§ 4. Хімічний елемент. Нукліди. Ізотопи. Відносна атомна маса

Якщо ми збільшимо або зменшимо число протонів у ядрі, то одержимо ядро іншого елемента, з іншим порядковим номером.

Виявляється, що, змінюючи кількість протонів у ядрі, ми можемо одержати нові хімічні елементи з певним числом протонів, а отже, і зарядом ядра.

Приклад

Якщо забрати з ядра атома Карбону один протон, одержимо ядро атома. (Бору), а якщо додамо один протон, то одержимо ядро атома. (Нітрогену).

• Хімічний елемент — це різновид атомів з однаковим позитивним зарядом ядра (або інакше — з однаковою кількістю протонів у ядрі).

Чи можна практично добути нові елементи, додаючи або забираючи протони з ядер? Так, у природі цей процес відбувається весь час. Тому сумарна маса якихось елементів на Землі зменшується, а якихось — збільшується. Реакції, під час яких можливі такі зміни, називають ядерними реакціями. Вчені також проводять такі реакції. Для цього потрібне спеціальне обладнання. До речі, елементи, які було відкрито останнім часом, одержували штучно шляхом ядерних реакцій. Такі реакції ви будете вивчати в курсі фізики.

НУКЛІДИ

Щоб указати масове число конкретного атома елемента й заряд його ядра, використовують такий запис:

Виходить, що такий запис повністю характеризує ядро атома.

• Нуклід — це різновид атомів, у яких до складу ядра входить чітко визначене число протонів і нейтронів.

Назва нукліда включає його масове число. Наприклад, Кальцій-40: 40 ₂₀Ca, Кальцій-42: 42 ₂₀Ca.

Завдання

Запишіть символами нукліди: Карбон-12, Стронцій-88. Визначте в них число протонів і нейтронів.

Відповідь. 12 ₆C, протонів — 6, нейтронів — 12 – 6 = 6; 88 ₃₈Sr, протонів — 38, нейтронів — 88 – 38 = 50.

Якщо ви правильно записали символами й цифрами нуклід, то порахувати число нейтронів дуже легко: просто відніміть від верхнього числа (нуклонного) нижнє (протонне). Вони вже написані у стовпчик! Для 42 ₂₀Ca це буде так: 42 – 20 = 22.

ІЗОТОПИ

Зміна числа нейтронів у атомі не впливає на заряд ядра, тому атоми з різною кількістю нейтронів можуть належати до одного й того самого хімічного елемента. Однак при цьому атоми матимуть різну масу.

• Різновиди атомів одного й того самого елемента (тобто з однаковим числом протонів — зарядом ядра) з різним масовим числом (тобто з різним числом нейтронів) називають ізотопами.

Можна дати й таке визначення:

• Ізотопи — атоми одного й того самого елемента, які мають різні нуклонні числа (але заряд ядра атома однаковий).

Майже всі елементи, які поширені на земній кулі, представлені декількома ізотопами. Зазвичай ізотопи мають однакові назви (це ж один і той самий елемент!) із зазначенням масового числа. Наприклад, Хлор-35 або Хлор-37. Їх записують символами, із зазначенням нуклонного числа й числа протонів, наприклад: 35 ₁₇Cl, 37 ₁₇Cl.

Може трапитися таке позначення нукліда або ізотопу: 39 K. Тут немає протонного числа, тільки нуклонне. Але ми завжди можемо визначити протонне число за номером елемента в Періодичній системі та, в разі необхідності, дописати його.

— Я зрозуміла: 34 ₁₆S — це нуклід і 32 ₁₆S — теж нуклід. Але це ще й ізотопи, тому що це нукліди одного й того самого елемента, а от 34 ₁₆S і 17 ₈O — теж нукліди, але не ізотопи, бо це різні елементи!

Традиційно ізотопи Гідрогену можуть бути записані різними символами. Вони представлені в схемі.

