Как найти массовое число электрона

«Строение атома. Массовое число»

Ключевые слова конспекта: строение атома, элементарные частицы, протоны и электроны в атомах, атомный номер, массовой число, число нейтронов, нуклид, изотопы, ионы, катионы, заряд иона.

Согласно модели Резерфорда каждый атом состоит из находящегося в его центре ядра и электронной оболочки. Весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре. Электроны движутся вокруг ядра. Число электронов атома равно положительному заряду ядра.

Диаметр атома 10^-10 м, диаметр ядра 10^-14 – 10^-15 м. Масса атома водорода равна 1,67 • 10^-24 г, атома углерода — 1,99 • 10^-23 г, атома железа — 9,29 • 10^-23 г.

Элементарные частицы — это протоны, электроны и нейтроны, из них состоят все атомы.

Таблица 1. «Элементарные частицы атома»

Число протонов разное у атомов различных видов, оно определяет заряд ядра атома и равно атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Поскольку атом — электро-нейтральная частица, число электронов в нем равно числу протонов.

Таблица 2. «Протоны и электроны в атомах»

Атомный номер указывают слева внизу от символа элемента, например: ₁Н, ₂₆Fe. Обозначение атомного номера — прописная латинская буква Z.

Массовое число атома А — это сумма чисел его протонов и нейтронов в ядре. Массовое число указывают слева вверху от символа элемента или добавляют к названию элемента через дефис, например: ²³Na или натрий-23.

Массовое число кислорода, А(¹⁶О) = 16 = (8р + 8n).

Число нейтронов N в ядре атома определяют по формуле: N = A — Z. Например, для атома натрия с массовым числом 23, ²³Na: А = 23, Z = 11, N = А – Z = 23 — 11 = 12.

Нуклид — это вид атомов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре. Например, в природе встречается три вида нуклидов кислорода: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О.

Изотопы — это атомы одного вида с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Так, атомы ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О — это изотопы. Природные изотопы урана — ²³⁴U, ²³⁵U и ²³⁸U.

Ионы — заряженные частицы, образующиеся при отщеплении от нейтральных атомов или присоединении к ним электронов. Ионы образуются также из молекул в результате присоединения протона Н⁺ (NH₃ → NH₄⁺) или отщепления Н⁺ (HNO₃ -> NO₃^–).

Таблица 3. «Обозначение и название ионов»

Катионы — это положительно заряженные ионы (Na⁺, Аl³⁺), анионы — отрицательно заряженные ионы (Cl^–, NO₃^–).

Заряд иона указывают в виде индекса справа вверху от символа химического элемента: Li⁺ , Са²⁺. На первом месте пишут цифру, на втором — знак заряда. Цифру 1 не пишут.

Конспект урока по химии «Строение атома».

Строение атома

Автор статьи — профессиональный репетитор И. Давыдова (Юдина).

Атом — в переводе с древнегреческого – неделимый — это наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Современные представления о строении атома требуют для понимания знаний основ квантовой механики, поэтому мы ограничимся упрощенной моделью.

Атом состоит из ядра (в составе которого протоны и нейтроны) и электронов. Несмотря на то, что ядро составляет большую часть массы атома, оно очень мало.

Количество протонов равно количеству электронов и равно номеру атома в периодической таблице. Число нейтронов равно разности атомной массы и номера элемента.

Бор – пятый элемент периодической таблицы, в его атоме 5 протонов и 5 электронов. Атомная масса ≈ 11, количество нейтронов равно 11 – 5 = 6.

Элементы, имеющие одинаковое количество протонов в ядре, но различающиеся числом нейтронов, называются изотопами.

Например, ³⁵Cl и ³⁷Cl – изотопы, различающиеся атомной массой и количеством нейтронов.

Вокруг ядра по различным траекториям — орбиталям движутся электроны. Каждой орбитали соответствует определенный уровень энергии, чем ближе орбиталь к ядру, тем меньшей энергией должен обладать электрон, чтобы находиться на ней.

Порядок заполнения орбиталей:

Электроны располагаются на орбиталях в соответствии со следующими правилами:

• Принцип наименьшей энергии: в первую очередь электроны заполняют наиболее низкие по энергии уровни (ближайшие к ядру).

