Массовое число атома определяется как
Что такое массовое число атомного ядра
Что такое массовое число атомного ядра? Массовое число численно равно сумме нейтронов и протонов ядра. Его обозначают буквой А. Понятие «массовое число» появилось в связи с тем, что масса ядра обусловлена числом ядерных частиц. Как связаны между собой масса ядра и количество частиц? Давайте выяснять.
Строение атома
Строение ядра
Вам будет интересно: Резон — это галлицизм или нет?
Ядро состоит из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Протоны заряжены положительно, нейтроны не имеют заряда. Таким образом, заряд ядру дают протоны. Заряд каждого протона принят за +1. То есть, сколько протонов содержится в ядре, такой и будет заряд всего ядра. К примеру, в ядре углерода 6 протонов, заряд ядра +6.
В периодической системе элементов Менделеева все элементы расположены в порядке увеличения именно заряда ядра. У водорода заряд ядра +1, он расположен первым; у гелия +2, он второй в таблице; у лития +3, он третий и так далее. То есть заряд ядра соответствует порядковому (атомному) номеру элемента в таблице.
В целом любой атом электронейтрален. Это значит, что количество электронов равно заряду ядра, то есть количеству протонов. А поскольку количество протонов определяет атомный номер элемента, то зная этот атомный номер, мы, таким образом, знаем и количество электронов, и количество протонов, и заряд ядра.
Масса атома
Когда нужно знать массовое число?
Зная массовое число (A) и атомный номер элемента в периодической системе (Z), можно определить число нейтронов. Для этого нужно вычесть из массового числа протоны.
Зная массовое число, можно вычислить массу ядра или всего атома. Поскольку масса ядра обусловлена массой частиц, входящих в его состав, то она равна произведению количества этих частиц и массы этих частиц, то есть произведению массы нейтрона и массового числа. Масса нейтрона равна массе протона, в целом их обозначают как масса нуклона (ядерная частица).
К примеру, рассчитаем массу атома алюминия. Как видно из периодической системы элементов Менделеева, относительная атомная масса алюминия равна 26,992. Округлив, получаем массовое число ядра алюминия 27. То есть его ядро состоит из 27 частиц. Масса одной частицы – постоянная величина, равная 1,67 ∙ 10-24 г. Тогда, масса ядра алюминия равна: 27 ∙ 1,67 ∙ 10-24 г = 4,5 ∙ 10-23 г.
Что такое массовое число ядер элементов нужно знать при составлении реакций радиоактивного распада или ядерных реакций. Например, при делении ядра урана 235U, захватившего один нейтрон 1n, образуются ядра бария 141Ba и криптона 92Kr, а также три свободных нейтрона 1n. При составлении таких реакций пользуются правилом: сумма массовых чисел в правой и левой частях уравнения не меняется. 235+1 = 92+141+3.
Строение атома
Темы кодификатора ЕГЭ: Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов: s-, p- и d-элементы. Электронная конфигурация атомов и ионов. Основное и возбужденное состояние атомов.
Одну из первых моделей строения атома — « пудинговую модель » — разработал Д.Д. Томсон в 1904 году. Томсон открыл существование электронов, за что и получил Нобелевскую премию. Однако наука на тот момент не могла объяснить существование этих самых электронов в пространстве. Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, помещенных в равномерно заряженный положительно «суп», который компенсирует заряд электронов (еще одна аналогия — изюм в пудинге). Модель, конечно, оригинальная, но неверная. Зато модель Томсона стала отличным стартом для дальнейших работ в этой области.
И дальнейшая работа оказалась эффективной. Ученик Томсона, Эрнест Резерфорд, на основании опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге предложил новую, планетарную модель строения атома.
Согласно модели Резерфорда, атом состоит из массивного, положительно заряженного ядра и частиц с небольшой массой — электронов, которые, как планеты вокруг Солнца, летают вокруг ядра, и на него не падают.
Модель Резерфорда оказалась следующим шагом в изучении строения атома. Однако современная наука использует более совершенную модель, предложенную Нильсом Бором в 1913 году. На ней мы и остановимся подробнее.
Атом — это мельчайшая, электронейтральная, химически неделимая частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.
Рассмотрим основные характеристики протонов, нейтронов и электронов:
| Протон | Нейтрон | Электрон | |
| Масса | 1,00728 а.е.м. | 1,00867 а.е.м. | 1/1960 а.е.м. |
| Заряд | + 1 элементарный заряд | 0 | — 1 элементарный заряд |
Следовательно, заряд ядра Z равен числу протонов, т.е. номеру атома в Периодической системе химических элементов.
Атом — это электронейтральная частица, следовательно, число протонов равно числу электронов: Ne = Np = Z.
Масса атома ( массовое число A ) примерно равна суммарной массе крупных частиц, которые входят в состав атома — протонов и нейтронов. Поскольку масса протона и нейтрона примерно равна 1 атомной единице массы, можно использовать формулу:
Массовое число указано в Периодической системе химических элементов в ячейке каждого элемента.
Обратите внимание! При решении задач ЕГЭ массовое число всех атомов, кроме хлора, округляется до целого по правилам математики. Массовое число атома хлора в ЕГЭ принято считать равным 35,5.
Таким образом, рассчитать число нейтронов в атоме можно, вычтя из массового числа номер атома: Nn = M – Z.
