Равно ли количество протонов количеству электронов?
А стабильном атоме — да. Равенство протонов количеству электроном в атоме обеспечивает нейтральный заряд атома, что позволяет атому входить в состав химического вещества.
В плазме — нет. Высокая температура отрывает электроны от атомов и мы можем получить голые ядра атомов, состоящих только из протонов и нейтронов в отсутствие электронов.
По-видимому — да. Сейчас считается, что Вселенная в целом электронейтральна, то есть суммарный положительный заряд в ней равен суммарному отрицательному. Поскольку по большей части электрический заряд барионной материи определяется стабильными частицами (протонами и электронами), то их число должно быть одинаковым.
В каком-то конкретном месте на какое-то короткое время могнут появляться и другие заряженные частицы, но они довольно быстро превращаются либо в электроны, либо в позитроны (которые рано или поздно аннигилируют и превращаются в гамма-кванты). Это не нарушает баланса, поскольку на образование позитрона расходуется протон.
Химические элементы
Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.
- Обозначение химического элемента
- Русское наименование
- Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов
- Атомная масса
- Распределение электронов по энергетическим уровням
- Электронная конфигурация внешнего уровня
Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))
Протоны, нейтроны и электроны
Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов.
Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:
Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.
Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.
Изотопы
Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента, имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.
Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные на земле изотопы.
Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.
В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.
Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.
Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который включен в таблицу Д.И. Менделеева.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Атомы
Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества, а также наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химически неделимая означает, что атом в ходе химических реакций не делится на более мелкие части.
Атомы очень маленькие частицы, их размер находится в диапазоне от одного до пяти ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10 –10 метра.
Состав и строение атомов
Атомы состоят из ещё более мелких частиц.
В центре любого атома находится положительно заряженное ядро. В пространстве вокруг ядра находятся отрицательно заряженные частицы — электроны, которые образуют так называемое электронное облако . Таким образом, атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его отрицательно заряженного электронного облака.
Пример. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся два протона и два нейтрона, и двух электронов:
Ядро атома — это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Протон — это частица, которая имеет положительный электрический заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона — p + .
Нейтрон — это частица, не имеющая электрического заряда. Заряд нейтрона равен 0. Символ нейтрона — n 0 .
Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны.
Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов с положительным зарядом и нейтронов. По величине заряд равен количеству протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.
Электрон — это частица, которая имеет отрицательный электрический заряд. Заряд электрона в условных единицах равен -1. Символ электрона — e .
Протоны, нейтроны и электроны имеют общее название — элементарные частицы или субатомные частицы.
| Название | Символ | Заряд |
|---|---|---|
| Протон | p + | +1 |
| Нейтрон | n 0 | 0 |
| Электрон | e | -1 |
Заряд протона и электрона одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Любой атом содержит равное число протонов и электронов, значит заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Следовательно, атомы являются электронейтральными частицами.
Протонов столько же сколько и электронов
Нам уже ясно, что все атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Теперь предстоит разобраться, как из частиц всего трех видов получается все многообразие химических элементов и веществ, простых и сложных.
Когда из элементарных частиц (так химики называют протоны, нейтроны и электроны) мы начинаем «конструировать» атомы, то надо собрать частицы всех сортов, причем в таких количествах, чтобы получился нужный результат — атом заданного элемента. Пока только неясно, какие из частиц для атома самые важные — протоны, нейтроны или электроны.
Если для нас главное — химические свойства вещества, то самыми важными окажутся электроны.
Сколько у атома электронов и как они расположены, какие у них манеры — ленивы они или энергичны, гуляки или домоседы? Вот что расскажет нам о характере и поведении каждого атома и в химических соединениях, и в химических реакциях.
Но атом, как мы условились, должен быть электронейтральным. Значит, сколько электронов — столько и протонов. И все атомы, у которых одинаковое число протонов, будут считаться атомами одного и того же химического элемента: химические свойства у них тоже будут одинаковы.
Значит, каждый химический элемент состоит из атомов с одним и тем же зарядом ядра, или с одним и тем же атомным номером.
А зачем же тогда нужны эти странные частицы нейтроны? Оказывается, нейтроны, утяжеляя ядро атома, придают ему больше прочности. При этом в ядре атомов одного и того же элемента может содержаться разное число нейтронов.
