Как найти заряд ядра в элементарных зарядах

Знаете ответ?

Как определить заряд ядра атома

Строение атома – это одна из базовых тем курса химии, которая основана на умении пользоваться таблицей «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева». Это не только систематизированные и расположенные по определенным законам химические элементы, но и кладезь информации, в том числе и о строении атома. Зная особенности чтения этого уникального справочного материала, можно дать полную качественную и количественную характеристику атому.

Вам понадобится

• Таблица Д.И.Менделеева

Инструкция

В таблице Д.И.Менделеева, как в многоэтажном многоквартирном доме «живут» химические элементы, каждый из которых занимает свою собственную квартиру. Таким образом, каждый из элементов имеет определенный порядковый номер, указанный в таблице. Нумерация химических элементов начинается слева направо, причем сверху. В таблице горизонтальные ряды называются периодами, а вертикальные столбцы – группами. Это немаловажно, потому что по номеру группы или периода можно также дать характеристику некоторым параметрам атома.

Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из более мелких составных частей, к которым можно отнести протоны (положительно заряженные частицы), электроны (заряжены отрицательно) и нейтроны (нейтральные частицы). Основная масса атома сосредоточена в ядре (за счет протонов и нейтронов), вокруг которого вращаются электроны. В целом атом электронейтрален, то есть в нем количество положительных зарядов совпадает с количеством отрицательных, следовательно, число протонов и электронов одинаково. Положительный заряд ядра атома имеет место быть как раз за счет протонов.

Необходимо запомнить, что порядковый номер химического элемента количественно совпадает с зарядом ядра атома. Поэтому, чтобы определить заряд ядра атома необходимо посмотреть, под каким номером находится данный химический элемент.

Пример № 1. Определить заряд ядра атома углерода (С). Начинаем анализировать химический элемент углерод, ориентируясь на таблицу Д.И.Менделеева. Углерод находится в «квартире» № 6. Следовательно, он имеет заряд ядра +6 за счет 6 протонов (положительно заряженных частиц), которые располагаются в ядре. Учитывая, что атом электронейтрален, значит, электронов тоже будет 6.

Пример № 2. Определить заряд ядра атома алюминия (Al). Алюминий имеет порядковый номер – № 13. Следовательно, заряд ядра атома алюминия +13 (за счет 13 протонов). Электронов также будет 13.

Пример № 3. Определить заряд ядра атома серебра (Ag). Серебро имеет порядковый номер – № 47. Значит, заряд ядра атома серебра + 47 (за счет 47 протонов). Электронов также 47.

Обратите внимание

В таблице Д.И.Менделеева в одной клетке для каждого химического элемента указаны два числовых значения. Не путайте порядковый номер и относительную атомную массу элемента

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Практически сразу после
открытия нейтрона советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким учёным
Вернером Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра.
Согласно ей, ядра всех химических элементов (за исключением водорода) состоят
из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны называют
нуклонами (от латинского «нуклеус» — ядро), а ядра атомов — нуклидами.

Общее число нуклонов в ядре
называют массовым числом и обозначают
буквой А. Оно ставится вверху перед буквенным обозначением химического
элемента.

Например, массовое число
кислорода равно 16, а углерода — 12.

Мы уже говорили о том, что массовое
число принято выражать в атомных единицах массы (сокращённо, а. е. м.) и
округлять до целых чисел. Напомним также, что атомную единицу массы
выражают через массу атома углерода; она равна 1/12 части массы атома углерода:

Число протонов в ядре
соответствует порядковому или атомному номеру элемента в таблице Менделеева и
называется зарядовым числом,
поскольку оно определяет заряд ядра. Обозначается зарядовое число буквой Z.

В наших примерах, зарядовое
число кислорода равно восьми, а углерода — 6.

Как видно из приведённых
примеров, зарядовое число ставится внизу перед буквенным обозначением элемента.

Напомним, что заряд протона положителен
и равен элементарному электрическому заряду. Следовательно, зарядовое число
численно равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах.

Так как атом в целом
электрически нейтрален, то зарядовое число определяет одновременно и число
электронов в атоме.

Число нейтронов в ядре обозначают большой буквой N. Нетрудно
догадаться, что оно равно разнице между массовым и зарядовым числом:

Таким образом, ядро любого
атома обозначается буквенным символом элемента. Вверху указывается значение его
массового числа, а внизу — зарядового.

В общем случае любой
химический элемент периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева можно
представить в виде:

где под X
подразумевается символ химического элемента.

Ещё раз уточним, каким образом
определяется число протонов, электронов и нейтронов в ядре атома любого
химического элемента. Во-первых, необходимо посмотреть в таблице Менделеева
порядковый номер интересующего нас химического элемента. Таким образом мы
найдём зарядовое число, то есть количество протонов и электронов в ядре. Затем,
всё в той же таблице, необходимо посмотреть атомную массу этого элемента и
округлить её до целых. Тем самым мы найдём массовое число, то есть общее
количество нуклонов в ядре. И наконец, чтобы определить количество нейтронов в
ядре атома, мы должны будем вычесть из массового числа зарядовое.

