2.3 Строение атома и обозначения (Atomic Structure and Symbolism)¶
Цели обучения¶
К концу этого раздела вы сможете:
- записывать и истолковывать обозначения, передающие атомный номер, массовое число и заряд атома или иона;
- определить атомную единицу массы и среднюю атомную массу;
- вычислять среднюю атомную массу и распространённость изотопов.
Развитие современной атомной теории многое прояснило во внутреннем устройстве атомов. Стало известно, что атом содержит очень малое ядро, составленное из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, и окружён значительно большей областью пространства, в которой находятся отрицательно заряженные электроны. На ядро приходится большая часть массы атома, поскольку протоны и нейтроны значительно тяжелее электронов; вместе с тем электроны занимают почти весь объём атома. Диаметр атома имеет порядок \(10^{-10}\ \text{м}\), а диаметр ядра — около \(10^{-15}\ \text{м}\), то есть примерно в \(100\,000\) раз меньше. Чтобы наглядно представить себе их относительные размеры, вообразите: если бы ядро было размером с ягоду черники, атом был бы размером с футбольный стадион (Рис. 2.11).
Рис. 2.11. Если расширить атом до размеров футбольного стадиона, то его ядро окажется размером с одну ягоду черники. (источник центрального изображения: модификация работы «babyknight»/Wikimedia Commons; источник правого изображения: модификация работы Paxson Woelber)
Атомы — и составляющие их протоны, нейтроны и электроны — чрезвычайно малы. Например, атом углерода весит менее \(2 \times 10^{-23}\ \text{г}\), а электрон имеет заряд менее \(2 \times 10^{-19}\ \text{Кл}\) (кулон). Для описания свойств таких крошечных объектов, как атомы, используют подходящие малые единицы измерения, в частности атомную единицу массы (а. е. м.; unified atomic mass unit, u; дальтон, dalton, Да) и элементарный заряд (fundamental unit of charge, \(e\)). Атомную единицу массы определяют как ровно \(1/12\) массы одного атома изотопа углерода-12 (об изотопах подробнее далее в этом разделе); она равна \(1{,}6605 \times 10^{-24}\ \text{г}\). Элементарный заряд (его называют также элементарным электрическим зарядом) по абсолютной величине равен заряду электрона \(e\): \(e = 1{,}602 \times 10^{-19}\ \text{Кл}\).
Протон имеет массу \(1{,}0073\ \text{а. е. м.}\) и заряд \(1+\). Нейтрон — несколько более тяжёлая частица с массой \(1{,}0087\ \text{а. е. м.}\) и нулевым зарядом; как и следует из названия, он нейтрален. Электрон несёт заряд \(1-\) и представляет собой гораздо более лёгкую частицу с массой около \(0{,}00055\ \text{а. е. м.}\) (потребовалось бы около \(1800\) электронов, чтобы их суммарная масса сравнялась с массой одного протона). Свойства этих фундаментальных частиц сведены в таблице 2.2. (Внимательный читатель заметит, что сумма масс субатомных частиц не равна действительной массе атома: суммарная масса шести протонов, шести нейтронов и шести электронов составляет \(12{,}0993\ \text{а. е. м.}\) — несколько больше, чем \(12{,}00\ \text{а. е. м.}\). Эту «недостающую» массу называют дефектом массы; о ней пойдёт речь в главе о ядерной химии.)
Таблица 2.2. Свойства субатомных частиц
| Название | Расположение | Заряд (Кл) | Единичный заряд | Масса (а. е. м.) | Масса (г) |
|---|---|---|---|---|---|
| электрон | вне ядра | \(-1{,}602 \times 10^{-19}\) | \(1-\) | \(0{,}00055\) | \(0{,}00091 \times 10^{-24}\) |
| протон | в ядре | \(1{,}602 \times 10^{-19}\) | \(1+\) | \(1{,}00727\) | \(1{,}67262 \times 10^{-24}\) |
| нейтрон | в ядре | \(0\) | \(0\) | \(1{,}00866\) | \(1{,}67493 \times 10^{-24}\) |
Число протонов в ядре атома называется его атомным номером (atomic number, \(Z\)). Это определяющий признак элемента: значение \(Z\) задаёт, каким именно атомом является данная частица. Например, любой атом, содержащий шесть протонов, есть атом элемента углерода и имеет атомный номер \(6\) — независимо от того, сколько у него нейтронов или электронов. Нейтральный атом должен содержать одинаковое число положительных и отрицательных зарядов, поэтому в нём число протонов равно числу электронов. Тем самым атомный номер указывает также число электронов в атоме. Общее число протонов и нейтронов в атоме называют его массовым числом (mass number, \(A\)). Число нейтронов, следовательно, равно разности массового числа и атомного номера: $A - Z = $ число нейтронов.
