Химия · Строение атома и периодический закон · 7 класс

Строение атома и изотопы

Почему относительная атомная масса хлора не целая, а 35,45?

Открыть эксперимент

Ситуация

В каждой крупинке поваренной соли есть атомы натрия и хлора. А в периодической таблице относительная атомная масса хлора 35,45 — не целое число. Из чего состоит атом? Что изменится, если добавить к нему один протон? А если один нейтрон? И почему уран, добываемый в Навоийской области, миллиарды лет медленно превращается в свинец?

Тема

Строение атома и изотопы. Конструктор атома: добавим протон — изменится элемент, добавим нейтрон — получится изотоп; углерод-12 и углерод-14, хлор-35 и хлор-37: почему Ar(Cl) = 35,45

Ключевые понятия

• Протон, нейтрон, электрон
• Изотопы
• Относительная атомная масса

Формулы

Массовое число: сумма числа протонов ($Z$) и нейтронов ($N$); значит, $N=A-Z$.

Число электронов: в нейтральном атоме $Z$; в ионе с зарядом $q$ — $Z-q$ (у Na⁺ 10, у Cl⁻ 18).

Относительная атомная масса — среднее масс изотопов с учётом их природных долей ($x_i$).

α-распад: ядро испускает ядро ⁴He — $A$ уменьшается на 4, $Z$ — на 2.

β⁻-распад: нейтрон превращается в протон, и вылетает электрон — $Z$ увеличивается на 1, $A$ не меняется.

Теория

Учение об атоме

В V веке до н. э. Демокрит предположил, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов. Дальтон (1803–1808) связал это с химическими опытами: каждый элемент состоит из своих атомов, и они различаются массой. Томсон в 1897 году открыл электрон и предложил модель «пудинга с изюмом» (1904). Резерфорд по рассеянию α-частиц на золотой фольге (опыт Гейгера и Марсдена, 1909) обнаружил в центре атома маленькое тяжёлое ядро (1911). Бор (1913) показал, что электроны движутся на определённых уровнях, а современная квантовая модель описывает электрон как «облако» (орбиталь). В режиме «Модели» сравните шесть моделей; подробно опыт по рассеянию — «Опыт Резерфорда» в разделе физики.

Состав атома: протон, нейтрон, электрон

В центре атома — ядро: положительные протоны ($p^{+}$, заряд $+\mathrm{1,602}\cdot {10}^{-19}$ Кл, масса $\mathrm{1,6726}\cdot {10}^{-27}$ кг ≈ 1,0073 а. е. м.) и незаряженные нейтроны ($n^0$, ≈ 1,0087 а. е. м.). Вокруг — отрицательные электроны ($e^{-}$, $\mathrm{9,109}\cdot {10}^{-31}$ кг — в 1836 раз легче протона). Размер атома ≈ ${10}^{-10}$ м, ядра — ${10}^{-15}$–${10}^{-14}$ м: ядро примерно в 100 000 раз меньше атома, но в нём сосредоточено более 99,9 % массы. Порядковый номер $Z$ = число протонов; в нейтральном атоме электронов тоже $Z$. Массовое число $A=Z+N$.

Элемент, изотопы, изобары, ионы

Химический элемент — вид атомов с одинаковым числом протонов: добавите протон — элемент изменится. Изотопы — атомы с одинаковым $Z$ и разным $N$: протий ¹H, дейтерий ²H (D) и тритий ³H (T) у водорода; ³⁵Cl и ³⁷Cl. Поскольку электронов у них поровну, химические свойства почти одинаковы. Изобары — одинаковое массовое число, разное $Z$: ⁴⁰Ar, ⁴⁰K, ⁴⁰Ca. Изотоны — одинаковое число нейтронов: ¹³C и ¹⁴N (по 7). Если атом отдаёт электрон, образуется положительный катион (Na⁺), если принимает — отрицательный анион (Cl⁻); ядро не меняется. На карте $N$–$Z$ в конструкторе изотопы — горизонтальная строка, изотоны — столбец, изобары — диагональ.

