Атом ядро мен электрондық қабықшадан тұрады: кішкентай ядрода протондар мен нейтрондар бар, ал оның айналасында электрондар қозғалады. Менделеев кестесінен небәрі екі санды біле отырып, кез келген атомды «құрастыруға» болады: оның барлық бөлшектерін санап, электрондарды деңгейлер бойынша орналастыруға болады. Бұл бетте атомның көрнекі моделі, Z және A формулалары, изотоптар, есептерді шығару жолдары және жаттығуға арналған интерактивті квиз бар.
Атом неден тұрады
Атом — химиялық элементтің қасиеттерін сақтайтын ең кішкентай бөлшегі. Оның құрылысы ойлағаннан да қарапайым, небәрі екі «бөлшектен» тұрады:
- Ядро — атомның орталығы. Онда бөлшектердің екі түрі бар: оң зарядты протондар және бейтарап нейтрондар. Ядро өте кішкентай — атомның өзінен шамамен 100 000 есе кіші, бірақ массаның 99,9%-дан астамы дәл осы жерде шоғырланған.
- Электрондық қабықша — атомның қалған кеңістігі, мұнда ядроны айнала жеңіл теріс зарядты электрондар қозғалады.
Егер атомды стадион көлеміне дейін үлкейтсек, ядро алаңның ортасындағы бұршақтай болар еді, ал қалған бөлігін «дерлік бос» электрондық қабықша алып жатыр.
Протондар, нейтрондар және электрондар: атомның үш бөлшегі
Әлемдегі барлық атомдар небәрі үш түрлі бөлшектен құралған — тек олардың саны әртүрлі. Бөлшектерді үш белгісі бойынша салыстыру ыңғайлы: заряд, масса және «тұратын орны».
Протон мен нейтрон массасы жағынан бірдей дерлік — шамамен 1 а.е.м. (атомдық масса бірлігі). Электрон олардан шамамен 1836 есе жеңіл, сондықтан есептеулерде оның массасын ескермейді. Ал протон мен электронның зарядтары шамасы бойынша тең, бірақ таңбасы қарама-қарсы: атомда протондар саны электрондар санына тең болғанша, ол электрлік бейтарап болады.
Атом формулалары: Z, A және нейтрондар саны
Кез келген атомның құрамы екі санмен сипатталады:
- Зарядтық сан Z — ядродағы протондар саны. Бұл Менделеев кестесіндегі элементтің реттік нөмірі: №1 — сутек (1 протон), №8 — оттек (8 протон), №79 — алтын (79 протон). Сондықтан атомның планетарлық моделінде ядродағы протондар саны электрондар санына тең: атом бейтарап, әр протонға дәл бір электрон келеді.
- Массалық сан A — ядродағы бөлшектердің жалпы саны: \(A = Z + N\), мұндағы N — нейтрондар саны. Осыдан мектеп есептерінің негізгі жұмыс формуласы шығады: \(N = A - Z\).
Атомның құрамы былай жазылады: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Мысалы, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — хлор, оның 17 протоны және 35 − 17 = 18 нейтроны бар. Төмендегі жадынама — барлық алгоритм үш жолда.
Электрондық қабықша: 2, 8, 18 деңгейлері
Электрондар ядроны айнала кез келген жерде ұшпайды: олар энергетикалық деңгейлерде (қабықшаларда) орналасады. Деңгей ядродан неғұрлым алыс болса, соғұрлым көп электрон сыяды — максимум \(2n^2\) формуласымен есептеледі:
- 1-деңгей — 2 электроннан артық емес;
- 2-деңгей — 8 электроннан артық емес;
- 3-деңгей — 18 электроннан артық емес;
- 4-деңгей — 32 электроннан артық емес.
Деңгейлер жақыннан алысқа қарай ретімен толтырылады. Мысалы, оттекте (Z = 8) электрондар 2, 6 болып орналасады; натрийде (Z = 11) — 2, 8, 1; хлорда (Z = 17) — 2, 8, 7. Сыртқы деңгейдегі электрондарды валентті электрондар деп атайды — дәл олар химиялық реакцияларға қатысып, элементтің қасиеттерін анықтайды.
Деңгейлер саны да Менделеев кестесінде көрсетілген: ол элемент орналасқан период нөміріне тең. Жоғары сыныптарда деңгейлерді қосымша s, p, d, f деңгейшелеріне бөліп, электрондық конфигурацияларды жазады — мысалы, оттекте 1s²2s²2p⁴.