В Периодической системе собраны химические элементы — атомы с одинаковым зарядом ядра. Однако, может ли меняться у этих атомов число остальных частиц? Вполне. Например, атомы с разным числом нейтронов называют изотопами данного химического элемента. У одного и того же элемента может быть несколько изотопов.
Попробуйте ответить на вопросы. Ответы на них — в конце статьи:
Химические свойства атомов определяются строением электронной оболочки и зарядом ядра. Таким образом, химические свойства изотопов одного элемента практически не отличаются.
Поскольку атомы одного элемента могут существовать в форме разных изотопов, в названии часто указывается массовое число, например, хлор-35, и принята такая форма записи атомов:
Еще немного вопросов:
3. Определите количество нейтронов, протонов и электронов в изотопе брома-81.
4. Определите число нейтронов в изотопе хлора-37.
Строение электронной оболочки
Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.
| Тип орбитали | s | p | d | f | g |
| Значение орбитального квантового числа l | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Число атомных орбиталей данного типа 2l+1 | 1 | 3 | 5 | 7 | 9 |
| Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 |
Получаем сводную таблицу:
АО
2 2 6Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.
Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).
Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.
Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.
| АО | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d | 4s | 4p | 4d | 4f | 5s | 5p | 5d | 5f | 5g |
| n | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| l | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 3 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| n + l | 1 | 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:
1s энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.
Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.
Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:
Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s 2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.
Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую электронную конфигурацию.
1s 2 = [He]
1s 2 2s 2 2p 6 = [Ne]
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 = [Ar] и так далее.
Электронные формулы элементов первых четырех периодов
Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:
+1H 1s 1 1s 
У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:
+2He 1s 2 1s
Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:
+3Li 1s 2 2s 1 1s 2s
У бериллия 2s-подуровень заполнен:
+4Be 1s 2 2s 2 1s 2s
Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p 
+6C 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2s 2p 
Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя по ответам конце статьи:
5. Азот
6. Кислород
7. Фтор
У неона завершено заполнение второго энергетического уровня:
+10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2s 2p 
У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2s 2p 3s
От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.
8. Магний
9. Алюминий
10. Кремний
11. Фосфор
12. Сера
13. Хлор
14. Аргон
+19K 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1s 2s 2p3s 3p4s
Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:
+19K [Ar]4s 1 [Ar] 4s
У кальция 4s-подуровень заполнен:
+20Ca [Ar]4s 2 [Ar] 4s
+21Sc [Ar]3d 1 4s 2 [Ar] 4s 3d 
Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия :
+22Ti [Ar]3d 2 4s 2 [Ar] 4s 3d 
+23V [Ar]3d 3 4s 2 [Ar] 4s 3d 
Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:
+24Cr [Ar]3d 5 4s 1 [Ar] 4s 3d 
У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца :
+25Mn [Ar]3d 5 4s 2
+29Cu [Ar]3d 10 4s 1
На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:
+30Zn [Ar]3d 10 4s 2
+31Ga [Ar]3d 10 4s 2 4p 1
Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно.
Некоторые важные понятия:
Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны.
Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвовать в образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr [Ar]3d 5 4s 1 ) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s 1 ), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.
Основное и возбужденное состояние атома
+5B 1s 2 2s 2 2p 1 1s 2s 2p
На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):
+5B* 1s 2 2s 1 2p 2 1s 2s 2p
Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!
15. Углерода
16. Бериллия
17. Кислорода
Электронные формулы ионов
Ионы — это заряженные частицы. Избыточный заряд обозначается индексом в правом верхнем углу.
+11Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 -1е = +11Na + 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0
+17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 +1e = +17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
Попробуйте составить самостоятельно электронный формулы ионов. Не забывайте проверять себя по ключам!
18. Ион Са 2+
19. Ион S 2-
20. Ион Ni 2+
Таким образом, ионы Na + и F — — изоэлектронные. Также они изоэлектронны атому неона.
Ответы на вопросы:
1. У изотопов одного химического элемента массовое число всегда разное, т.к. массовое число складывается из числа протонов и нейтронов. А у изотопов различается число нейтронов.
2. У изотопов одного элемента число протонов всегда одинаковое, т.к. число протонов характеризует химический элемент.
4. Массовое число изотопа хлора равно 37. Атомный номер, заряд ядра и число протонов в ядре равно 17. Получаем число нейтронов = 37-17 =20.
5. Электронная формула азота :
+7N 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2s 2p
6. Электронная формула кислорода :
+8О 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2s 2p 
7. Электронная формула фтора :
8. Электронная формула магния :
+12Mg 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 1s 2s 2p 3s
9. Электронная формула алюминия :
+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2s 2p 3s 3p
10. Электронная формула кремния :
+14Si 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 1s 2s 2p 3s 3p
11. Электронная формула фосфора :
+15P 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 1s 2s 2p 3s 3p
12. Электронная формула серы :
+16S 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 1s 2s 2p 3s 3p
13. Электронная формула хлора :
14. Электронная формула аргона :
+18Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 1s 2s 2p 3s 3p
15. Электронная формула углерода в возбуждённом состоянии:
+6C* 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2s 2p
16. Электронная формула бериллия в возбуждённом состоянии:
+4Be 1s 2 2s 1 2p 1 1s 2s 2p
17. Электронная формула кислорода в возбуждённом энергетическом состоянии соответствует формуле кислорода в основном энергетическом состоянии, т.к. нет условий для перехода электрона — отсутствуют вакантные энергетические орбитали.
18. Электронная формула иона кальция Са 2+ : +20Ca 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
19. Электронная формула аниона серы S 2- : +16S 2- 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6