Атомы электронейтральны, если содержат одинаковое число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Когда числа этих субатомных частиц не совпадают, атом приобретает электрический заряд и называется ионом (ion). Заряд атома определяется выражением:
Как будет подробно обсуждаться далее, атомы (и молекулы) обычно приобретают заряд, принимая или отдавая электроны. Атом, принявший один или несколько электронов, имеет отрицательный заряд и называется анионом (anion). Положительно заряженные атомы, которые называются катионами (cation), образуются, когда атом теряет один или несколько электронов. Например, нейтральный атом натрия (\(Z = 11\)) содержит \(11\) электронов. Если такой атом теряет один электрон, он превращается в катион с зарядом \(1+\) (\(11 - 10 = 1+\)). Нейтральный атом кислорода (\(Z = 8\)) имеет восемь электронов; если он принимает два электрона, он становится анионом с зарядом \(2-\) (\(8 - 10 = -2\)).
Пример 2.3. Состав атома
Задача. Иод — необходимый микроэлемент в нашем рационе; он нужен для выработки гормона щитовидной железы. Недостаток иода в питании может приводить к развитию зоба — увеличению щитовидной железы (Рис. 2.12).
Рис. 2.12. (a) Недостаток иода в питании может вызывать увеличение щитовидной железы — зоб. (b) Добавление небольших количеств иода к поваренной соли — приём, предупреждающий образование зоба, — позволил практически снять эту проблему в США, где потребление соли велико. (источник a: модификация работы «Almazi»/Wikimedia Commons; источник b: модификация работы Mike Mozart)
Добавление небольших количеств иода в поваренную соль (так называемая йодированная соль) в США фактически устранило эту угрозу здоровью; однако до \(40\%\) населения мира по-прежнему подвержено риску дефицита иода. Атомы иода вводятся в виде анионов, каждый из которых имеет заряд \(1-\) и массовое число \(127\). Определите числа протонов, нейтронов и электронов в одном таком анионе иода.
Решение. Атомный номер иода (\(53\)) говорит о том, что нейтральный атом иода содержит \(53\) протона в ядре и \(53\) электрона вне ядра. Поскольку сумма чисел протонов и нейтронов равна массовому числу \(127\), число нейтронов составляет \(74\) (\(127 - 53 = 74\)). Так как иод вводится в виде аниона с зарядом \(1-\), число электронов равно \(54\) (\(53 - (-1) = 54\)).
Проверь себя. Ион платины имеет массовое число \(195\) и содержит \(74\) электрона. Сколько в нём протонов и нейтронов и каков его заряд?
Ответ: \(78\) протонов; \(117\) нейтронов; заряд \(4+\).
Химические символы¶
Символ элемента (chemical symbol) — это сокращение, которым обозначают элемент или атом элемента. Например, символ ртути — \(\ce{Hg}\) (Рис. 2.13). Один и тот же символ используют и для обозначения одного атома ртути (микроскопическая область), и для маркировки сосуда, содержащего много атомов элемента ртути (макроскопическая область).
Рис. 2.13. Символ \(\ce{Hg}\) обозначает элемент ртуть независимо от количества: он может представлять один атом ртути или большое количество ртути.
Символы нескольких распространённых элементов и их атомов приведены в таблице 2.3. Одни символы происходят от общеупотребительного названия элемента, другие — сокращения от названия на другом языке. Большинство символов состоят из одной или двух букв, однако для некоторых элементов с атомными номерами больше \(112\) применяли трёхбуквенные символы. Во избежание путаницы с другими обозначениями заглавной делают только первую букву символа. Например, \(\ce{Co}\) — символ элемента кобальта, а \(\ce{CO}\) — обозначение соединения монооксида углерода, содержащего атомы элементов углерода (\(\ce{C}\)) и кислорода (\(\ce{O}\)). Все известные элементы и их символы приведены в периодической таблице на Рис. 3.37 (она же — в Рис. A1).