На основе новой,
протонно-нейтронной модели строения атомных ядер, было дано объяснение многим
экспериментальным фактам. Так, например, ещё в 1906—1907 годах учёными было
выявлено, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт
радиоактивного распада тория — радиоторий имеют те же химические свойства, что
и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного
распада. При этом атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, а отделить
их друг от друга было невозможно никакими химическими методами. Впервые, на
существование таких атомов обратил внимание Фредерик Содди в 1910 году. Он
предложил называть такие разновидности атомов одного и того же химического
элемента изотопами (что по-гречески означает «равноместные»), так как по
своим химическим свойствам они должны быть помещены в одну и ту же клетку
таблицы Менделеева.

На основании многих
экспериментов, было установлено, что изотопы одинаково вступают в химические
реакции и образуют одинаковые соединения. Это говорило о том, что число
электронов в электронных оболочках, а, значит, и заряд ядра у изотопов
одинаковы. Следовательно, ядра изотопов различаются только числом нейтронов.
Иными словами, химические свойства элементов определяются не атомной массой, а
зарядовым числом ядра. Действительно, например, нуклиды водорода-три и гелия-три
имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические
свойства.

Из всех известных на
сегодняшний день изотопов (а они есть у всех химических элементов) только изотопы
водорода имеют названия:

Протий является самым
распространённым изотопом в природе, а его ядро содержит только один протон.
Изотоп дейтерия (его ещё называют тяжёлой водой), содержит в своём ядре один
протон и один нейтрон. Соответственно, у трития — один протон и два нейтрона. В
настоящее время в лабораториях получены изотопы водорода и с большим числом
нейтронов: тремя, четырьмя, пятью и даже шестью.

Следует отметить, что у разных
атомов существует разное количество изотопов. Например, у урана их 26, но
самыми распространёнными в природе являются два — это уран-235 (около 0,7 %), и
уран-238 (чуть более 99 %). Вы, наверное, обратили внимание на то, что мы не
называли зарядового числа изотопов урана. Дело в том, что обычно изотопы
называют по их массовым числам, так как зарядовые числа у них одинаковые.

Отметим, что изотопы бывают
устойчивые (или стабильные) и неустойчивые (то есть радиоактивные). Стабильные
изотопы сохраняются сколь угодно долго.

А нестабильные изотопы со
временем превращаются в другие химические элементы в результате радиоактивных
превращений.

В настоящее время известно
около 280 стабильных изотопов химических элементов и более 2 тыс. радиоактивных
изотопов.

Как правило, природные
элементы представляют собой смесь нескольких изотопов, поэтому возникает
задача их разделения. Как мы уже знаем, магнитное поле искривляет траекторию
движения заряженных частиц. На этом свойстве магнитного поля основано действие
устройства, называемого масс-спектрографом, который используется для
разделения изотопов по массовому числу.

Закрепления материала.

В заключении отметим, что предложенная
Иваненко и Гейзенбергом протонно-нейтронная модель строения ядра впоследствии
полностью была подтверждена экспериментально. Однако оставался нерешённым ещё
один вопрос: почему ядра атомов не распадаются на отдельные нуклоны?
Действительно, ведь мы знаем, что ядра атомов являются весьма устойчивыми
образованиями, хотя в их состав входят одинаково заряженные частицы — протоны.
А поскольку размеры ядер очень малы, то между протонами должны существовать
огромные силы электрического отталкивания — порядка 230 ньютонов, что для
частиц с массой порядка 10^–27 степени килограмм является очень
большой силой. Поэтому возникает вопрос: какое взаимодействие препятствует
взаимному отталкиванию между одноимённо заряженными частицами?

Мы знаем, что, кроме
электромагнитных сил, в природе существуют также гравитационные силы. Может
быть, стабилизирующую роль в ядрах играет именно гравитационное взаимодействие
между нуклонами?

Нет, так как расчёты
показывают, что сила гравитационного притяжения между двумя протонами в ядре
пренебрежимо мала по сравнению с силой электростатического отталкивания. Этот
результат позволяет сделать вывод о том, что между ядерными частицами,
по-видимому, действуют силы особой природы, радикально отличающиеся от
гравитационных и электромагнитных сил. Эти силы принято называть ядерными
силами. А так как ядерное взаимодействие во много раз превосходит
электромагнитное, то его ещё называют сильным взаимодействием.

Другой особенностью ядерных
сил является то, что они очень быстро убывают с увеличением расстояния между
ядерными частицами. Проще говоря, они действуют на расстояниях, сравнимыми с
размерами самих ядер.

Основной структурной единицей веществ атомного строения является атом.

Атом – мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Электронная оболочка – совокупность группирующихся вокруг ядра электронов.

Электрон – одна из элементарных частиц материи, обладающая массой покоя и элементарным отрицательным зарядом.

Когда говорят о массе покоя, то подразумевают, что частица может находиться в состоянии покоя и иметь массу. Существуют частицы, которые не могут находиться в состоянии покоя, например частицы света – фотоны. В этом случае говорят, что фотон не имеет массы покоя.

