Строение атома
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. Ядро образовано протонами и нейтронами: число протонов равно порядковому номеру элемента, число нейтронов — разности массового числа и порядкового номера. Электроны располагаются по электронным оболочкам (энергетическим уровням): их число равно номеру периода, а на уровне с номером n помещается не больше 2n² электронов.
Из чего состоит атом
Атом — мельчайшая частица химического элемента. Он состоит из трёх видов элементарных частиц:
| Частица | Обозначение | Заряд | Масса, а. е. м. | Где находится |
|---|---|---|---|---|
| Протон | p⁺ | +1 | ≈ 1 | в ядре |
| Нейтрон | n⁰ | 0 | ≈ 1 | в ядре |
| Электрон | e⁻ | −1 | ≈ 1/1836 | вокруг ядра |
Число протонов в атоме равно числу электронов, поэтому атом в целом электронейтрален. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя ядро в десятки тысяч раз меньше самого атома.
Ядерную модель атома предложил Э. Резерфорд в 1911 году: альфа-частицы почти беспрепятственно проходили сквозь золотую фольгу, и лишь немногие отскакивали назад — значит, заряд и масса атома собраны в крошечном ядре.
Строение ядра атома
Ядро состоит из протонов и нейтронов, их общее название — нуклоны. Ядро описывают два числа:
- заряд ядра Z — число протонов; он равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и определяет, какой это элемент;
- массовое число A — сумма протонов и нейтронов: A = Z + N. Отсюда число нейтронов N = A − Z.
Атом с определённым составом ядра записывают так: массовое число — вверху слева от символа, заряд ядра — внизу слева: 2311Na. В ядре этого атома 11 протонов и 23 − 11 = 12 нейтронов, вокруг — 11 электронов. Для 168O: 8 протонов и 8 нейтронов; для 5626Fe: 26 протонов и 30 нейтронов.
В химических реакциях ядро не меняется — меняется только число электронов. Атом, отдавший электроны, становится положительным ионом, принявший — отрицательным. В ионе Na⁺ по-прежнему 11 протонов, но 10 электронов; в ионе Cl⁻ — 17 протонов и 18 электронов.
Изотопы
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов и массовым числом. Химические свойства у изотопов практически одинаковы: число электронов у них одно и то же.
| Изотоп | Протоны | Нейтроны | Особенность |
|---|---|---|---|
| ¹H — протий | 1 | 0 | почти весь природный водород |
| ²H — дейтерий (D) | 1 | 1 | входит в тяжёлую воду D₂O |
| ³H — тритий (T) | 1 | 2 | радиоактивен |
| ¹²C | 6 | 6 | основа шкалы атомных масс |
| ¹⁴C | 6 | 8 | радиоуглеродное датирование |
| ³⁵Cl | 17 | 18 | около 3/4 природного хлора |
| ³⁷Cl | 17 | 20 | около 1/4 природного хлора |
Из-за изотопов относительные атомные массы в таблице дробные: это средние значения с учётом доли каждого изотопа в природе. У хлора на три атома ³⁵Cl приходится примерно один атом ³⁷Cl: (3 · 35 + 37) : 4 ≈ 35,5. Поэтому в задачах берут Ar(Cl) = 35,5, а в таблице указано 35,45.
Электронные оболочки атома
Электроны в атоме располагаются слоями — электронными оболочками, или энергетическими уровнями. Чем дальше уровень от ядра, тем больше энергия его электронов и тем слабее они притягиваются к ядру. Уровни нумеруют от ядра: n = 1, 2, 3…
- Максимальное число электронов на уровне — 2n²: на первом 2, на втором 8, на третьем 18, на четвёртом 32.
- Число заполняемых уровней в атоме равно номеру периода.
- У элементов главных подгрупп число электронов на внешнем уровне равно номеру группы (короткий вариант таблицы).
- На внешнем уровне бывает не больше 8 электронов. Восемь электронов (у гелия — два) — завершённый, очень устойчивый уровень: поэтому благородные газы почти не вступают в реакции.
Внутри уровня электроны распределены по подуровням s, p, d и f; запись вида 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ (натрий) называют электронной формулой. Как её составлять — на странице электронная конфигурация атомов.
Электроны внешнего уровня участвуют в образовании химических связей: атомы металлов легко их отдают, атомы неметаллов достраивают внешний уровень до восьми (см. виды химической связи).
Схема строения атома
Схема строения атома показывает заряд ядра и число электронов на каждом уровне. Как её нарисовать:
- Найдите элемент в таблице Менделеева: порядковый номер Z — это заряд ядра и число электронов.
- Нарисуйте ядро — кружок со знаком заряда, например +11.
- По номеру периода определите число электронных уровней и нарисуйте столько же дуг.