Таблица 2.3. Некоторые распространённые элементы и их символы
| Элемент | Символ | Элемент | Символ |
|---|---|---|---|
| алюминий | \(\ce{Al}\) | железо | \(\ce{Fe}\) (от ferrum) |
| бром | \(\ce{Br}\) | свинец | \(\ce{Pb}\) (от plumbum) |
| кальций | \(\ce{Ca}\) | магний | \(\ce{Mg}\) |
| углерод | \(\ce{C}\) | ртуть | \(\ce{Hg}\) (от hydrargyrum) |
| хлор | \(\ce{Cl}\) | азот | \(\ce{N}\) |
| хром | \(\ce{Cr}\) | кислород | \(\ce{O}\) |
| кобальт | \(\ce{Co}\) | калий | \(\ce{K}\) (от kalium) |
| медь | \(\ce{Cu}\) (от cuprum) | кремний | \(\ce{Si}\) |
| фтор | \(\ce{F}\) | серебро | \(\ce{Ag}\) (от argentum) |
| золото | \(\ce{Au}\) (от aurum) | натрий | \(\ce{Na}\) (от natrium) |
| гелий | \(\ce{He}\) | сера | \(\ce{S}\) |
| водород | \(\ce{H}\) | олово | \(\ce{Sn}\) (от stannum) |
| иод | \(\ce{I}\) | цинк | \(\ce{Zn}\) |
По традиции новый элемент именует тот, кто его открыл (или его открыватели). Однако до того, как имя будет утверждено Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC), для нового элемента рекомендуют название, образованное от латинских слов, обозначающих его атомный номер. Например, элемент \(106\) в течение нескольких лет назывался unnilhexium (Unh), элемент \(107\) — unnilseptium (Uns), элемент \(108\) — unniloctium (Uno). Сейчас эти элементы названы в честь учёных (или иногда — географических объектов): так, элемент \(106\) теперь известен как сиборгий (\(\ce{Sg}\)) — в честь Гленна Сиборга (Glenn Seaborg), нобелевского лауреата, активно участвовавшего в открытии нескольких тяжёлых элементов. Элемент \(109\) назван в честь Лизы Мейтнер (Lise Meitner), открывшей ядерное деление — явление, изменившее ход истории; Мейтнер также внесла вклад в открытие ряда важных изотопов, о которых пойдёт речь непосредственно ниже.
Дополнительно
Посетите страницу http://openstax.org/l/16IUPAC, чтобы подробнее узнать об IUPAC — Международном союзе теоретической и прикладной химии — и познакомиться с его периодической таблицей.
Изотопы¶
Обозначение конкретного изотопа (isotope) любого элемента записывают, помещая массовое число в виде верхнего индекса слева от символа элемента (Рис. 2.14). Атомный номер иногда указывают как нижний индекс перед символом, но, поскольку его значение, как и сам символ, однозначно задаёт элемент, его часто опускают. Например, магний встречается в виде смеси трёх изотопов; у всех у них атомный номер \(12\), а массовые числа \(24\), \(25\) и \(26\) соответственно. Эти изотопы можно обозначать \(\ce{^{24}Mg}\), \(\ce{^{25}Mg}\) и \(\ce{^{26}Mg}\). Подобные обозначения изотопов читают как «элемент, массовое число» и могут записывать соответствующим образом. Например, \(\ce{^{24}Mg}\) читается как «магний 24» и может записываться как «магний-24» или «Mg-24»; \(\ce{^{25}Mg}\) читается как «магний 25» и записывается как «магний-25» или «Mg-25». У всех атомов магния в ядре по \(12\) протонов. Отличаются они только числом нейтронов: у атома \(\ce{^{24}Mg}\) в ядре \(12\) нейтронов, у \(\ce{^{25}Mg}\) — \(13\), а у \(\ce{^{26}Mg}\) — \(14\).
Рис. 2.14. Обозначение нуклида (nuclide symbol): элемент задаётся обычным двухбуквенным символом, массовое число — верхним левым индексом, атомный номер — нижним левым индексом (иногда опускается), а заряд — верхним правым индексом.
