Количество протонов
Расположение элементов в периодической таблице предоставляет важную информацию для определения количества протонов, нейтронов и электронов в атомах. В современной таблице элементы расположены в соответствии с возрастанием числа протонов в них. Первый элемент в таблице, водород, имеет один протон. Последний элемент (по крайней мере, на данный момент) в таблице, Оганессон или Унуноктиум, содержит 118 протонов.
Атомный номер определяет количество протонов в любом атоме этого элемента. Медь с атомным номером 29 состоит из 29 протонов. Определение атомного номера элемента показывает количество протонов.
Как определить число нейтронов в атоме?
Очень просто!
N = A – Z
Где N – число нейтронов, A – атомная масса элемента (в целых числах), Z – заряд ядра атома или порядковый номер атома в периодической таблице Менделеева.
Развернутый ответ
Масса атома складывается из двух величин: масса протонов + масса нейтронов. Дело в том, что масса электронов пренебрежимо мала.
Масса нейтрона = 1,674 927 498 04(95)⋅10⁻²⁷ кг= 1,008 664 915 60(57) а.е.м.
Масса протона = 1,672 621 923 69(51)⋅10⁻²⁷ кг = 1,007276466621(53) а.е.м.
Масса электрона = 9,109383 7015(28)⋅10⁻³¹ кг = 0,000548579909065 а.е.м.
То есть даже 100 электронов дадут в сумме всего 0,0548579909065 а.е.м.
Первоначально Д. И. Менделеев в построении своей периодической таблицы исходил из атомных весов элементов. Однако, дальнейшее развитие науки показало, что свойства химических элементов находятся в прямой зависимости не от атомной массы химического элемента, а от заряда ядра его атома. Таким образом, в периодической таблице химические элементы выстроены в порядке возрастания заряда ядра атома и номер элемента в таблице соответствует заряду его ядра. А заряд ядра равен сумме протонов. То есть № (элемента) = Z (заряд ядра или число протонов).
Остаток массы ядра приходится на нейтроны. Поэтому чтобы определить число нейтронов в атоме нужно всего лишь вычесть из атомной массы число протонов, которое равно заряду ядра или порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Сколько протонов и нейтронов в атоме натрия?
Ar (Na) = 23 а.е.м.Z (Na) = 11 (протонов)N = Ar (Na) – Z (Na) = 23 – 11 = 12 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме натрия равно 11, а число нейтронов в атоме натрия равно 12.
Сколько протонов и нейтронов в атоме фосфора?
Ar (P) = 31 а.е.м.Z (P) = 15 (протонов)N = Ar (P) – Z (P) = 31 – 15 = 16 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме фосфора равно 15, а число нейтронов в атоме фосфора равно 16.
Сколько протонов и нейтронов в атоме золота?
Ar (Au) = 197 а.е.м.Z (Au) = 79 (протонов)N = Ar (Au) – Z (Au) = 197 – 79 = 118 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме золота равно 79, а число нейтронов в атоме золота равно 118.
Сколько протонов и нейтронов в атоме кремния?
Ar (Si) = 28 а.е.м.Z (Si) = 14 (протонов)N = Ar (Si) – Z (Si) = 28 – 14 = 14 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме кремния равно 14.
Сколько протонов и нейтронов в атоме углерода?
Ar (C) = 12 а.е.м.Z (C) = 6 (протонов)N = Ar (C) – Z (C) = 12 – 6 = 6 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме углерода равно 6.
Сколько протонов и нейтронов в атоме калия?
Ar (K) = 39 а.е.м.Z (K) = 19 (протонов)N = Ar (K) – Z (K) = 39 – 19 = 20 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме калия равно 19, а число нейтронов в атоме калия равно 20.
Сколько протонов и нейтронов в атоме железа?
Ar (Fe) = 39 а.е.м.Z (Fe) = 19 (протонов)N = Ar (Fe) – Z (Fe) = 56 – 26 = 30 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме железа равно 19, а число нейтронов в атоме железа равно 30.