Заряд электрона называется элементарным, так как это наименьший отрицательный заряд в природе. По этой причине заряд электрона условно принимают равным -1.

Атомное ядро – центральная, положительно заряженная, сложно организованная часть атома, состоящая из нуклонов, связанных между собой ядерными силами.

Нуклоны – общее название двух типов частиц, протонов и нейтронов.

С точки зрения атомной физики протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.

Нуклон – структурная единица ядра атома, которая может находиться в двух состояниях, протона и нейтрона.

Нуклоны (протоны и нейтроны) состоят из кварков.

Заряд ядра атома соответствует атомному номеру (порядковому номеру) элемента в периодической системе (Z).

Заряд ядра определяется числом протонов, следовательно:

Так как атом – электронейтральная частица, то:

Массовое число (нуклонное число) – сумма числа протонов и нейтронов в ядре данного атома.

Если в условии задания не указано массовое число, то его можно взять из таблицы Д.И. Менделеева, округлив до целой величины относительную атомную массу.

О том, что такое относительная атомная масса мы поговорим чуть позже. Пока не заостряйте на этом внимание. Где её найти в таблице Д.И. Менделеева показано на рисунке ниже.

Для расчета числа нейтронов в ядре используется формула:

Для характеристик частицы (протона, нейтрона, атома) применяют следующую запись:

Определим состав атома хлора. Порядковый номер хлора в таблице Д. И. Менделеева равен 17, следовательно заряд ядра атома хлора равен +17. Если заряд ядра равен +17, то в ядре атома хлора 17 протонов, а в электронной оболочке 17 электронов.

Чтобы определить число нейтронов в ядре атома хлора, округлим до целой величины относительную атомную массу хлора, это значение равно 36. То есть, в ядре атома хлора 36 нуклонов, 17 из них являются протонами, тогда число нейтронов равно 36-17 = 19.

Кратко это можно записать следующим образом:

Атомы отличаются друг от друга радиусом, массой, зарядом ядра, количеством электронов и другими параметрами. Заряд ядра атома – это наиболее важная его характеристика. Поэтому все атомы можно условно разделить на группы (классифицировать) по заряду их ядер. Такие абстрактные группы принято называть химическими элементами.

Химический элемент – вид атомов, с определённым зарядом ядра.

Химический элемент – одно из центральных понятий науки химии.

По предложению шведского химика Й. Берцелиуса химические элементы обозначают начальной или начальной и одной из последующих букв латинского названия элемента (1813 г).

Водород на лат. Hydrogenium (H). Ртуть на лат. Hydrargyrum (Hg) Эти буквенные обозначения называются химическими знаками или химическими символами.

Символ отдельного атома совпадает с символом соответствующего ему химического элемента. К примеру, символ S обозначает химический элемент серу или же один атом этого элемента.

Если требуется обозначить не один, а несколько атомов, то перед символом элемента ставят соответствующую цифру – коэффициент. 5S – пять атомов элемента серы.

Символы и русские названия химических элементов можно найти в таблице Д. И. Менделеева.

Несмотря на то что у ядер атомов одного и того же химического элемента одинаковый заряд, они могут отличаться друг от друга массовым (нуклонным) числом по причине разного количества нейтронов. Такие разновидности ядер атомов одного химического элемента называют изотопами.

Изотопы – ядра с одинаковым зарядом, но разным массовым числом, т.е разным числом нейтронов.

Отметим, что термин изотопы следует употреблять только во множественном числе. В единственном числе следует говорить – нуклид. Что такое нуклиды Вы узнаете чуть позже.

К примеру, химический элемент водород (H) представляет из себя смесь атомов с массовыми числами равными 1 и 2, это изотопы водорода – протий (H) и дейтерий (D). Нуклид водорода с массовым числом 3 в природе не встречается, так как его ядро чрезвычайно нестабильно и очень быстро подвергается ядерному распаду, это так называемый тритий (T).

Запишем состав изотопов водорода, пользуясь описанными выше правилами.

Мы убедились, что изотопы отличаются массовыми числами, а также количеством нейтронов в ядре. Заряд ядер изотопов одинаковый, так как они принадлежат одному химическому элементу.

Содержание изотопов в земной коре разное ввиду их разной стабильности. Чем устойчивее изотоп, тем выше его содержание.

Содержание изотопов элемента Х может быть оценено в массовых или мольных долях.

Доля – отношение части к целому.

Массовая доля (w или w%) – отношение массы части системы к массе всей системы.

О мольной доле мы поговорим позднее в соответствующей теме.

Массовая доля – величина безразмерная, её выражают в долях единицы или процентах. Для вычисления массовой доли применяются формулы:

Изотопный состав элемента водорода может быть представлен следующей схемой:

Задания по теме “Основные сведения о строении атома”

• Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.
• Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.
• Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме циркония.
• Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме иттрия.
• Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме индия.
• Укажите число протонов, нейтронов и электронов в атоме кадмия.
• Сколько нейтронов содержит ядро атома 37Cl?
• Сколько нейтронов содержит ядро атома 18O?
• Сколько нейтронов содержит ядро атома 30Si?
• Сколько нейтронов содержит ядро атома 19F?