Энергия орбиталей на уровнях и подуровнях изменяется следующим образом: 1s < 2s < 2р < Зs < Зр < 4s < 3d < 4р < 5s <4d < 5р < 6s < 4f ≈ 5d < 6p < 7s < 5f ≈6d < 7p . (●)

Перед оставшимися двумя принципами введем понятие спина электрона. Спин – характеристика самого электрона, представить его (это упрощенная модель, а ненастоящий физический смысл понятия спин!) можно как направление движения электрона вокруг своей оси: по или против часовой стрелки. Возможных значений всего два: +1/2 (обозначаем стрелкой вверх) и -1/2 (обозначаем стрелкой вниз).

• Принцип Паули: на каждой орбитали может быть не более двух электронов, причем их спины должны быть различными.
• Правило Хунда: суммарный спин системы должен быть максимально возможным.

С правилом Паули всё достаточно ясно: спины двух электронов на одной орбитали различны, а значит у одного электрона +1/2 (стрелочка вверх), у другого – -1/2 (стрелочка вниз). Но каков смысл правила Хунда? В данном случае обратимся всё к тем же значениям спина электрона. При заполнении электронного уровня всегда сначала заполняется один подуровень, только затем электроны помещаются на следующий. Рассмотрим p-подуровень. На нём имеются 3 орбитали (см. таблицу выше). В целом, есть разные варианты развития событий. Допустим, у нас есть 4 электрона, которые надо расположить на подуровне. Мы можем поместить два в первую ячейку, два во вторую. Посчитаем суммарный спин. У двух элетронов спин 1/2, у других -1/2. Тогда при сложении мы получаем ноль. Теперь расположим три первых электрона по одному, оставшийся поместим на первую орбитал (в пару). Теперь суммарный спин 1. Значит, подходит второй случай. Для того чтобы каждый раз не высчитывать суммарный спин, можно запомнить, что вначале следует расположить все имеющиеся электроны по одному, и если на подуровне уже не останется свободных ячеек, начинать составлять пары.

Рассмотрим заполнение орбиталей электронами на нескольких примерах. У каждого следующего элемента таблицы Менделеева на один протон и один электрон больше, чем у предыдущего. У элементов главных подгрупп всегда заполняется внешний электронный уровень, у элементов побочных – один из предыдущих.

— магний – двенадцатый элемент, имеет по 12 протонов и электронов, находится в главной подгруппе. Распределим эти электроны в соответствии с рассмотренными выше правилами, не забывая, что на каждом подуровне может быть не более двух электронов.
Магний – элемент третьего периода, следовательно, первый и второй энергетические уровни полностью заполнены — 1s²2s²2p⁶.Магний находится во второй группе, значит, на третьем уровне у него два электрона —  3s². Итого получаем1s²2s²2p⁶3s².

В атоме магния в основном состоянии нет неспаренных электронов.

Если атому сообщили дополнительную энергию (например, нагрели), то электронная пара может распарится и один из электронов переходит на свободную орбиталь того же энергетического уровня. В возбужденном состоянии атом магния имеет два неспаренных электрона и может образовать две связи (валентность II).

— фосфор – пятнадцатый элемент, находится в главной подгруппе. Распределяем 15 электронов: Фосфор — элемент третьего периода, следовательно, первый и второй энергетические уровни полностью заполнены — 1s²2s²2p⁶.Фосфор находится в пятой группе, значит, на третьем уровне у него пять электронов —  3s²3p³. Итого получаем1s²2s²2p⁶3s²3p³.

В атоме фосфора в основном состоянии 3 неспаренных электрона. В возбужденном состоянии атом фосфора имеет пять неспаренных электронов и может образовать пять связей (валентность V).

 — цирконий – сороковой элемент, распределяем 40 электронов. Цирконий – элемент побочной подгруппы! Поэтому у него заполняется предыдущий электронный уровень (4d-подуровень). Цирконий – второй d – элемент в пятом периоде, значит, он содержит 2 электрона на 4d – подуровне. Итого получаем: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d².

В атоме циркония в основном состоянии 2 неспаренных электрона.
В возбужденном состоянии цирконий имеет четыре неспаренных электрона.

Важно отметить, что в обычном состоянии цирконий не может образовывать связей, так как для этого необходимы неспаренные электроны на внешнем электронном уровне. Соответственно, во всех соединениях цирконий находится в возбуждённом состоянии.

