетической диаграммой электронной оболочки атома (рис. 3 ) отражают его электронную конфигурацию.
Атомную орбиталь, имеющую вращательную (осевую) симметрию принято обозначать как p-орбиталь (p -АО) (рис. 3 ); находящиеся в ней электроны – это p -электроны.
Каждая атомная p-орбиталь может принять (при максимальном заполнении) два электрона, подобно любой другой АО. Эти электроны сообща занимают обе половины p -орбитали. На каждом атомном энергетическом уровне (кроме первого) имеется три атомных орбитали, которым отвечает максимальное заселение шестью электронами.
Все три p -АО одного энергетического уровня отличаются друг от друга пространственным расположением; их собственные оси, проходящие через обе половины орбитали и перпендикулярные ее узловой плоскости, образуют систему декартовых координат (обозначения собственных осей x, y, z). Поэтому на каждом энергетическом уровне имеется набор трех атомных p-орбиталей: p x -, p y - и p z -АО. Буквы x, y, z соответствуют магнитному квантовому числу , позволяющему судить о влиянии внешнего магнитного поля на электронную оболочку атома.
Атомные s-орбитали имеются на всех энергетических уровнях, атомные p -орбитали − на всех уровнях, кроме первого. На третьем и последующих энергетических уровнях к одной s-АО и трем p -АО присоединяется пять атомных орбиталей, получивших название d -орбиталей (рис. 4 ), а на четвертом и последующих уровнях − еще семь атомных орбиталей, называемых f -орбиталями .
2.3. Энергетические подуровни
многоэлектронного атома. принципы
построения электронной оболочки
Квантово-механические расчеты показывают, что в многоэлектронных атомах энергия электронов одного уровня не одинакова; электроны заполняют атомные орбитали разных видов и имеют разную энергию.
Энергетический уровень характеризуется главным квантовым числом n. Для всех известных элементов значения n изменяются от 1 до 7. Электроны в многоэлектронном атоме, находящемся в основном (невозбужденном) состоянии, занимают энергетические уровни от первого до седьмого.
Энергетический подуровень характеризуется орбитальным квантовым числом l. Для каждого уровня (n = const) квантовое число l принимает все целочисленные значения от 0 до (n-1), например, при n=3 значениями l будут 0, 1 и 2. Орбитальное квантовое число определяет геометрическую форму (симметрию) орбиталей s-, p-, d-, f -подуровня. Очевидно, что во всех случаях n>l ; при n=3 максимальное значение l равно 2.