Сколько протонов и нейтронов в атоме алюминия?
Ar (Al) = 27 а.е.м.Z (Al) = 13 (протонов)N = Ar (Al) – Z (Al) = 27 – 13 = 14 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме алюминия равно 13, а число нейтронов в атоме алюминия равно 14 .
Сколько протонов и нейтронов в атоме фтора?
Ar (F) = 19 а.е.м.Z (F) = 9 (протонов)N = Ar (F) – Z (F) = 19 – 9 = 10 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме фтора равно 9, а число нейтронов в атоме фтора равно 10.
Сколько протонов и нейтронов в атоме хлора?
Ar (Cl) = 35 а.е.м.Z (Cl) = 17 (протонов)N = Ar (Cl) – Z (Cl) = 35 – 17 = 18 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме хлора равно 17, а число нейтронов равно 18.
Сколько протонов и нейтронов в атоме кислорода?
Ar (O) = 16 а.е.м.Z (O) = 8 (протонов)N = Ar (O) – Z (O) = 16 – 8 = 8 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме кислорода равно 8.
Сколько протонов и нейтронов в атоме серы?
Ar (S) = 32 а.е.м.Z (S) = 16 (протонов)N = Ar (S) – Z (S) = 32 – 16 = 16 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме серы равно 16.
Сколько протонов и нейтронов в атоме магния?
Ar (Mg) = 32 а.е.м.Z (Mg) = 16 (протонов)N = Ar (Mg) – Z (Mg) = 24 – 12 = 12 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме магния равно 16, а число нейтронов равно 12.
Сколько протонов и нейтронов в атоме цинка?
Ar (Zn) = 65 а.е.м.Z (Zn) = 30 (протонов)N = Ar (Zn) – Z (Zn) = 65 – 30 = 35 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме цинка равно 30, а число нейтронов в атоме цинка равно 35.
Ядерные силы
Ядра атомов обладают устойчивостью, несмотря на то, что между протонами действуют колоссальные силы кулоновского отталкивания. Чем же объясняется это явление? Видимо, между ними существует и другая сила, которая не дает протонам отталкиваться друг от друга. Такие силы назвали ядерными.
Ядерные силы — силы, действующие между протонами и нейтронами.
Ученые установили, что ядерные силы обладают следующими свойствами:
- Ядерные силы заметно проявляются только на расстояниях, сравнимых с размером атомных ядер (10–12–10–13 см). То есть, эти силы являются короткодействующими.
- Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят силы электрического взаимодействия. На сегодня это самые мощные силы из всех сил, известных в природе. Именно благодаря им ядра атомов химических элементов сохраняются в устойчивом состоянии.
Изотопы
В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений было обнаружено, что существуют вещества, идентичные по химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства — в одних и тех же условиях их распад происходил по-разному. Эти вещества не удавалось разделить ни одним из известных химических способов. Поэтому английский радиохимик Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но разной радиоактивностью. Эти элементы, по его мнению, нужно было помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева. Содди назвал такие элементами изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).
Предположение Содди о существовании веществ с разной радиоактивностью, но одинаковыми химическими свойствами, было подтверждено экспериментально. Когда английский физик Томсон проводил точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях, он установил, что неон есть смесь двух видов атомов. Большая часть атомов имела относительную массу 20, но некоторая часть атомов имела массу, равную 22 а. е. м. В результате относительная атомная масса смеси атомов неона была принята равной 20,2. Причем атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, но масса их была различна.
С тех пор изотопы были обнаружены у разных химических элементов. Так, они есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).
Было установлено, что:
- Изотопы имеют разную массу.
- Заряды ядер изотопов одинаковы;
- Количество электронов у атомов изотопов одинаково.
- Химические свойства изотопов тоже одинаковые.
- Радиоактивность у изотопов разная — ядра одних атомов радиоактивны, в то время как другие могли быть стабильными или менее радиоактивными.