У природі ізотопів одного й того самого елемента різна кількість. Наприклад, Гідроген трапляється у вигляді двох ізотопів — Протію й Дейтерію (Тритій отримано штучно). Визначено, що вміст його ізотопів у природі є таким (у % від загального числа атомів):

Оксиген у природі існує у вигляді трьох ізотопів:

Під час утворення хімічних речовин — простих і складних — різні ізотопи входять до їхнього складу випадковим чином.

Приклад

Уявіть, що перед вами атоми 1 ₁H, 2 ₁H і 16 ₈O. Які молекули води можуть утворитися із двома різними ізотопами Гідрогену?

Пояснення до розв’язання:

Формула води — H₂O. Значить, у молекулу можуть входити два будь-яких ізотопи атомів Гідрогену. Які з них конкретно будуть входити в молекулу — визначає випадковість. Розглянемо можливі варіанти молекул води, прийнявши, що в цьому випадку Оксиген буде представлений тільки 16 ₈O:

Усього три варіанти. У природі варіантів молекул води більше, тому що вони включають і різні ізотопи Оксигену.

Завдання

Запишіть символами ізотопи Магнію: Магній-24, Магній-25, Магній-26.

Завдання

Напишіть усі можливі варіанти молекул природної води. Природні ізотопи Гідрогену й Оксигену наведено в параграфі.

ВІДНОСНА АТОМНА МАСА

Із курсу 7 класу ви знаєте, що є таке поняття — відносна атомна маса. Це маса одного атома якого-небудь елемента, виражена в атомних одиницях маси (а.о.м).

А.о.м. — це 1/12 маси атома Карбону 12 C.

Як бути з ізотопами під час розрахунку відносної атомної маси? Адже треба врахувати, що в природному стані кожний хімічний елемент містить різні ізотопи. На сьогодні визначено масові частки ізотопів усіх елементів на планеті Земля. Цим займається наука геохімія. Тому внесемо уточнення у визначення.

• Відносна атомна маса хімічного елемента (A_r) — величина, що дорівнює відношенню середнього значення мас усіх його природних ізотопів, з урахуванням їх поширеності, до 1/12 маси атома Карбону 12 C.

Ми пам’ятаємо, що A_r зазначена в Періодичній системі Д. І. Менделєєва. Як правило, це дробова величина. Щоб її обчислити, треба масу кожного ізотопу певного елемента помножити на його вміст на Землі (у %), потім добутки скласти й розділити на 100 %.

Приклад

Обчислити середню відносну атомну масу природного літію (Li), якщо вміст у земній корі його ізотопів у відсотках: 6 Li — 7,42 %, 7 Li — 92,58 %.

Пояснення до розв’язання:

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

• 1. Число яких частинок є головною характеристикою атома елемента?
• 2. Що таке хімічний елемент?
• 3. Дайте визначення нукліду.
• 4. Що таке ізотопи? Яких частинок у ізотопах однакова кількість? Число яких частинок у ізотопах відрізняється?
• 5. «В атомах протонне число однакове, а нуклонне число відрізняється» — прочитав учень у підручнику хімії. Про що йдеться? Відповідь обґрунтуйте.
• 6. Як обчислюють середню відносну атомну масу елемента з урахуванням ізотопного складу?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. З ядра атома Плюмбуму видалили три протони. Ядро атома якого елемента утворилося?

2. Скільки протонів потрібно додати в ядро атома Родію, щоб добути ядро Технецію?

3. Запишіть символами й цифрами нукліди: Цезій-135, Стронцій-90, Йод-127, Сульфур-32.

4. Укажіть правильну відповідь у таких завданнях:

• а) вид атомів різних хімічних елементів, які мають різні нуклонні числа й заряд ядра атома;
• б) вид атомів одного й того самого хімічного елемента, які мають різні нуклонні числа, але однаковий заряд ядра атома;
• в) вид атомів одного й того самого елемента, які мають однакові нуклонні числа, але різні заряди ядер атомів;
• г) вид атомів різних елементів, які мають однакові нуклонні числа, але різні заряди ядер атомів.

Яке із цих чисел дорівнює кількості протонів у атомі 52 Cr?

Яке із цих чисел дорівнює кількості нейтронів у атомі 52 Cr?