Исключениями из общего порядка заполнения электронных подуровней являются хром, марганец, медь, серебро и золото – у них наблюдается «провал» электрона с внешного s – подуровня на предвнешний d. (Атому более комфортно иметь на d-подуровне 5 или 10 электронов, чем 4 или 9). Например, электронные конфигурации хрома и меди вместо 4s²3d⁴ и 4s²3d⁹ имеют вид 4s¹3d⁵ и 4s¹3d¹⁰.

Задания для тренировки:

1. Сколько протонов и электронов содержит ион NO₂^—
   1) 46p, 46e                     
   2) 23p, 24e
   3) 23р, 23e                       
   4) 46p, 47e
2. Чем отличаются изотопы одного и того же химического элемента?
   1) Числом протонов                          
   2) Числом электронов
   3) Зарядом ядра                       
   4) Массовым числом
3. Укажите атом, в котором больше всего электронов:
   1) ²Н   
   2) ⁴⁰Аr      
   3) ⁴¹Ar  
   4) ³⁹К
4. Изобразить электронно-графическую схему атома хлора в основном и всех возможных возбужденных состояниях. Какие валентности способен проявлять хлор?
5.  Объяснить, почему сера проявляет валентность VI, а кислород – не проявляет, хотя оба эти элемента содержат по 6 электронов на внешнем слое.

Когда Резерфорд опровергнул модель Томсона о строении атома, возник другой вопрос: из чего состоит ядро? Ответ на этот вопрос был получен спустя пару десятков лет. До этого в качестве элементарного ядра принимали протон — положительную частицу, которая имеет заряд, по модулю равный заряду электрона: е = 1,6*10^-19 Кл. Масса же частицы равна 1,6726 · 10⁻²⁷ кг.

Изотопы

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений было обнаружено, что существуют вещества, идентичные по химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства — в одних и тех же условиях их распад происходил по-разному. Эти вещества не удавалось разделить ни одним из известных химических способов. Поэтому английский радиохимик Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но разной радиоактивностью. Эти элементы, по его мнению, нужно было помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева. Содди назвал такие элементами изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди о существовании веществ с разной радиоактивностью, но одинаковыми химическими свойствами, было подтверждено экспериментально. Когда английский физик Томсон проводил точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях, он установил, что неон есть смесь двух видов атомов. Большая часть атомов имела относительную массу 20, но некоторая часть атомов имела массу, равную 22 а. е. м. В результате относительная атомная масса смеси атомов неона была принята равной 20,2. Причем атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, но масса их была различна.

С тех пор изотопы были обнаружены у разных химических элементов. Так, они есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Было установлено, что:

• Изотопы имеют разную массу.
• Заряды ядер изотопов одинаковы;
• Количество электронов у атомов изотопов одинаково.
• Химические свойства изотопов тоже одинаковые.
• Радиоактивность у изотопов разная — ядра одних атомов радиоактивны, в то время как другие могли быть стабильными или менее радиоактивными.

Эти обобщения помогли сделать вывод, что свойства радиоактивности изотопов зависят от их массы. Причем некоторые элементы могут иметь только нестабильные, или радиоактивные изотопы.

Особый интерес для физиков того времени представлял атом водорода, изотопы которого могли отличаться по массе в 2 и 3 раза:

• Дейтерий — изотоп водорода с атомной массой 2. Это стабильный химический элемент, который можно обнаружить в качестве примеси в обычном водороде. На 4500 атомов обычного водорода приходится 1 атом дейтерия. Совместно с кислородом дейтерий образует тяжелую воду. Ее свойства несколько отличаются от обычной воды. Так, при нормальном атмосферном давлении ее температура кипения составляет 101,2 °С, а температура кристаллизации — 3,8 °С.
• Тритий — изотоп водорода с атомной массой 3. Это нестабильный химический элемент. Он претерпевает β-распад. Период полураспада этого вещества составляет 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.

Открытие нейтрона

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми нестабильным полонием, возникает сильное проникающее излучение, которое легко преодолевает преграду в виде слоя свинца толщиной до 10–20 см. Это излучение изучали английский физик Чедвик и супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик из Франции независимо друг от друга примерно в одно и то же время. Ученые предположили, что это излучение создано γ-лучами большой энергии. Но затем выяснилось, что если на пути излучения бериллия поставить пластинку из парафина, то ионизирующая способность излучения резко возрастает.

