Электронная оболочка, атомное ядро, массовое число, число протонов, число нейтронов

4.3. Нуклиды. Элементы. Изотопы

При химических peaкцияx атомы могут терять часть своих электронов, а могут и присоединять " лишние". При этом из нейтральных атомов образуются заряженные частицы – ионы. Химическая сущность атомов при этом не меняется, то есть атом, например, хлора не превращается в атом азота или в атом какого-нибудь другого элемента. Физические воздействия довольно большой энергии могут вообще " сорвать" с атома всю электронную оболочку. Химическая сущность атома при этом также не изменится – отняв электроны у каких-нибудь других атомов, ядро снова превратится в атом или ион того же элемента. Атомы, ионы и ядра обобщенно называются нуклидами.

 

Нуклиды – общее название атомов, простых ионов и атомных ядер.

Для обозначения нуклидов используют символы элементов (вы помните, что они могут обозначать и один атом) с левыми индексами: верхний равен массовому числу, нижний – числу протонов. Примеры обозначения нуклидов:

 

в общем случае

 

Теперь мы можем сформулировать окончательное определение понятия " химический элемент".

 

Химический элемент – совокупность нуклидов с одинаковым зарядом ядра.

Так как заряд ядра определяется числом протонов, то химическим элементом можно назвать совокупность нуклидов с одинаковым числом протонов.Вспомнив сказанное в начале параграфа, мы можем уточнить один из важнейших химических законов.

При химических реакциях (и при физических взаимодействиях, не затрагивающих ядра) нуклиды не возникают, не исчезают и не превращаются друг в друга.

 

А	Z	N
112	50	62
114	50	64
115	50	65
116	50	66
117	50	67
118	50	68
119	50	69
120	50	70
122	50	72
124	50	74

Итак, массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов: А = Z + N. У нуклидов одного элемента заряд ядра одинаков (Z  = const), а число нейтронов N? У нуклидов одного элемента число нейтронов в ядре может быть одинаковым, а может и отличаться. Поэтому и массовые числа нуклидов одного элемента могут быть разными. Примеры нуклидов одного элемента с разными массовыми числами – различные устойчивые нуклиды олова, характеристики которых приведены в табл. 12. У нуклидов с одинаковыми массовыми числами масса одинакова, а у нуклидов с разными массовыми числами – разная. Отсюда следует, что атомы одного элемента могут отличаться по массе.

 

Изотоп – совокупность нуклидов одного элемента с одинаковым массовым числом.

Следовательно, у нуклидов одного изотопа одинаковое число протонов (так как это один элемент), одинаковое число нейтронов (так как это один изотоп) и, естественно, одинаковая масса. Такие нуклиды совершенно одинаковы и потому принципиально неразличимы. (В физике под словом "изотоп" иногда подразумевают и одинт нуклид данного изотопа)

Нуклиды разных изотопов одного элемента отличаются массовыми числами, то есть числами

нейтронов, и массой.

Примеры:

 

Изотопы элемента водорода	Изотопы элемента кислорода	Изотопы элемента хлора

Общее число известных ученым нуклидов приближается к 2000. Из них устойчивы, то есть существуют в природе, около 300. Элементов в настоящее время, включая искусственно полученные, известно 110.(Среди нуклидов физики выделяют изобары- нуклиды с одинаковой массой(независимо от заряда))

Многие элементы имеют по одному природному изотопу, например, Be, F, Nа, Al, P, Mn, Co, I, Au и некоторые другие. Но большинство элементов имеют по два, по три и более устойчивых изотопа.

Для описания состава атомных ядер иногда рассчитывают доли протонов или нейтронов в этих ядрах.

 

Доля – отношение числа тех объектов, долю которых мы определяем, к общему числу объектов.

 

 

где D_i – доля интересующих нас объектов (например, седьмых),

N ₁ – число первых объектов,

N ₂ – число вторых объектов,

N ₃ – число третьих объектов,

N_i – число интересующих нас объектов (например, седьмых),

N_n – число последних по счету объектов.

Для сокращения записи формул в математике знаком

обозначают сумму всех чисел N_i, от первого (i = 1) до последнего (i = n). В нашей формуле это означает, что суммируются числа всех объектов: от первого (N ₁) до последнего (N_n).

    Пример.  В коробке лежат 5 зеленых карандашей, 3 красных и 2 синих; требуется определить долю красных карандашей.

    N ₁ = n _з, N ₂ = N _к, N ₃ = n _c;

 

 

Доля может выражаться простой или десятичной дробью, а также в процентах, например:

 

 НУКЛИД, ИЗОТОП, ДОЛЯ

 

1.Определите долю протонов в ядре атома

..Определите долю нейтронов в этом ядре.