Яке із цих чисел дорівнює масовому числу 52 Cr?

• Чим відрізняються за своїм складом ядра ізотопів 39 K і 40 K?

• а) Порядковим номером;
• б) кількістю електронів;
• в) кількістю протонів;
• г) кількістю нейтронів.

• Обчисліть відсотковий уміст ізотопів 35 Cl і 37 Cl, якщо відносна атомна маса Хлору становить 35,48:

• а) 16 і 84 %;
• б) 76 і 24 %;
• в) 24 і 76 %;
• г) 65 і 35 %.

• Кількість протонів, нейтронів і електронів у нукліді 39 K дорівнює:

• а) 39p, 19n, 39e – ;
• б) 19p, 20n, 19e – ;
• в) 19p, 19n, 19e – ;
• г) 20p, 19n, 19e – .

5. Скільки варіантів молекул CO₂ можна отримати з таких нуклідів: Карбон-12, Оксиген-16, Оксиген-17?

6. Природний Магній складається з ізотопів: 24 Mg, 25 Mg, 26 Mg. Обчисліть середню відносну атомну масу природного Магнію, якщо вміст цих ізотопів (в атомних %) становить 78,6; 10,1; 11,3 відповідно.

7. Бор має два ізотопи, атомна маса яких 10 і 11. Відносна атомна маса Бору становить 10,82. Обчисліть відносний уміст кожного з ізотопів у природному Борі (в атомних відсотках).

Підказка. Прийміть уміст (у відсотках) одного ізотопу за х, тоді вміст другого — (100 – х).

§ 6. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне й нуклонне числа

ПЕРШІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця XIX ст. панувала думка про те, що атом не можна поділити на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так. Радіоактивністю називають самочинний розпад атомних ядер з випромінюванням радіоактивних частинок й утворенням нових ядер.

Зазначені відкриття спонукали вчених до створення моделей будови атома.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 15) розробив Джозеф Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив електрони (е) у складі атома.

Мал. 15. Модель будови атома Томсона (червона куля заряджена позитивно)

За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об’ємі кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому електронейтральний. Маса атома теж рівномірно розподілена в цьому об’ємі.

Модель Томсона проіснувала в науці недовго. Через кілька років її спростував англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі результатів власних експериментальних досліджень. Пропускаючи прямолінійно потік позитивно заряджених частинок з масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, не відхиляючись від прямолінійної траєкторії, деякі частинки відхиляються під певними невеликими кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 від загальної кількості частинок змінюють напрямок руху на майже протилежний (мал. 16).

Мал. 16. Відбивання позитивно зарядженої частинки від ядра

Поведінку однієї з десяти тисяч частинок у цьому досліді вчений пояснив таким чином. Оскільки частинки мали позитивний заряд, то відштовхувати (відкидати назад) їх могли інші частинки — також позитивно заряджені. Однойменні заряди, як вам відомо, відштовхуються. Такі результати досліду поставили під сумнів модель Томсона, бо доводили, що більшість атомного простору не заряджена позитивно, а позитивний заряд сконцентрований в одному місці й займає дуже малий об’єм. На цій підставі зроблено висновок, що атоми складаються з позитивно зарядженої серцевини — ядра, та негативно заряджених частинок — електронів, розміщених за його межами. У 1911 р. Ернест Резерфорд запропонував нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.

ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За планетарною моделлю весь позитивний заряд і майже всю масу атома (99,4 %) зосереджено в атомному ядрі. Розмір ядра надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атома. Навколо ядра коловими або еліптичними орбітами, як планети навколо Сонця (звідси походить назва моделі), безупинно рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома.

Заряд електрона — найменший з усіх відомих зарядів (докладніше про це ви дізнаєтесь на уроках фізики), його абсолютним значенням користуються вкрай рідко. Здебільшого використовують умовний заряд -1. Позитивний заряд ядра дорівнює сумарному негативному заряду електронів, тому атом є електронейтральним (заряд атома дорівнює нулю) (мал. 17).

Мал. 17. Модель атома Резерфорда

Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.