Эти обобщения помогли сделать вывод, что свойства радиоактивности изотопов зависят от их массы. Причем некоторые элементы могут иметь только нестабильные, или радиоактивные изотопы.
Особый интерес для физиков того времени представлял атом водорода, изотопы которого могли отличаться по массе в 2 и 3 раза:
- Дейтерий — изотоп водорода с атомной массой 2. Это стабильный химический элемент, который можно обнаружить в качестве примеси в обычном водороде. На 4500 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия. Совместно с кислородом дейтерий образует тяжелую воду. Ее свойства несколько отличаются от обычной воды. Так, при нормальном атмосферном давлении ее температура кипения составляет 101,2 °С, а температура кристаллизации — 3,8 °С.
- Тритий — изотоп водорода с атомной массой 3. Это нестабильный химический элемент. Он претерпевает β-распад. Период полураспада этого вещества составляет 12 лет.
Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.
Электронные формулы ионов
Атомы могут отдавать и принимать электроны. Отдавая или принимая электроны, они превращаются в ионы.
Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.
Если атом отдаёт электроны, то общий заряд образовавшейся частицы будет положительный (вспомним, что число протонов в атоме равно числу электронов, а при отдаче электронов число протонов будет больше числа электронов). Положительно заряженные ионы — это катионы. Например: катион натрия образуется так:
+11Na 1s22s22p63s1 -1е =+11Na+ 1s22s22p63s
Если атом принимает электроны, то приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы — это анионы. Например, анион хлора образуется так:
+17Cl 1s22s22p63s23p5 +1e = +17Cl— 1s22s22p63s23p6
Таким образом, электронные формулы ионов можно получить добавив или отняв электроны у атома
Обратите внимание, при образовании катионов электроны уходят с внешнего энергетического уровня. При образовании анионов электроны приходят на внешний энергетический уровень
Попробуйте составить самостоятельно электронный формулы ионов. Не забывайте проверять себя по ключам!
18. Ион Са2+
19. Ион S2-
20. Ион Ni2+
В некоторых случаях совершенно разные атомы образуют ионы с одинаковой электронной конфигурацией. Частицы с одинаковой электронной конфигурацией и одинаковым числом электронов называют изоэлектронными частицами.
Например, ионы Na+ и F—.
Электронная формула катиона натрия: Na+ 1s22s22p6, всего 10 электронов.
Электронная формула аниона фтора: F— 1s22s22p6, всего 10 электронов.
Таким образом, ионы Na+ и F— — изоэлектронные. Также они изоэлектронны атому неона.
Ответы на вопросы:
1. У изотопов одного химического элемента массовое число всегда разное, т.к. массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. А у изотопов различается число нейтронов.
2. У изотопов одного элемента число протонов всегда одинаковое, т.к. число протонов характеризует химический элемент.
3. Массовое число изотопа брома-81 равно 81. Атомный номер = заряд ядра брома = число протонов в ядре = 35. Вычитаем из массового числа число протонов, получаем 81-35=46 нейтронов.
4. Массовое число изотопа хлора равно 37. Атомный номер, заряд ядра и число протонов в ядре равно 17. Получаем число нейтронов = 37-17 =20.
5. Электронная формула азота:
+7N 1s22s22p3 1s 2s 2p
6. Электронная формула кислорода:
+8О 1s22s22p4 1s 2s 2p
7. Электронная формула фтора:
8. Электронная формула магния:
+12Mg 1s22s22p63s2 1s 2s 2p 3s
9. Электронная формула алюминия:
+13Al 1s22s22p63s23p1 1s 2s 2p 3s 3p
10. Электронная формула кремния:
+14Si 1s22s22p63s23p2 1s 2s 2p 3s 3p
11. Электронная формула фосфора:
+15P 1s22s22p63s23p3 1s 2s 2p 3s 3p
12. Электронная формула серы:
+16S 1s22s22p63s23p4 1s 2s 2p 3s 3p
13. Электронная формула хлора:
14. Электронная формула аргона:
+18Ar 1s22s22p63s23p6 1s 2s 2p 3s 3p
15. Электронная формула углерода в возбуждённом состоянии:
+6C* 1s22s12p3 1s 2s 2p
16. Электронная формула бериллия в возбуждённом состоянии:
+4Be 1s22s12p1 1s 2s 2p
17. Электронная формула кислорода в возбуждённом энергетическом состоянии соответствует формуле кислорода в основном энергетическом состоянии, т.к. нет условий для перехода электрона — отсутствуют вакантные энергетические орбитали.