- Распределите электроны: на первый уровень — не больше 2, на второй — не больше 8; у элементов главных подгрупп на внешний уровень ставьте столько электронов, каков номер группы.
- Проверьте: сумма электронов на всех уровнях равна Z.
У элементов 1–20 уровни заполняются по порядку: 2 электрона на первом, 8 на втором, 8 на третьем, после чего у калия и кальция начинается четвёртый уровень. Начиная со скандия, электроны достраивают третий уровень до 18 — это переходные металлы (d-элементы), и у них на внешнем уровне обычно 2 электрона (у хрома и меди — 1).
Строение атома натрия, хлора и железа
Натрий
Натрий — № 11, 3-й период, I группа. В ядре 11 протонов и 12 нейтронов, вокруг 11 электронов. Схема: +11 ) 2 ) 8 ) 1, электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Единственный внешний электрон удерживается слабо, атом легко его отдаёт и превращается в ион Na⁺ с устойчивой оболочкой 2, 8. Поэтому натрий — активный металл и сильный восстановитель: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. В лаборатории это видно в опыте «Натрий и вода».
Хлор
Хлор — № 17, 3-й период, VII группа. В ядре 17 протонов и 18 нейтронов (у изотопа ³⁵Cl), электронов 17. Схема: +17 ) 2 ) 8 ) 7, электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. До завершения внешнего уровня не хватает одного электрона, поэтому хлор легко его принимает и становится ионом Cl⁻ с оболочками 2, 8, 8 — это типичный неметалл и окислитель. Натрий и хлор соединяются в ионное вещество NaCl: 2Na + Cl₂ → 2NaCl.
Железо
Железо — № 26, 4-й период, VIII группа (побочная подгруппа). В ядре 26 протонов и 30 нейтронов, электронов 26. Схема: +26 ) 2 ) 8 ) 14 ) 2, электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²; третий уровень не достроен до 18 — это d-элемент. Отдавая два 4s-электрона, атом образует ион Fe²⁺ (Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑), а отдавая ещё один 3d-электрон — ион Fe³⁺ (2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃). Ионы Fe³⁺ обнаруживают в опыте «Ионы железа(III)»: с роданидом калия раствор становится кроваво-красным.
Строение атома и периодическая система
Строение атома объясняет, почему таблица Менделеева устроена именно так. Элементы стоят по возрастанию заряда ядра, и строение внешнего уровня периодически повторяется: у лития, натрия и калия по одному внешнему электрону, у фтора и хлора — по семь. Поэтому современная формулировка периодического закона такая: свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.
Отсюда и закономерности: в периоде заряд ядра растёт при том же числе уровней, радиус уменьшается и металлические свойства ослабевают; в группе сверху вниз добавляются уровни, радиус растёт и металлические свойства усиливаются. Сводная таблица — на странице таблица Менделеева.
Строение атома проявляется и в опыте «Окраска пламени»: в пламени электроны ионов металлов переходят на более высокие уровни, а возвращаясь, испускают свет определённого цвета — жёлтый у Na⁺, фиолетовый у K⁺, кирпично-красный у Ca²⁺.
Микромир: схемы атомов на страницах элементов
У каждого из 118 элементов в справочнике есть страница со схемой атома «микромир». На ней нарисовано ядро с протонами и нейтронами и электроны, расставленные по оболочкам, а рядом — электронная конфигурация, степени окисления, вещества элемента и реакции с его участием. Это удобный способ проверить себя: нарисуйте схему атома в тетради, а затем сравните с «микромиром».
Ниже — элементы 1–20, с которых начинают изучать строение атома в 8 классе; остальные — в списке всех элементов.
Схемы атомов элементов 1–20
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Окраска пламени
Петлю с солью вносят в пламя: Na⁺ — жёлтое, K⁺ — фиолетовое, Cu²⁺ — зелёное.
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Ионы железа(III)
Роданид калия окрашивает раствор с ионами Fe³⁺ в кроваво-красный цвет.
Читайте также
Частые вопросы
Из чего состоит атом?
Из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. Ядро состоит из протонов (заряд +1) и нейтронов (без заряда). Число протонов равно числу электронов, поэтому атом электронейтрален.
Как найти число протонов, нейтронов и электронов в атоме?
Протонов и электронов столько, каков порядковый номер элемента. Нейтронов — массовое число минус порядковый номер: N = A − Z. У натрия 11 протонов, 11 электронов и 23 − 11 = 12 нейтронов.
Что такое изотопы?
Атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Например, у водорода три изотопа — протий, дейтерий и тритий с 0, 1 и 2 нейтронами.
Сколько электронов может быть на энергетическом уровне?
Не больше 2n², где n — номер уровня: 2 на первом, 8 на втором, 18 на третьем, 32 на четвёртом. На внешнем уровне — не больше 8 электронов, а число уровней равно номеру периода.