Изотоптар: бір элемент — әртүрлі атомдар
Элементтің протон санын өзгертуге болмайды: ядроға протон қоссаң, басқа элемент шығады. Ал нейтрондар әртүрлі болуы мүмкін. Изотоптар — бұл Z-і бірдей, бірақ нейтрондар саны әртүрлі, демек массалық саны A әртүрлі бір элементтің атомдары.
Классикалық мысал — сутек және оның үш изотопы: протий \(^{1}_{1}\text{H}\) (нейтрондар мүлдем жоқ), дейтерий \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 нейтрон) және тритий \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 нейтрон). Химиялық тұрғыдан изотоптарды ажырату қиын: реакцияларда басты рөлді электрондар атқарады, ал изотоптарда олардың саны бірдей.
Менделеев кестесіндегі атомдық массалардың бөлшекті болуы дәл осы изотоптарға байланысты: бұл элементтің барлық табиғи изотоптары бойынша орташа мән. Мысалы, хлорда 35,45 — өйткені табиғи хлор хлор-35 пен хлор-37 қоспасынан тұрады.
Атом модельдері: «бөлінбейтін бөлшектен» планетарлыққа дейін
«Атом» сөзі гректің atomos — «бөлінбейтін» деген сөзінен шыққан: оны Демокрит солай елестеткен, ал XIX ғасырдың басында Дж. Дальтон бөлінбейтін атом идеясына негізделген алғашқы ғылыми теорияны құрды. Бірақ XIX–XX ғасырлар тоғысындағы жаңалықтар атомның ішкі құрылысы бар екенін көрсетті.
- 1897 — Томсон моделі («мейізді пудинг»). Дж. Томсон электронды ашып, электрондар оң зарядты «ортаға» мейіз сияқты енгізілген деп болжады.
- 1911 — Резерфордтың планетарлық моделі. Алтын фольганы α-бөлшектермен атқылай отырып, Э. Резерфорд бүкіл масса мен оң зарядтың кішкентай ядрода шоғырланғанын, ал электрондардың Күнді айналған планеталар сияқты ядроны айналатынын анықтады.
- 1913 — Бор моделі. Нильс Бор нақтылады: электрондар кез келген орбитамен емес, энергиясы бекітілген қатаң анықталған орбиталармен қозғалады — осылай энергетикалық деңгейлер пайда болды.
- 1920-жылдар — кванттық-механикалық модель. Қазіргі физика электронды орбитадағы шар ретінде емес, электрондық бұлт ретінде сипаттайды — бұл электронды белгілі бір ықтималдықпен табуға болатын кеңістік аймағы.
Мектеп химиясы деңгейлері бар планетарлық модельді (жоғарыдағы сызбадағыдай) әлі күнге дейін қолданады: бөлшектерді санау және электрондарды орналастыру үшін оның дәлдігі жеткілікті.
Мысалдар: Менделеев кестесі бойынша атомды талдау
1-мысал. Хлор атомын толық талдау
Есеп. Хлор атомының құрамын анықта және электрондарды деңгейлер бойынша орналастыр. Менделеев кестесінде: хлор Cl — №17 элемент, атомдық массасы 35,45.
1-қадам. Реттік нөмірі Z = 17 → ядрода 17 протон бар.
2-қадам. Атом бейтарап → электрондар да сонша: 17 электрон.
3-қадам. Массалық сан — атомдық массаны дөңгелектейміз: A = 35. Нейтрондар: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
4-қадам. 17 электронды жақыннан алысқа қарай деңгейлерге орналастырамыз: 2, сосын 8, қалғаны 7 → 2, 8, 7. Сыртқы деңгейде 7 валентті электрон бар — олар хлордың химиялық қасиеттерін анықтайды.
Жауабы: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; электрондық деңгейлер: 2, 8, 7.
2-мысал. Уран-235-те қанша нейтрон бар
Есеп. \(^{235}_{92}\text{U}\) уран изотопының ядросында қанша нейтрон бар?
1-қадам. Жазбаны оқимыз: төменгі сан — зарядтық, Z = 92 (протондар); жоғарғысы — массалық, A = 235.
2-қадам. Есептейміз: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Жауабы: 143 нейтрон. Назар аудар: табиғи уранда \(^{238}_{92}\text{U}\) изотопы да бар — онда да 92 протон, бірақ 146 нейтрон бар.
3-мысал. Электрондар бойынша элементті анықтау
Есеп. Атомда электрондар деңгейлер бойынша былай орналасқан: 2, 8, 1. Бұл қандай элемент?
1-қадам. Электрондарды санаймыз: 2 + 8 + 1 = 11.
2-қадам. Бейтарап атомда электрондар саны протондар санына тең → Z = 11.
3-қадам. Менделеев кестесіне қараймыз: №11 элемент — натрий Na.