Сведения о природных изотопах элементов с атомными номерами от \(1\) до \(10\) приведены в таблице 2.4. Обратите внимание, что наряду со стандартными названиями и символами для изотопов водорода часто употребляют собственные имена и сопровождающие их символы. Водород-2, обозначаемый \(\ce{^{2}H}\), называется также дейтерием и иногда обозначается \(\ce{D}\). Водород-3, обозначаемый \(\ce{^{3}H}\), называется тритием и иногда обозначается \(\ce{T}\).
Таблица 2.4. Ядерный состав атомов самых лёгких элементов
| Элемент | Символ | Атомный номер | Число протонов | Число нейтронов | Масса (а. е. м.) | Природная распространённость, % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| водород (протий) | \(\ce{^{1}_{1}H}\) | \(1\) | \(1\) | \(0\) | \(1{,}0078\) | \(99{,}989\) |
| водород (дейтерий) | \(\ce{^{2}_{1}H}\) | \(1\) | \(1\) | \(1\) | \(2{,}0141\) | \(0{,}0115\) |
| водород (тритий) | \(\ce{^{3}_{1}H}\) | \(1\) | \(1\) | \(2\) | \(3{,}01605\) | — (следы) |
| гелий | \(\ce{^{3}_{2}He}\) | \(2\) | \(2\) | \(1\) | \(3{,}01603\) | \(0{,}00013\) |
| гелий | \(\ce{^{4}_{2}He}\) | \(2\) | \(2\) | \(2\) | \(4{,}0026\) | \(100\) |
| литий | \(\ce{^{6}_{3}Li}\) | \(3\) | \(3\) | \(3\) | \(6{,}0151\) | \(7{,}59\) |
| литий | \(\ce{^{7}_{3}Li}\) | \(3\) | \(3\) | \(4\) | \(7{,}0160\) | \(92{,}41\) |
| бериллий | \(\ce{^{9}_{4}Be}\) | \(4\) | \(4\) | \(5\) | \(9{,}0122\) | \(100\) |
| бор | \(\ce{^{10}_{5}B}\) | \(5\) | \(5\) | \(5\) | \(10{,}0129\) | \(19{,}9\) |
| бор | \(\ce{^{11}_{5}B}\) | \(5\) | \(5\) | \(6\) | \(11{,}0093\) | \(80{,}1\) |
| углерод | \(\ce{^{12}_{6}C}\) | \(6\) | \(6\) | \(6\) | \(12{,}0000\) | \(98{,}89\) |
| углерод | \(\ce{^{13}_{6}C}\) | \(6\) | \(6\) | \(7\) | \(13{,}0034\) | \(1{,}11\) |
| углерод | \(\ce{^{14}_{6}C}\) | \(6\) | \(6\) | \(8\) | \(14{,}0032\) | — (следы) |
| азот | \(\ce{^{14}_{7}N}\) | \(7\) | \(7\) | \(7\) | \(14{,}0031\) | \(99{,}63\) |
| азот | \(\ce{^{15}_{7}N}\) | \(7\) | \(7\) | \(8\) | \(15{,}0001\) | \(0{,}37\) |
| кислород | \(\ce{^{16}_{8}O}\) | \(8\) | \(8\) | \(8\) | \(15{,}9949\) | \(99{,}757\) |
| кислород | \(\ce{^{17}_{8}O}\) | \(8\) | \(8\) | \(9\) | \(16{,}9991\) | \(0{,}038\) |
| кислород | \(\ce{^{18}_{8}O}\) | \(8\) | \(8\) | \(10\) | \(17{,}9992\) | \(0{,}205\) |
| фтор | \(\ce{^{19}_{9}F}\) | \(9\) | \(9\) | \(10\) | \(18{,}9984\) | \(100\) |
| неон | \(\ce{^{20}_{10}Ne}\) | \(10\) | \(10\) | \(10\) | \(19{,}9924\) | \(90{,}48\) |
| неон | \(\ce{^{21}_{10}Ne}\) | \(10\) | \(10\) | \(11\) | \(20{,}9938\) | \(0{,}27\) |
| неон | \(\ce{^{22}_{10}Ne}\) | \(10\) | \(10\) | \(12\) | \(21{,}9914\) | \(9{,}25\) |
Дополнительно
Воспользуйтесь симулятором Build an Atom http://openstax.org/l/16PhetAtomBld, чтобы построить атомы первых десяти элементов, посмотреть, какие изотопы существуют, проверить устойчивость ядер и приобрести опыт работы с обозначениями изотопов.