Было установлено, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластинки протоны, которые в большом количестве имеются в этом веществе. Ученые рассчитали длину свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, которые сообщают при столкновении с протонами необходимую скорость. Расчеты показали слишком большое значение — 50 МэВ. протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ. Из-за малой массы γ-кванты не могли обладать такой энергией. Поэтому Чедвик сделал вывод, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а довольно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и не ионизировали газ в счетчике Гейгера. Это значит, что такие частицы были электрически нейтральными. Этой частице дали название — нейтрон.

Нуклонная модель атома

Сразу после открытия нейтрона несколько физиков одновременно высказали идею протонно-нейтронной, или нуклонной, модели ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Будучи «кирпичиками», из которых строится ядро, протоны и нейтроны получили общее название — нуклоны.

Нуклоны — общее название для составляющих атомное ядро протонов и нейтронов.

В рамках нуклонной теории о строении ядра атома ему было дано следующее определение:

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов.

Виды нуклонов:

• Протон (от protos — первый, обозначается как p или p⁺) — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Заряд протона положительный, по модулю он равен заряду электрона: e_p = 1.6∙10⁻¹⁹ Кл. Масса протона: m_p = 1.6726231∙10⁻²⁷ кг = 1.007276470 а. е. м. При расчетах часто используют округленное до целых значение: 1 а. е. м.
• Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой, обозначается как n) — элементарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: m_n = 1.6749286∙10⁻²⁷ кг=1.0008664902 а. е. м. При расчетах также используют округленное до целых значение: 1 а. е. м.

Массовое число — общее число нуклонов в ядре. Обозначается как A.

Зарядовое число — число протонов в ядре. Обозначается как Z. Зарядовое число всегда соответствует порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева.

Ядро любого химического в общем виде обозначается так:

AZX

где X — символ химического элемента, Z — число протонов в ядре (порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева), A — массовое число.

Массовое число определяется как сумму протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома:

A=Z+N

N – число нейтронов в ядре.

Пример №1. Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, определите число протонов и число нейтронов в ядрах атомов серы.

Взглянем на периодическую систему Менделеева и найдем серу:

Порядковый номер серы — 16. Следовательно, зарядовое число, или количество протонов в ядре атома серы — 16. Массовое число составляет 32,066 а. е. м. Округлим до целых и получим 32. Количество нейтронов найдем как разность массового и зарядового чисел:

N=A−Z=32−16=16

Ядерные силы

Ядра атомов обладают устойчивостью, несмотря на то, что между протонами действуют колоссальные силы кулоновского отталкивания. Чем же объясняется это явление? Видимо, между ними существует и другая сила, которая не дает протонам отталкиваться друг от друга. Такие силы назвали ядерными.

Ядерные силы — силы, действующие между протонами и нейтронами.

Ученые установили, что ядерные силы обладают следующими свойствами:

• Ядерные силы заметно проявляются только на расстояниях, сравнимых с размером атомных ядер (10^–12–10^–13 см). То есть, эти силы являются короткодействующими.
• Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят силы электрического взаимодействия. На сегодня это самые мощные силы из всех сил, известных в природе. Именно благодаря им ядра атомов химических элементов сохраняются в устойчивом состоянии.

Энергия связи атомных ядер

Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Если совершить работу по их преодолению, придется совершить некоторую работу. Энергию, которую нужно затратить для совершения работы по разделению на отдельные нуклоны, называют энергией связи ядра.

Энергия связи ядра атома — энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные протоны и нейтроны.

На основании закона сохранения энергии можно сделать вывод, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

В настоящее время рассчитать энергию связи теоретически, подобно тому, как это можно сделать для электронов в атоме, не удается. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией:

Е = mс2

Измерения масс ядер показали, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

Mя< Zmp + Nmn

Mя — масса покоя ядра, Z — число протонов, N — число нейтронов, mp — масса протона, mn — масса нейтрона.

На основании этого был сделан вывод о существовании дефекта (разности масс). Дефект масс определяется разностью суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, и массы покоя ядра атома:

ΔM=Zmp + Nmn−Mя

ΔM — дефект масс.

