Из чего состоит ядро атома
В центре каждого атома находится ядро. Оно включает в себя два типа частиц:
- Протоны — обладают положительным зарядом.
- Нейтроны — не имеют заряда.
Единственным исключением из этого правила является атом самого легкого элемента — водорода. В его ядре находится ровно один протон, а нейтроны отсутствуют. Все остальные многозарядные ядра в обязательном порядке содержат обе разновидности частиц. При этом устойчивость ядра зависит от определенного соотношения количества протонов и нейтронов.
Заряд ядра и химический элемент
Количество протонов определяет заряд ядра ($Z$). Именно эта величина является главным признаком, по которому атомы классифицируются. Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Поскольку атом в целом является электронейтральной частицей, вокруг ядра должно вращаться ровно столько же отрицательно заряженных электронов, сколько протонов находится внутри.
В Периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер элемента строго соответствует заряду его ядра. Современная формулировка Периодического закона гласит: свойства элементов и образуемых ими веществ находятся в периодической зависимости именно от зарядов их атомных ядер. Масса атомов растет вместе с зарядом, но не является главным фактором, определяющим свойства.
Массовое число
Массы одиночного протона и нейтрона почти равны и составляют примерно $1$ атомную единицу массы (а.е.м.). Электроны же настолько легкие, что их вклад в общую массу атома не учитывается. Поэтому масса всего атома всегда близка к целому значению.
Массовое число ($A$) — это суммарное количество протонов ($Z$) и нейтронов ($N$) в ядре. Оно вычисляется по формуле: $A = Z + N$.
Нуклиды и изотопы
Атомы одного и того же элемента (с одинаковым $Z$) могут содержать разное количество нейтронов, а значит, иметь разную массу.
- Нуклид — это конкретный вид атомов с четко заданным значением заряда ядра и массового числа.
- Изотопы — это нуклиды одного и того же химического элемента. У них одинаковый заряд, но разная масса.
Для обозначения нуклидов используют символ химического элемента. Слева внизу пишут заряд ядра ($Z$), а слева вверху — массовое число ($A$). Например, изотопы кремния обозначают как ${}^{28}_{14}\text{Si}$, ${}^{29}_{14}\text{Si}$ и ${}^{30}_{14}\text{Si}$.
Особенности атомных масс в таблице Менделеева
В природе большинство химических элементов существует в виде смеси нескольких изотопов. Лишь 19 элементов представлены одним-единственным нуклидом — именно их атомные массы в справочниках ближе всего к целым числам.
У остальных элементов атомная масса, указанная в Периодической таблице, является дробной. Это среднее арифметическое, которое учитывает массу каждого природного изотопа и его процентное содержание. Например, для хлора в расчетах берут значение $35,5$, так как природный хлор состоит из смеси тяжелого и легкого изотопов (${}^{35}_{17}\text{Cl}$ и ${}^{37}_{17}\text{Cl}$).
В химических реакциях разные изотопы одного элемента ведут себя практически идентично. Исключением являются изотопы водорода: из-за колоссальной разницы в массе (в 2 и 3 раза) они получили собственные символы и названия.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие изотопы водорода имеют собственные названия и химические символы?
Из-за значительной разницы в массе собственные названия и символы присвоены изотопам водорода. Существует три основных изотопа водорода, различающихся количеством нейтронов в ядре:
- Протий (${}^1_1 ext{H}$) — обычный водород, ядро состоит из 1 протона без нейтронов;
- Дейтерий (${}^2_1 ext{H}$ или $ ext{D}$) — тяжелый водород, ядро содержит 1 протон и 1 нейтрон;
- Тритий (${}^3_1 ext{H}$ или $ ext{T}$) — радиоактивный водород, ядро состоит из 1 протона и 2 нейтронов.
Какие элементарные частицы объединяют под общим термином «нуклоны»?
Под общим термином «нуклоны» объединяют составные части атомного ядра — протоны и нейтроны. Дальнейшие исследования привели к открытию этих частиц, образующих ядро атома.
Какие силы обеспечивают устойчивость ядра и удерживают протоны от взаимного электростатического отталкивания?
Устойчивость атомных ядер обеспечивается особым притяжением между протонами и нейтронами на очень малых расстояниях, известным как сильное ядерное взаимодействие. Возникающие ядерные силы превышают силу электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами в 200 раз.
Чтобы запомнить связь массового числа: А = Z + N (Аз есмь Закон и Начало, где А - масса, Z - заряд/протоны, N - нейтроны).
Вопросы с занятий и экзамена
Какой знак имеет заряд атомного ядра?
Заряд ядра всегда положительный, так как внутри находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны.
Как узнать число электронов в атоме?
Нужно посмотреть порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Он равен заряду ядра, а заряд ядра, в свою очередь, равен количеству электронов в нейтральном атоме.
Почему атомная масса в таблице Менделеева — дробное число?
Потому что большинство элементов в природе — это смесь изотопов с разной массой. В таблице указывается среднее значение, учитывающее распространенность каждого изотопа.
Что ещё разобрать по теме
- Зависимость свойств элементов от заряда ядра (Периодический закон)
- Причины, по которым Менделеев изначально располагал элементы по массе
- Условия устойчивости многозарядных ядер
- Названия и особенности изотопов водорода
- Алгоритм расчета числа нейтронов в ядре конкретного изотопа
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Состав атомного ядра» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 95 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 5. Строение вещества»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.