Атомная масса¶
Поскольку каждый протон и каждый нейтрон вносит в массу атома приблизительно одну а. е. м., а вклад каждого электрона значительно меньше, атомная масса (atomic mass) одиночного атома приблизительно равна его массовому числу (целому). Однако средние массы атомов большинства элементов не являются целыми числами, потому что большинство элементов встречаются в природе в виде смесей двух или более изотопов.
Масса элемента, приводимая в периодической таблице или в таблицах атомных масс, представляет собой средневзвешенную массу всех изотопов, присутствующих в природном образце этого элемента. Она равна сумме произведений массы каждого отдельного изотопа на его долю в образце:
Например, элемент бор состоит из двух изотопов: около \(19{,}9\%\) всех атомов бора — это \(\ce{^{10}B}\) с массой \(10{,}0129\ \text{а. е. м.}\), а остальные \(80{,}1\%\) — \(\ce{^{11}B}\) с массой \(11{,}0093\ \text{а. е. м.}\). Среднюю атомную массу бора вычисляют следующим образом:
Важно понимать, что ни один отдельный атом бора не весит ровно \(10{,}8\ \text{а. е. м.}\): \(10{,}8\ \text{а. е. м.}\) — это средняя масса всех атомов бора, тогда как индивидуальные атомы бора весят приблизительно \(10\ \text{а. е. м.}\) или \(11\ \text{а. е. м.}\).
Пример 2.4. Расчёт средней атомной массы
Задача. В метеорите, найденном в центральной части штата Индиана, содержатся следы благородного газа неона, захваченного из солнечного ветра во время путешествия метеорита через Солнечную систему. Анализ пробы газа показал, что она состоит на \(91{,}84\%\) из \(\ce{^{20}Ne}\) (масса \(19{,}9924\ \text{а. е. м.}\)), на \(0{,}47\%\) из \(\ce{^{21}Ne}\) (масса \(20{,}9940\ \text{а. е. м.}\)) и на \(7{,}69\%\) из \(\ce{^{22}Ne}\) (масса \(21{,}9914\ \text{а. е. м.}\)). Чему равна средняя масса атома неона в солнечном ветре?
Решение.
Средняя масса атома неона в солнечном ветре равна \(20{,}15\ \text{а. е. м.}\). (Средняя масса земного атома неона равна \(20{,}1796\ \text{а. е. м.}\). Этот результат показывает, что природная распространённость изотопов может слегка различаться в зависимости от происхождения образца.)
Проверь себя. В пробе магния содержится \(78{,}70\%\) атомов \(\ce{^{24}Mg}\) (масса \(23{,}98\ \text{а. е. м.}\)), \(10{,}13\%\) атомов \(\ce{^{25}Mg}\) (масса \(24{,}99\ \text{а. е. м.}\)) и \(11{,}17\%\) атомов \(\ce{^{26}Mg}\) (масса \(25{,}98\ \text{а. е. м.}\)). Вычислите среднюю массу атома магния.
Ответ: \(24{,}31\ \text{а. е. м.}\).
Мы можем выполнять и иные разновидности этого расчёта, как показано в следующем примере.
Пример 2.5. Расчёт процентной распространённости
Задача. Природный хлор состоит из \(\ce{^{35}Cl}\) (масса \(34{,}96885\ \text{а. е. м.}\)) и \(\ce{^{37}Cl}\) (масса \(36{,}96590\ \text{а. е. м.}\)); средняя масса равна \(35{,}453\ \text{а. е. м.}\). Каков процентный состав хлора по этим двум изотопам?