Например, в обычном атоме водорода 1 протон и 1 электрон. Такой атом водорода иначе называют «протий» и обозначают символом H.
«Тяжелый водород» — дейтерий — содержит в ядре уже две крупные частицы: 1 протон и 1 нейтрон. Дейтерий имеет свой символ: D. Электрон у дейтерия один, как у обычного «легкого» водорода, поэтому по химическим свойствам дейтерий и протий одинаковы.
Есть еще тритий — сверхтяжелый водород, в ядре атома которого, кроме протона, присутствуют 2 нейтрона. Электрон у трития тоже один. Тритий имеет свой особый химический символ: T.
«Легкий» водород (протий), дейтерий и тритий называются изотопами (от греческих слов «изос» — одинаковый и «топос» — место) элемента водорода. Они находятся в одной и той же клетке Периодической системы элементов, одинаковы по химическим свойствам, а отличаются только массой атома. Изотопы обозначают так:
Здесь мы видим слева от символа каждого изотопа две цифры — его числовые характеристики. Это цифры очень важные. Слева внизу указан порядковый номер данного элемента в Периодической системе, он же — заряд ядра, он же — число протонов. Наконец, он же дает нам общее число электронов в том атоме, о котором идет речь. Слева вверху стоит масса атома данного изотопа, выраженная в углеродных единицах.
Не только водород, но и многие другие элементы тоже образуют по несколько изотопов — атомов с одним и тем же зарядом ядра и числом электронов, но с разным числом нейтронов. Это происходит из-за того, что ядро атома может стать устойчивым при разных нейтронных «добавках» к его протонной основе.
Если взять атом кислорода (кислород обозначается символом O) с зарядом ядра +8, относительной массой ядра, равной 16, и добавить в ядро еще 2 нейтрона, то мы получим не новый элемент, а всего лишь новый изотоп кислорода — кислород-18:
Другое дело, если мы начнем прибавлять или отнимать протоны. При добавлении протона к ядру атома кислорода-16 получится ядро атома другого элемента — фтора, который в Периодической системе следует за кислородом. Символ этого элемента F:
Наоборот, при изъятии одного протона из атома кислорода получится ядро изотопа элемента азота, который обозначается символом N:
В обоих случаях кислород как химический элемент уже больше не существует: в результате наших операций с «химическим конструктором» получаются другие элементы.
О том, чтобы превращать одни элементы в другие, тысячу лет назад мечтали поколения алхимиков — искателей способа сделать из простых металлов благородные (например, из железа и меди получить золото и серебро).
Однако то, что легко выходит на бумаге, осуществить на практике чрезвычайно трудно или вообще невозможно.
По крайней мере, химические способы для этого не подходят, надо воспользоваться приемами ядерной физики.
Гораздо проще удалить из атома или, наоборот, добавить электрон.
Например, от водорода электрон отнимается, когда получается положительно заряженный ион (катион) водорода H + :
А прибавление к атому кислорода двух электронов дает нам отрицательно заряженный ион (анион) кислорода О 2− :
Когда химики наблюдают в реакциях образование катионов и анионов? Это происходит довольно часто. Ведь большинство химических процессов как раз и заключаются в обмене электронами между атомами разных веществ.
Вот самый простой пример: металлический натрий и газообразный хлор при встрече проявляют друг к другу такой необыкновенный интерес, что появляется пламя и может даже произойти небольшой взрыв. А все потому, что разбойник хлор отнимает у натрия электроны. В результате из атомов натрия Na получаются катионы натрия Na + , а из атомов хлора Cl — хлоридные анионы Cl − :
Na 0 −1 e − = Na +
Cl 0 + 1 e − = Cl −
Эти ионы более устойчивы, чем исходные атомы натрия и хлора, поэтому выделяется энергия.
Теперь нам становится понятно, кто в атоме самый главный. Конечно, это протон.
Нейтронов в атоме может быть больше или меньше, но это все будут атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (изотопы).
Электронов может быть столько же, сколько протонов в ядре (тогда это нейтральный атом), меньше (тогда это катион) или больше (тогда это анион), но это будет катион или анион одного и того же элемента.