18. Электронная формула иона кальция Са2+: +20Ca2+ 1s22s22p63s23p6
19. Электронная формула аниона серы S2-: +16S2- 1s22s22p63s23p6
20. Электронная формула катиона никеля Ni2+: +28Ni2+ 1s22s22p63s23p63d84s
Обратите внимание! Атомы отдают электроны всегда сначала с внешнего энергетического уровня. Поэтому никель отдаёт электроны сначала с внешнего 4s-подуровня
Открытие нейтрона
При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми нестабильным полонием, возникает сильное проникающее излучение, которое легко преодолевает преграду в виде слоя свинца толщиной до 10–20 см. Это излучение изучали английский физик Чедвик и супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик из Франции независимо друг от друга примерно в одно и то же время. Ученые предположили, что это излучение создано γ-лучами большой энергии. Но затем выяснилось, что если на пути излучения бериллия поставить пластинку из парафина, то ионизирующая способность излучения резко возрастает.
Было установлено, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластинки протоны, которые в большом количестве имеются в этом веществе. Ученые рассчитали длину свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, которые сообщают при столкновении с протонами необходимую скорость. Расчеты показали слишком большое значение — 50 МэВ. протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ. Из-за малой массы γ-кванты не могли обладать такой энергией. Поэтому Чедвик сделал вывод, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а довольно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и не ионизировали газ в счетчике Гейгера. Это значит, что такие частицы были электрически нейтральными. Этой частице дали название — нейтрон.
Электронные формулы элементов первых четырех периодов
Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:
+1H 1s1 1s
У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:
+2He 1s2 1s
Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:
+3Li 1s22s1 1s 2s
У бериллия 2s-подуровень заполнен:
+4Be 1s22s2 1s 2s
Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:
+5B 1s22s22p1 1s 2s 2p
У следующего элемента, углерода, очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не заполняет частично занятую:
+6C 1s22s22p2 1s 2s 2p
Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя по ответам конце статьи:
5. Азот
6. Кислород
7. Фтор
У неона завершено заполнение второго энергетического уровня:
+10Ne 1s22s22p6 1s 2s 2p
У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:
+11Na 1s22s22p63s1 1s 2s 2p 3s
От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.
8. Магний
9. Алюминий
10. Кремний
11. Фосфор
12. Сера
13. Хлор
14. Аргон
А вот начиная с 19-го элемента, калия, иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s. Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей, а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия:
+19K 1s22s22p63s23p64s11s 2s 2p3s 3p4s
Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:
+19K 4s1 4s
У кальция 4s-подуровень заполнен:
+20Ca 4s2 4s
У элемента 21, скандия, согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d-подуровня:
+21Sc 3d14s2 4s 3d
Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия:
+22Ti 3d24s2 4s 3d
+23V 3d34s2 4s 3d
Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:
+24Cr 3d54s1 4s 3d
В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d44s2) ровно одна ячейка в d-подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно. А более выгодно, когда d-орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s-подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s-подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d-орбиталей. Этот эффект так и называется — «провал» или «проскок» электрона. И наблюдается он, когда d-орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).
У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца:
+25Mn 3d54s2
Аналогично у кобальта и никеля. А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s-подуровня на 3d-подуровень:
+29Cu 3d104s1
На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:
+30Zn 3d104s2
У следующих элементов, от галлия до криптона, происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия:
+31Ga 3d104s24p1
Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.
Некоторые важные понятия:
Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.
Например, у меди (3d104s1) внешний энергетический уровень — четвёртый.
Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr 3d54s1) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s1), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.