У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони (р) — позитивно заряджені частинки, що містяться в ядрі й зумовлюють його позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, хоча в порівнянні з масою електрона маса протона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +1.

Сьогодні вчені, студенти й учні знають, що, крім протонів, до складу ядра входять нейтрони. Теоретичне припущення про наявність нейтронів у ядрі висловив у 1932 р. фізик Дмитро Дмитрович Іваненко. У 1933 р. він виголосив доповідь про протонно-нейтронну структуру ядра атома, у якій спирався на те, що в ядрі є частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів й електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їхня назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка було підтверджено дослідами англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974). У 1935 р. Д. Чедвіка було удостоєно за це Нобелівської премії.

Сторінка ерудита

Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) — видатний фізик-теоретик, який зробив фундаментальний внесок у розвиток багатьох розділів ядерної фізики, теорії поля та теорії гравітації. Блискучий викладач кількох закладів вищої освіти СРСР, зокрема й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав за те, що першим (у віці 27 років!) на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтронну модель атомного ядра.

Народився вчений 29 липня 1904 р. в Полтаві в сім’ї редактора та вчительки. У 1920 р. закінчив гімназію в Полтаві, де його жартома називали «професором». Першу вищу освіту здобув на фізико-математичному факультеті Полтавського педагогічного інституту, у 1923-1927 рр. навчався в Ленінграді. У 30-ті роки — науковий співробітник Фізико-математичного інституту АН СРСР, завідувач теоретичного відділу Українського фізико-технічного інституту в Харкові, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту, професор Харківського університету. У 1940 р. захистив докторську дисертацію на тему «Основи теорії ядерних сил» і продовжував займатись теоретичною фізикою, а також очолив кафедру теоретичної фізики в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. З 1943 р. й до останніх років свого життя — професор фізичного факультету Московського державного університету (МДУ) імені М. В. Ломоносова.

Наукові заслуги вченого високо оцінили нобелевські лауреати: Поль Дірак, Хідекі Юкава, Нільс Бор, Ілля Пригожин, Семюел Тінг, які після спілкування з ним залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Дмитра Дмитровича Іваненка на фізичному факультеті МДУ імені М. В. Ломоносова.

Попрацюйте групами

Сестра Дмитра Дмитровича Іваненка Оксана Іваненко (1906-1997) — відома українська письменниця.

Пригадайте, які з її творів — оповідання, повісті або літературні казки — вам відомі (вивчали у школі). У вільну хвилину поцікавтеся більше її творчістю, поділіться враженнями від прочитаного з однокласниками.

Вивчення будови атома в 30-х роках XX ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони й протони містяться в атомному ядрі й визначають масу атома.

Так сформувалися сучасні погляди на склад і будову атома. Узагальнимо їх.

СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА СКЛАД І БУДОВУ АТОМА. Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. До складу ядра входять: позитивно заряджені протони, незаряджені (нейтральні) нейтрони. Негативно заряджені електрони формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати 1 ₊₁p, нейтрони — 1 ₀n, електрони — 0 _-1e (мал. 18). Сумарний заряд протонів дорівнює сумарному заряду електронів.

Мал. 18. Сучасна модель і схема будови атома

Усі складові атома мають надзвичайно малу масу, до того ж маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона, тоді як маса електрона в 1836 разів менша від маси протона. Оскільки в науці масу протона й нейтрона прийнято за 1, то маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складники вміщено в таблиці 5.

Складники атома

Частинка та її розміщення в атомі

Відносна маса (а.о.м.)

Абсолютна маса, кг

Заряд (в одиницях елементарного заряду)

протон ( 1 ₊₁р), у ядрі

§ 4. Будова атома

Складові частини атома. Уявлення давніх філософів про атом як найдрібнішу однорідну й неподільну частинку речовини не змінювалися протягом століть. Однак у другій половині XIX ст. вчені виявили, що в атомі містяться ще дрібніші частинки.