Это интересно! Масса ядра атома гелия на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для гелия в количестве вещества один моль ΔM = 0,03 г.

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на значение энергии связи Е_св.

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

Энергия связи определяется формулой:

Eсв=ΔMс2=(Zmp + Nmn−Mя)с2

Это интересно! Энергия связи настолько велика, что образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и при сгорании 1,5—2 вагонов каменного угля.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра.

Удельную энергию связи устанавливают опытным путем. Из рисунка ниже видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Примечательно, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением Z кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Пример №2. Чему равна энергия связи ядра тяжелого водорода — дейтрона? Атомная масса ядра дейтрона m_D = 2,01355 а. е. м, протона m_р = 1,00728 а. е. м, нейтрона m_n = 1,00866 а. е. м; масса атома углерода m_с = 1,995 ∙ 10^-26 кг.

Eсв=(Zmp + Nmn−Mя)с2

Зарядовое число водорода — 1. Количество нейтронов — 1. Чтобы найти суммарную массу всех частиц и ядра, нужно их массу в а. е. м. умножить на массу атома углерода в кг и поделить на 12. Это необходимо потому, что 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода. Получим:

Переведем в МэВ, учитывая, что 1 МэВ = 1,6∙10^–13 Дж:

Алиса Никитина | Просмотров: 1.9k

If you have a given mass of a compound, you can calculate the number of moles. Conversely, if you know how many moles of the compound you have, you can calculate its mass. For either calculation, you need to know two things: the chemical formula of the compound and the mass numbers of the elements that comprise it. An element’s mass number is unique to that element, and it’s listed right underneath the element’s symbol in the periodic table. The mass number of an element is not the same as its atomic number.

Atomic Number and Atomic Mass Number

Every element is characterized by a unique number of positively charged protons in its nucleus. For example, hydrogen has one proton, and oxygen has eight. The periodic table is an arrangement of the elements according to increasing atomic number. The first entry is hydrogen, the eighth is oxygen and so on. The place an element occupies in the periodic table is an immediate indication of its atomic number, or the number of protons in its nucleus.

Besides protons, the nuclei of most elements also contains neutrons. These fundamental particles don’t have a charge, but they have roughly the same mass as protons, so they must be included in the atomic mass. The atomic mass number is the sum of all protons and neutrons in the nucleus. The hydrogen atom may contain a neutron, but it usually doesn’t, so the mass number of hydrogen is 1. Oxygen, on the other hand, has an equal number of proteins and neutrons, which raises its mass number to 16. Subtracting an element’s mass number from its atomic mass tells you the number of protons in its nucleus.

Finding the Mass Number

The best place to look for an element’s atomic mass number is in the periodic table. It’s displayed under the symbol for the element. You might be mystified by the fact that in many versions of the periodic table, this number contains a decimal fraction, which you wouldn’t expect if it was derived simply by adding protons and neutrons.

The reason for this is that the number displayed is the relative atomic weight, which is derived from all the naturally occurring isotopes of the element weighted by the percentage of each that occurs. Isotopes are formed when the number of neutrons in an element is more or less than the number of protons. Some of these isotopes, such as carbon-13, are stable, but some are unstable and decay over time to a more stable state. Such isotopes, such as carbon-14, are radioactive.

Virtually all elements have more than one isotope, so each has an atomic mass that contains a decimal fraction. For example, the atomic mass of hydrogen listed in the periodic table is 1.008, that for carbon is 12.011 and that for oxygen is 15.99. Uranium, with an atomic number of 92, has three naturally occurring isotopes. Its atomic mass is 238.029. In practice, scientists usually round mass number to the nearest integer.

Units for Mass

The units for atomic mass have been refined over the years, and today scientists use the unified atomic mass unit (amu, or simply u). It is defined to be equal to exactly one-twelfth the mass of an unbound carbon-12 atom. By definition, the mass of one mole of an element, or Avogadro’s number (6.02 x 10²³) of atoms, is equal to its atomic mass in grams. In other words, 1 amu = 1 gram/mole. So if the mass of one hydrogen atom is 1 amu, the mass of one mole of hydrogen is 1 gram. The mass of one mole of carbon is therefore 12 grams, and that of uranium is 238 grams.