Решение. Средняя масса хлора — это сумма произведений доли \(\ce{^{35}Cl}\) на массу \(\ce{^{35}Cl}\) и доли \(\ce{^{37}Cl}\) на массу \(\ce{^{37}Cl}\):
Пусть \(x\) — доля \(\ce{^{35}Cl}\); тогда доля \(\ce{^{37}Cl}\) равна \(1{,}00 - x\). (Сумма долей \(\ce{^{35}Cl}\) и \(\ce{^{37}Cl}\) должна равняться единице, поэтому доля \(\ce{^{37}Cl}\) обязательно равна \(1{,}00\) минус доля \(\ce{^{35}Cl}\).)
Подставляя в уравнение для средней массы, получаем:
Решение даёт \(x = 0{,}7576\), откуда \(1{,}00 - 0{,}7576 = 0{,}2424\). Следовательно, природный хлор состоит из \(75{,}76\%\) \(\ce{^{35}Cl}\) и \(24{,}24\%\) \(\ce{^{37}Cl}\).
Проверь себя. Природная медь состоит из \(\ce{^{63}Cu}\) (масса \(62{,}9296\ \text{а. е. м.}\)) и \(\ce{^{65}Cu}\) (масса \(64{,}9278\ \text{а. е. м.}\)); средняя масса равна \(63{,}546\ \text{а. е. м.}\). Каков процентный состав меди по этим двум изотопам?
Ответ: \(69{,}15\%\) \(\ce{^{63}Cu}\) и \(30{,}85\%\) \(\ce{^{65}Cu}\).
Дополнительно
Посетите страницу http://openstax.org/l/16PhetAtomMass, чтобы составить смеси основных изотопов первых \(18\) элементов, отработать навык расчёта средней атомной массы и проверить природные соотношения изотопов с помощью симулятора Isotopes and Atomic Mass.
Как вы убедитесь далее, изотопы важны и в природе, и для понимания науки и медицины человеком. Рассмотрим лишь один природный устойчивый изотоп — кислород-18 (\(\ce{^{18}O}\)), отмеченный в таблице выше; его относят к так называемым средоведческим (экологическим) изотопам. Он важен, например, в палеоклиматологии: используя отношение \(\ce{^{18}O}/\ce{^{16}O}\) в ледовом керне, можно восстановить температуру атмосферных осадков прошлых эпох. \(\ce{^{18}O}\) сыграл ключевую роль и в открытии метаболических путей и механизмов ферментативного действия. Милдред Кон (Mildred Cohn) одной из первых стала использовать такие изотопы как метки, позволяющие исследователям прослеживать их движение в ходе реакций и лучше понимать происходящее. Одно из её первых открытий касалось фосфорилирования глюкозы, протекающего в митохондриях. Методы применения изотопов в подобных исследованиях легли в основу целых научных направлений.
Появление и природную распространённость (abundance) изотопов можно определять экспериментально с помощью прибора, называемого масс-спектрометром (mass spectrometer). Масс-спектрометрию (mass spectrometry, MS) широко применяют в химии, криминалистике, медицине, экологии и многих других областях для анализа и идентификации веществ в исследуемой пробе. В типичном масс-спектрометре (Рис. 2.15) образец испаряют и подвергают воздействию пучка электронов высокой энергии, под действием которого атомы (или молекулы) образца приобретают электрический заряд — обычно теряя один или несколько электронов. Образующиеся катионы затем проходят через (изменяемое) электрическое или магнитное поле, отклоняющее путь каждого катиона на величину, зависящую как от его массы, так и от заряда (это похоже на то, как путь большого стального шара, прокатывающегося мимо магнита, отклоняется меньше, чем путь маленького шара). Ионы регистрируют и строят зависимость относительного числа образовавшихся ионов от их отношения «масса/заряд» — масс-спектр. Высота каждого вертикального пика на масс-спектре пропорциональна доле катионов с указанным отношением «масса/заряд». С момента первоначального применения при разработке современной атомной теории масс-спектрометрия стала мощным инструментом химического анализа в самых разных областях.
Рис. 2.15. Анализ циркония в масс-спектрометре даёт масс-спектр с пиками, отвечающими разным изотопам \(\ce{Zr}\).
Дополнительно
Посмотрите анимацию http://openstax.org/l/16MassSpec, поясняющую принцип масс-спектрометрии. На видео http://openstax.org/l/16RSChemistry Королевское химическое общество кратко рассказывает об основах масс-спектрометрии.