Атом складається з ядра та електронної оболонки: у крихітному ядрі — протони й нейтрони, а навколо нього рухаються електрони. Знаючи лише два числа з періодичної системи, можна «зібрати» будь-який атом: полічити всі його частинки й розселити електрони по рівнях. На цій сторінці — наочна модель атома, формули Z і A, ізотопи, розбори задач та інтерактивний квіз для тренування.
З чого складається атом
Атом — найменша частинка хімічного елемента, що зберігає його властивості. Улаштований він простіше, ніж здається, — лише дві «деталі»:
- Ядро — центр атома. У ньому живуть два види частинок: позитивні протони та нейтральні нейтрони. Ядро неймовірно мале — приблизно у 100 000 разів менше за сам атом, — але саме в ньому зосереджено понад 99,9% маси.
- Електронна оболонка — увесь інший простір атома, де навколо ядра рухаються легкі негативні електрони.
Якби атом збільшили до розмірів стадіону, ядро виявилося б горошиною в центрі поля — усе інше займає «майже порожня» електронна оболонка.
Протони, нейтрони й електрони: три частинки атома
Усі атоми Всесвіту зібрані лише з трьох видів частинок — різняться тільки їхні кількості. Порівнювати частинки зручно за трьома ознаками: заряд, маса та «місце проживання».
Протон і нейтрон майже однакові за масою — приблизно по 1 а.о.м. (атомній одиниці маси). Електрон легший за них приблизно у 1836 разів, тому його масою в підрахунках нехтують. А от заряди протона й електрона рівні за величиною і протилежні за знаком: доки в атомі протонів стільки ж, скільки електронів, він електрично нейтральний.
Формули атома: Z, A і число нейтронів
Склад будь-якого атома описують два числа:
- Протонне (зарядове) число Z — кількість протонів у ядрі. Це і є порядковий номер елемента в періодичній системі: №1 — Гідроген (1 протон), №8 — Оксиген (8 протонів), №79 — Аурум (79 протонів). Тому в планетарній моделі атома число протонів у ядрі дорівнює числу електронів: атом нейтральний, і на кожен протон припадає рівно один електрон.
- Масове число A — загальне число частинок у ядрі: \(A = Z + N\), де N — число нейтронів. Звідси головна робоча формула шкільних задач: \(N = A - Z\).
Записують склад атома так: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Наприклад, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — хлор, у якого 17 протонів і 35 − 17 = 18 нейтронів. Пам'ятка нижче — весь алгоритм у три рядки.
Електронна оболонка: рівні 2, 8, 18
Електрони не літають навколо ядра як заманеться: вони розташовуються на енергетичних рівнях (оболонках). Що далі рівень від ядра, то більше електронів він уміщує — максимум рахують за формулою \(2n^2\):
- 1-й рівень — не більше 2 електронів;
- 2-й рівень — не більше 8;
- 3-й рівень — не більше 18;
- 4-й рівень — не більше 32.
Заповнюються рівні по черзі, від ближнього до дальнього. Наприклад, в Оксигену (Z = 8) електрони розселяються як 2, 6; у Натрію (Z = 11) — 2, 8, 1; у Хлору (Z = 17) — 2, 8, 7. Електрони зовнішнього рівня називають валентними — саме вони беруть участь у хімічних реакціях і визначають властивості елемента.
Число рівнів теж підказує періодична система: воно дорівнює номеру періоду, в якому стоїть елемент. У старших класах рівні додатково ділять на підрівні s, p, d, f і записують електронні конфігурації — наприклад, в Оксигену 1s²2s²2p⁴.
Ізотопи: один елемент — різні атоми
Число протонів у елемента змінити не можна: додай у ядро протон — і вийде вже інший елемент. А от нейтронів може бути по-різному. Ізотопи — це атоми одного елемента з однаковим Z, але різним числом нейтронів, а отже, і різним масовим числом A.
Класичний приклад — Гідроген і його три ізотопи: протій \(^{1}_{1}\text{H}\) (нейтронів немає зовсім), дейтерій \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 нейтрон) і тритій \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 нейтрони). Хімічно ізотопи майже нерозрізненні: у реакціях головну роль відіграють електрони, а їх в ізотопів порівну.
Саме через ізотопи атомні маси в періодичній системі дробові: це середньозважене за всіма природними ізотопами елемента. У Хлору, наприклад, 35,45 — бо природний хлор складається із суміші хлору-35 і хлору-37.
Моделі атома: від «неподільної частинки» до планетарної
Слово «атом» походить від грецького atomos — «неподільний»: так його уявляв ще Демокріт, а на початку XIX століття Дж. Дальтон побудував на ідеї неподільного атома першу наукову теорію. Але відкриття межі XIX–XX століть показали: атом має внутрішню будову.
- 1897 — модель Томсона («пудинг із родзинками»). Дж. Томсон відкрив електрон і припустив, що електрони вкраплені в позитивно заряджене «середовище», як родзинки в пудинг.
- 1911 — планетарна модель Резерфорда. Обстрілюючи золоту фольгу α-частинками, Е. Резерфорд виявив, що майже вся маса і весь позитивний заряд стиснуті в крихітному ядрі, а електрони обертаються навколо нього, як планети навколо Сонця.
- 1913 — модель Бора. Нільс Бор уточнив: електрони рухаються не будь-якими, а строго визначеними орбітами з фіксованою енергією — так з'явилися енергетичні рівні.
- 1920-ті — квантово-механічна модель. Сучасна фізика описує електрон не як кульку на орбіті, а як електронну хмару — область простору, де електрон можна виявити з тією чи іншою ймовірністю.