Относительная атомная масса и масс-спектрометр

Атомная единица массы $1\text{а}.\text{е}.\text{м}.=m({}^{12}\mathrm{C})/12=\mathrm{1,6605}\cdot {10}^{-27}$ кг. Относительная атомная масса $A_r$ — отношение массы атома к 1 а. е. м.; табличное $A_r$ элемента — среднее для природной смеси изотопов: $A_r(\mathrm{Cl})=\mathrm{0,7576}\cdot \mathrm{34,969}+\mathrm{0,2424}\cdot \mathrm{36,966}=\mathrm{35,45}$. Доли изотопов измеряет масс-спектрометр: ионы ускоряются напряжением $U$ и в магнитном поле $B$ описывают дугу радиусом $r=\frac{1}{B}\sqrt{2mU/q}$ — тяжёлые ионы летят по большей дуге и попадают в другое место детектора.

Радиоактивность и ядерные реакции

Некоторые ядра нестабильны: они самопроизвольно испускают частицу и превращаются в другое ядро — радиоактивность (А. Беккерель, 1896). При α-распаде вылетает ядро ⁴He: $A$ уменьшается на 4, $Z$ — на 2. При β⁻-распаде нейтрон в ядре превращается в протон, и вылетает электрон: $Z$ увеличивается на 1, $A$ не меняется (правило смещения). Время, за которое распадается половина ядер, — период полураспада $T_{1/2}$: у ¹⁴C ≈ 5730 лет, у ²³⁸U 4,47 млрд лет. ²³⁸U после 8 α- и 6 β⁻-распадов превращается в стабильный ²⁰⁶Pb. Бывают и искусственные ядерные реакции: Резерфорд (1919) ${\phantom{X}}_{\phantom{7}}^{\phantom{14}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{7}7}^{\phantom{2}\phantom{14}14}\mathrm{N}+{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{2}2}^{\phantom{2}\phantom{4}4}\mathrm{He}\stackrel{}{\to }{\phantom{X}}_{\phantom{8}}^{\phantom{17}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{8}8}^{\phantom{2}\phantom{17}17}\mathrm{O}+{\phantom{X}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{1}1}^{\phantom{2}\phantom{1}1}\mathrm{H}$, Чедвик (1932) ${\phantom{X}}_{\phantom{4}}^{\phantom{9}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{4}4}^{\phantom{2}\phantom{9}9}\mathrm{Be}+{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{2}2}^{\phantom{2}\phantom{4}4}\mathrm{He}\stackrel{}{\to }{\phantom{X}}_{\phantom{6}}^{\phantom{12}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{6}6}^{\phantom{2}\phantom{12}12}\mathrm{C}+{\phantom{X}}_{\phantom{0}}^{\phantom{1}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}\phantom{0}0}^{\phantom{2}\phantom{1}1}\mathrm{n}$ — открытие нейтрона. Подробнее — в разделе физики: «Радиоактивность, период полураспада» и «Атомное ядро и энергия связи».

О источниках и модели

Массы частиц — CODATA 2022; массы изотопов — AME2020; природные доли — IUPAC (2013, представительный состав); периоды полураспада — NUBASE2020. Модель: размеры схематичны (ядро на самом деле в 100 000 раз меньше атома), оболочки Бора — упрощённая картина. В конструкторе $Z\le 20$; сочетание протонов и нейтронов, которого нет в таблице, показывается как «нестабильное». На сцене с золотой фольгой отражений назад показано больше, чем в реальном опыте (на платине в 1909 году — примерно одно из 8000), в масс-спектрометре движение ионов сильно замедлено, а цепочка распадов дана без шкалы времени — каждое нажатие даёт один распад.

Знаете ли вы?

• Нейтрон открыл в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик, облучая бериллий α-частицами; за это открытие в 1935 году он получил Нобелевскую премию по физике.
• Радиоуглеродный метод (Уиллард Либби, Нобелевская премия по химии, 1960) основан на том, что после гибели организма доля ¹⁴C в нём уменьшается вдвое каждые ≈ 5730 лет: им определяют возраст остатков до примерно 50 тысяч лет.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

• Элементы и периодическая таблица — 7 класс
• Электронные оболочки и орбитали — 8 класс