Жауабы: натрий. Сонымен қатар оның неге белсенді екені көрінеді: сыртқы деңгейде небәрі бір электрон бар, натрий оны оңай береді.
Атом құрылысына қатысты есептердегі жиі кездесетін қателер
-
Атомдық масса мен массалық санды шатастыру: N = A − Z формуласына кестедегі бөлшекті массаны (мысалы, хлор үшін 35,45) қою.
Массалық сан A — әрқашан бүтін: бұл нақты атомдағы бөлшектердің (протондар мен нейтрондардың) саны. Есептер үшін кестедегі атомдық массаны бүтін санға дейін дөңгелектейді: хлор үшін A = 35, демек N = 35 − 17 = 18.
-
Элементтің реттік нөмірі атомдағы барлық бөлшектердің жалпы саны деп ойлау.
Элемент нөмірі Z — бұл тек протондар саны (және бейтарап атомдағы электрондар саны). Нейтрондар Z-ке кірмейді: оларды бөлек, N = A − Z формуласымен табады.
-
Электрондарды ядроға орналастыру: «атом протондардан, нейтрондардан және ядрода орналасқан электрондардан тұрады».
Ядрода тек протондар мен нейтрондар бар. Электрондар ядроны айнала электрондық қабықшада — ядроның өзінен он мыңдаған есе үлкен қашықтықта қозғалады.
-
Ион үшін электрондарды элемент нөмірі бойынша санау: Na⁺-те «11 электрон бар».
Z электрондар санын тек бейтарап атом үшін береді. Ион зарядталған: Na⁺ бір электрон берді — 10 қалды; Cl⁻ біреуін қабылдады — 18 болды. Бұл кезде протондар саны өзгермейді.
-
Деңгейлерді тең немесе еркін толтыру: хлор үшін, мысалы, 8, 8, 1 деп жазу.
Деңгейлер ядродан сыртқа қарай қатаң толтырылады: алдымен біріншісі (максимум 2 электрон), сосын екіншісі (8), сосын үшіншісі. 17 электроны бар хлор үшін дұрысы: 2, 8, 7.
Сұрақтар мен жауаптар
Атом неден тұрады? Қысқаша
Атом ядро мен электрондық қабықшадан тұрады. Ядро — протондар (+1 заряд) мен нейтрондардан (заряды жоқ), қабықша — электрондардан (-1 заряд) тұрады. Протондар саны Менделеев кестесіндегі элементтің реттік нөміріне тең.
Егер атом бөлінетін болса, оны неге бөлінбейтін бөлшек деп атайды?
Атауы ежелгі гректің atomos — «кесілмейтін» деген сөзінен қалған: XIX ғасырдың соңына дейін атомды заттың ең қарапайым «кірпіші» деп санаған. Кейін электрон мен ядро ашылды. Бірақ химиялық реакцияларда атом шынымен де бөлінбейді — тек электрондық қабықшалар қайта құрылады, сондықтан химия үшін ол әлі де элементтің ең кішкентай бөлшегі болып қала береді.
Атом протондар мен нейтрондардан тұрады деген дұрыс па?
Тек жартылай: протондар мен нейтрондар — бұл ядроның құрамы. Атомның толық құрамы — ядро (протондар + нейтрондар) плюс ядроны айнала қозғалатын және электрондық қабықшаны құрайтын электрондар.
Атомның планетарлық моделінде ядродағы протондар саны неге электрондар санына тең?
Өйткені атом тұтастай алғанда электрлік бейтарап: ядроның оң заряды (+Z протондардан) электрондардың теріс зарядымен (-Z) толық өтелуі керек. Егер атом электронды жоғалтса немесе қосып алса, теңдік бұзылады — зарядталған бөлшек, ион пайда болады.
Менделеев кестесі бойынша протондар, нейтрондар және электрондар санын қалай білуге болады?
Протондар — бұл элементтің реттік нөмірі Z. Бейтарап атомда электрондар да сонша. Нейтрондар — атомдық массаны бүтін санға дейін дөңгелектеп (бұл массалық сан A), нөмірді азайтыңыз: N = A − Z. Мысалы, массасы 56, №26 темір: 26 протон, 26 электрон, 56 − 26 = 30 нейтрон.
Менделеев кестесіндегі атомдық масса неге бөлшекті?
Өйткені бұл элементтің барлық табиғи изотоптарының таралуын ескере отырып алынған орташа мән. Әрбір жеке атомның массалық саны бүтін (хлор үшін 35 немесе 37), ал изотоптар қоспасы бойынша орташа мән бөлшекті болып шығады — 35,45.