Планетарну модель із рівнями (як на схемі вище) шкільна хімія використовує досі: для підрахунку частинок і розселення електронів її точності цілком вистачає.
Приклади: розбираємо атом за періодичною системою
Приклад 1. Повний розбір атома Хлору
Задача. Визнач склад атома Хлору й розподіли електрони по рівнях. У періодичній системі: хлор Cl — елемент №17, атомна маса 35,45.
Крок 1. Порядковий номер Z = 17 → у ядрі 17 протонів.
Крок 2. Атом нейтральний → електронів стільки ж: 17 електронів.
Крок 3. Масове число — округлюємо атомну масу: A = 35. Нейтрони: \(N = A - Z = 35 - 17 = 18\).
Крок 4. Розселяємо 17 електронів по рівнях від ближнього до дальнього: 2, потім 8, залишок 7 → 2, 8, 7. На зовнішньому рівні 7 валентних електронів — вони й визначають хімічні властивості хлору.
Відповідь: 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻; електронні рівні: 2, 8, 7.
Приклад 2. Скільки нейтронів в урану-235
Задача. Скільки нейтронів у ядрі ізотопу урану \(^{235}_{92}\text{U}\)?
Крок 1. Читаємо запис: нижнє число — протонне, Z = 92 (протони); верхнє — масове, A = 235.
Крок 2. Рахуємо: \(N = A - Z = 235 - 92 = 143\).
Відповідь: 143 нейтрони. Зверни увагу: у природного урану є й ізотоп \(^{238}_{92}\text{U}\) — ті самі 92 протони, але вже 146 нейтронів.
Приклад 3. Упізнаємо елемент за електронами
Задача. В атома електрони розташовані по рівнях так: 2, 8, 1. Що це за елемент?
Крок 1. Рахуємо електрони: 2 + 8 + 1 = 11.
Крок 2. У нейтральному атомі електронів стільки ж, скільки протонів → Z = 11.
Крок 3. Дивимось у періодичну систему: елемент №11 — Натрій Na.
Відповідь: Натрій. Заразом видно, чому він такий активний: на зовнішньому рівні лише один електрон, і натрій легко його віддає.
Часті помилки в задачах на будову атома
-
Плутають атомну масу й масове число: підставляють у формулу N = A − Z дробову масу з таблиці (наприклад, 35,45 у Хлору).
Масове число A — завжди ціле: це кількість частинок (протонів і нейтронів) у конкретному атомі. Для задач атомну масу з таблиці округлюють до цілого: у Хлору A = 35, отже N = 35 − 17 = 18.
-
Вважають, що порядковий номер елемента — це загальне число всіх частинок атома.
Номер елемента Z — це лише число протонів (та електронів у нейтральному атомі). Нейтрони в Z не входять: їх знаходять окремо, за формулою N = A − Z.
-
Поміщають електрони в ядро: «атом складається з протонів, нейтронів та електронів, які містяться в ядрі».
У ядрі лише протони й нейтрони. Електрони рухаються навколо ядра в електронній оболонці — на відстанях, що в десятки тисяч разів перевищують розмір самого ядра.
-
Для йона рахують електрони за номером елемента: у Na⁺ «11 електронів».
Z дає число електронів лише для нейтрального атома. Йон заряджений: Na⁺ віддав один електрон — їх лишилося 10; Cl⁻ прийняв один — стало 18. Число протонів при цьому не змінюється.
-
Заповнюють рівні порівну чи довільно: у Хлору пишуть, наприклад, 8, 8, 1.
Рівні заповнюються строго від ядра назовні: спершу перший (максимум 2 електрони), потім другий (8), потім третій. У Хлору з його 17 електронами правильно так: 2, 8, 7.
Запитання й відповіді
З чого складається атом? Коротко
Атом складається з ядра та електронної оболонки. Ядро — з протонів (заряд +1) і нейтронів (заряду немає), оболонка — з електронів (заряд −1). Число протонів дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі.
Чому атом називають неподільною частинкою, якщо він ділиться?
Назва лишилася від давньогрецького atomos — «нерозрізуваний»: до кінця XIX століття атом вважали найпростішою «цеглинкою» речовини. Потім відкрили електрон і ядро. Але в хімічних реакціях атом справді не ділиться — перебудовуються лише електронні оболонки, тому для хімії він і досі найменша частинка елемента.
Чи правда, що атом складається з протонів і нейтронів?
Лише наполовину: протони й нейтрони — це склад ядра. Повний склад атома — ядро (протони + нейтрони) плюс електрони, які рухаються навколо ядра й утворюють електронну оболонку.
Чому в планетарній моделі атома число протонів у ядрі дорівнює числу електронів?
Бо атом загалом електрично нейтральний: позитивний заряд ядра (+Z від протонів) має повністю компенсуватися негативним зарядом електронів (−Z). Якщо атом втрачає чи приєднує електрон, рівність порушується — виходить заряджена частинка, йон.
Як дізнатися число протонів, нейтронів та електронів за періодичною системою?
Протони — це порядковий номер елемента Z. Електронів у нейтральному атомі стільки ж. Нейтрони — округліть атомну масу до цілого (це масове число A) і відніміть номер: N = A − Z. Наприклад, Ферум №26 з масою 56: 26 протонів, 26 електронів, 56 − 26 = 30 нейтронів.
Чому атомна маса в періодичній системі дробова?
Бо це середнє за всіма природними ізотопами елемента з урахуванням їхньої поширеності. У кожного окремого атома масове число ціле (35 або 37 у Хлору), а середнє за сумішшю ізотопів виходить дробовим — 35,45.