2.Какова доля нейтронов в ядрах нуклидов

 

3.Массовое число нуклида равно 27. Доля протонов в нем 48,2%. Нуклидом какого элемента является данный нуклид?

4.В ядре нуклида

доля нейтронов 0,582. Определите Z.

5.Во сколько раз масса атома тяжелого изотопа урана ₉₂U, содержащего 148 нейтронов в ядре, больше массы атома легкого изотопа урана, содержащего в ядре 135 нейтронов?

4.4. Количественные характеристики атомов и химических элементов

Из количественных характеристик атома вам уже знакомы массовое число, число нейтронов в ядре, число протонов в ядре и заряд ядра.

Так как заряд протона равен элементарному положительному заряду, то число протонов в ядре (Z) и заряд этого ядра (q _я), выраженный в элементарных электрических зарядах, численно равны. Поэтому, как и число протонов, заряд ядра обычно обозначают буквой Z.

Число протонов одинаково для всех нуклидов какого-либо элемента, поэтому оно может использоваться как характеристика этого элемента. В этом случае оно называется атомным номером.  

 

Атомный номер элемента – характеристика химического элемента, равная числу протонов в ядре любого нуклида этого элемента.

Так как электрон "легче" любого из нуклонов почти в 2000 раз, масса атома (m _o) сосредоточена прежде всего в ядре. Ее можно измерять в килограммах, но это очень неудобно.

Например, масса самого легкого атома – атома водорода – равна 1,674^.10– ²⁷ кг, и даже масса самого тяжелого из существующих на Земле атомов – атома урана – равна всего лишь 3,952^.10– ²⁵ кг. Даже используя самую маленькую десятичную долю грамма – аттограмм (аг), мы получим значение массы атома водорода m _o(H) = = 1,674^.10– ⁹ аг. Действительно, неудобно.

Поэтому в качестве единицы измерений масс атомов используется специальная атомная единица массы, для которой знаменитый американский химик Лайнус Полинг (1901 – 1994) предложил название " дальтон".

Атомная единица массы с точностью, достаточной в химии, равна массе любого нуклона и близка к массе атома водорода, ядро которого состоит из одного протона. В 11-м классе из курса физики вы узнаете, почему она в действительности несколько меньше массы любой из этих частиц. Из соображений удобства измерений атомная единица массы определяется через массу нуклида самого распространенного изотопа углерода.

 

Дальтон (атомная единица массы) – 1/12 часть массы нуклида 12С.

Обозначение атомной единицы массы – а. е. м. или Дн.

1Дн = 1,6605655^.10– ²⁷ кг ≈ 1,66^.10– ²⁷кг.

Если массу атома измеряют в дальтонах, то по традиции ее называют не " масса атома", а атомная масса.  Масса атома и атомная масса – одна и та же физическая величина. Так как речь идет о массе одного атома (нуклида), то ее называют атомной массой нуклида.

 

Атомная масса нуклида – масса нуклида, выраженная в дальтонах.

Обозначается атомная масса нуклида буквами А_r с указанием символа нуклида, например:

А_r (¹⁶O) – атомная масса нуклида ¹⁶O,

A_r (³⁵Cl) – атомная масса нуклида ³⁵Сl,

A_r (²⁷Аl) – атомная масса нуклида ²⁷Аl.

Если у элемента есть несколько изотопов, то этот элемент состоит из нуклидов с разной массой. В природе изотопный состав элементов обычно постоянен, поэтому для каждого элемента можно посчитать среднюю массу атомов  этого элемента (

):

 

 

где D ₁, D ₂,..., D_i – доля 1-го, 2-го, ..., i -го изотопа;

m ₀(1), m ₀(2),..., m ₀(i) – масса нуклида 1-го, 2-го,..., i-го изотопа;

n – общее число изотопов данного элемента.

Если среднюю массу атомов элемента измеряют в дальтонах, то в этом случае ее называют атомной массой элемента.  

 

Атомная масса элемента – средняя масса атомов элемента в природной смеси изотопов этого элемента, выраженная в атомных единицах массы (дальтонах).

Обозначается атомная масса элемента так же, как и атомная масса нуклида, буквами А _r, но в скобках указывается не символ нуклида, а символ соответствующего элемента, например:

А _r(O) – атомная масса кислорода,

А _r(Сl) – атомная масса хлора,

А _r(Аl) - атомная масса алюминия.

Так как атомная масса элемента и средняя масса атома этого элемента – одна и та же физическая величина, выраженная в разных единицах измерений, то и формула для вычисления атомной массы элемента аналогична формуле для вычисления средней массы атомов этого элемента:

 

 

где D ₁, D ₂,..., D_n – доля 1-го, 2-го,..., i -того изотопа;

А_r (1), А_r (2),..., A_r (i) – атомная масса 1-го, 2-го,..., i -го изотопа;

п –  общее число изотопов данного элемента.