Із курсу хімії 7 класу вам відомо наступне:

• атом — це найменша електронейтральна частинка речовини, яка складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, що рухаються навколо нього (мал. 10);
• величина заряду ядра і кількість електронів в атомі збігаються з порядковим (атомним) номером елемента;
• ядро в десятки тисяч разів менше за атом;
• майже вся маса атома зосереджена в ядрі.

Мал. 10. Модель атома Гідрогену — елемента № 1

Подальші дослідження будови атома на початку XX ст. показали, що в ядрі містяться частинки двох типів — протони 1 і нейтрони 2 . Їх загальна назва — нуклони 3 .

1 Термін походить від грецького слова prötos — перший, найпростіший.

2 Термін походить від латинського слова neutrum — ні те, ні інше.

3 Термін походить від латинського слова nucleus — ядро.

Протон має такий самий за значенням заряд, як і електрон, але позитивний: +1. Кількість протонів визначає заряд ядра атома і є такою самою, що й кількість електронів. Нейтрон — незаряджена частинка. Протон позначають р + , а нейтрон — n 0 .

Для характеристики частинок, які входять до складу атомів, як і для самих атомів, використовують не абсолютні, а відносні маси. Маси протона і нейтрона приблизно однакові і майже у 2000 разів більші за масу електрона. Значення відносних мас протона і нейтрона дорівнюють одиниці.

Отже, в атомі співіснують частинки трьох типів — із позитивним, негативним зарядами, а також ті, що не мають заряду (схема 1).

Електрони притягуються до ядра атома так званими електростатичними силами, однак не падають на нього, оскільки рухаються з високою швидкістю. Протони й нейтрони утримуються разом у ядрі завдяки дії особливих, «ядерних», сил. Природу цих сил повністю ще не з’ясовано.

Протонне і нуклонне числа. Кількість протонів в атомі називають протонним числом. Його вказують нижнім індексом зліва від символу елемента: ₄Ве.

Складники атома

• Які значення протонних чисел мають елементи Флуор і Натрій?

Зважаючи на будову атома, можна дати таке означення хімічного елемента:

хімічний елемент — вид атомів із певним протонним числом.

Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним числом. Його позначають літерою А, а значення записують верхнім індексом зліва від символу елемента: 9 Ве.

Кількість нейтронів дорівнює різниці між нуклонним і протонним числами. Цих частинок в атомі Берилію налічується 9 – 4 = 5 (мал. 11).

Мал. 11. Модель атома Берилію

Існує двадцять хімічних елементів, у кожного з яких усі атоми мають однакові нуклонні числа (вони майже збігаються з відносними атомними масами, наведеними в періодичній системі):

Be, F, Na, Al, Р, Sc, Μn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi.

• Визначте кількість протонів, нейтронів і електронів в атомах Флуору і Натрію.

Будь-який із решти елементів має атоми з різними нуклонними числами. Пояснення цьому ви знайдете в наступному параграфі.

Підсумуємо викладене вище і запишемо відповідні математичні вирази.

• Оскільки атом електронейтральний, він містить однакову кількість протонів і електронів, що дорівнює порядковому номеру елемента:

• Кількість нейтронів у будь-якому атомі становить різницю між нуклонним числом і кількістю протонів (електронів) або порядковим номером елемента:

• Кількість нейтронів в атомах двадцяти елементів, указаних вище, можна обчислити, використавши значення відносних атомних мас:

Для 20 елементів

ВИСНОВКИ

Атом складається з ядра і електронів. Ядро має позитивний заряд; у ньому містяться протони та нейтрони і зосереджена майже вся маса атома. Кількість протонів та електронів в атомі однакова і збігається з порядковим номером елемента. Кількість нейтронів в атомі дорівнює різниці між нуклонним і протонним числами.

• 21. Які частинки входять до складу атома? Чим вони різняться? Який склад атомного ядра?
• 22. Яких частинок у будь-якому атомі однакова кількість?
• 23. Чи існують елементи, в атомах яких немає: а) протонів; б) нейтронів?
• 24. Заповніть порожні клітинки в таблиці:

Кількість в атомі

порядковий номер (протонне число)