Склад атома: протони, нейтрони й електрони

Атом складається з ядра й електронної оболонки. У ядрі містяться протони й нейтрони — два типи частинок, які називають нуклонами. Електрони рухаються навколо ядра й утворюють оболонку. Майже вся маса атома (понад 99,9 %) зосереджена в ядрі, хоча ядро займає лише одну трильйонну частину об'єму атома.

Кожна з трьох частинок має певний заряд: протон — заряд +1, нейтрон — 0, електрон — заряд −1. Заряд вимірюють в одиницях елементарного заряду (e). Саме завдяки рівності за модулем зарядів протона й електрона нейтральний атом має однакову кількість протонів і електронів.

Протонне число Z і нуклонне число A

Кількість протонів у ядрі називають протонним числом і позначають літерою Z. Це число збігається з порядковим номером елемента в Періодичній системі. Заряд ядра дорівнює +Ze. Наприклад, для Алюмінію Z = 13, отже, заряд ядра +13e.

Сума протонів і нейтронів у ядрі — це нуклонне число A. Його ще називають масовим числом. Кількість нейтронів у ядрі позначають літерою N і обчислюють за формулою:

N = A − Z

Важливо запам'ятати: A — це не заряд ядра, а кількість нуклонів. А от Z показує і число протонів, і порядковий номер, і заряд ядра (в одиницях e).

Нуклідний запис

Для позначення конкретного нукліда використовують запис такого вигляду:

²⁷₁₃Al³⁺

Розшифровуємо: число 27 угорі ліворуч — нуклонне число A; число 13 унизу ліворуч — протонне число Z; +3 угорі праворуч — заряд частинки (якщо заряд не вказано, частинка нейтральна).

За символом Al (Алюміній) у Періодичній системі знаходимо Z = 13. Однак A конкретного нукліда (27) треба брати з умови задачі або з позначення — у таблиці Менделєєва вказано відносну атомну масу (для Алюмінію 27,0), яка для деяких елементів є дробовою через ізотопний склад.

У наступному розділі навчимося підраховувати електрони в йонах — це ключова навичка для завдань НМТ.

У нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів, тобто e = Z. Коли атом перетворюється на йон, змінюється тільки число електронів — ядро залишається незмінним, тому елемент не змінюється.

Катіони й аніони

Катіон — це позитивно заряджений йон. Він утворюється, коли атом втрачає один або кілька електронів. Для катіона з зарядом +q число електронів обчислюють за формулою:

e = Z − q

Аніон — це негативно заряджений йон. Він утворюється, коли атом приєднує один або кілька електронів. Для аніона з зарядом −q число електронів обчислюють за формулою:

e = Z + q

Покроковий розрахунок на прикладах

Розглянемо йон ²⁷Al³⁺. Маємо: Z = 13, A = 27, заряд +3. Обчислюємо:

• p = Z = 13 (протонів)

• N = A − Z = 27 − 13 = 14 (нейтронів)

• e = Z − q = 13 − 3 = 10 (електронів)

Перевірка: заряд частинки q = p − e = 13 − 10 = +3. Усе правильно.

Розглянемо йон ³²S²⁻. Маємо: Z = 16, A = 32, заряд −2. Обчислюємо:

• p = Z = 16 (протонів)

• N = A − Z = 32 − 16 = 16 (нейтронів)

• e = Z + q = 16 + 2 = 18 (електронів)

Перевірка: q = p − e = 16 − 18 = −2. Правильно.

Універсальна перевірка заряду

Щоб переконатися, що ви правильно визначили йон, завжди перевіряйте заряд за формулою:

q = p − e

Якщо p = 12, а e = 10, то q = 12 − 10 = +2, отже, це Mg²⁺. Якщо p = 17, а e = 18, то q = 17 − 18 = −1, отже, це Cl⁻.

Ніколи не визначайте знак заряду за кількістю нейтронів! Нейтрони не впливають на заряд частинки.

Ізоелектронні частинки — це атоми та йони, які мають однакову кількість електронів. Однакова кількість електронів не означає, що частинки належать тому самому хімічному елементу — їхні ядра різні.

Приклади ізоелектронних рядів

Частинки Na⁺, Ne та F⁻ мають по 10 електронів, проте належать до трьох різних елементів:

Інший відомий ізоелектронний ряд — це частинки з 18 електронами: S²⁻, Cl⁻, Ar, K⁺, Ca²⁺. Хоча всі вони мають однакову будову зовнішньої оболонки, їхні ядра різні, а отже, це різні хімічні елементи та йони.

Як уникнути плутанини

Під час розв'язування задач на НМТ перевіряйте три величини окремо: число протонів p, число нейтронів N і число електронів e. Однакове A (нуклонне число) може бути в різних елементів з різними Z. Однакове e може бути в атомів і йонів з різними зарядами.

Важливо: нуклонне число ≠ відносна атомна маса

Відносна атомна маса елемента, яку ви бачите в Періодичній системі, — це середнє значення для всіх ізотопів цього елемента з урахуванням їхньої поширеності в природі. Наприклад, для Хлору вказано Ar = 35,5, але жоден нуклід Хлору не має нуклонного числа 35,5!

Не підставляйте Ar = 35,5 замість A в формулу N = A − Z для Хлору. Нукліди Хлору мають A = 35 або A = 37. Число 35,5 — це лише середнє, а не реальне нуклонне число конкретного нукліда.

Докладно про ізотопи та їхній вплив на атомну масу ми розглянемо в окремому уроці «Ізотопи і нукліди».

Приклад 1. Число нейтронів у ³⁹K⁺

Завдання: Визнач число нейтронів у йоні ³⁹K⁺. Протонне число Калію Z = 19.

Розв'язання:

1. Записуємо дані: A = 39, Z = 19.

2. Число нейтронів: N = A − Z = 39 − 19 = 20.

3. Заряд +1 впливає тільки на електрони, не на нейтрони.

Відповідь: 20.

Поширені помилки:

• 18 — це число електронів (e = 19 − 1 = 18), а не нейтронів.

• 19 — це число протонів, тобто Z, а не N.

Приклад 2. Частинка з 12 протонами й 10 електронами

Завдання: Яка частинка має 12 протонів і 10 електронів?

Варіанти відповідей:

• Mg²⁺

• Mg²⁻

• Ne

• Na⁺

Розв'язання:

1. Число протонів p = 12 відповідає елементу Магній (Mg), бо Z = 12.

2. Обчислюємо заряд: q = p − e = 12 − 10 = +2.

3. Отже, це катіон Mg²⁺.

Відповідь: Mg²⁺.

Чому інші варіанти неправильні:

• Mg²⁻: заряд був би −2, але p − e = +2, тому знак +.

• Ne: має Z = 10, а не 12 протонів.

• Na⁺: має Z = 11, а не 12 протонів.

Приклад 3. Ряд ізоелектронних частинок

Завдання: У якому ряді всі частинки ізоелектронні?

Варіанти відповідей:

• O²⁻, F⁻, Ne

• F, Na⁺, Mg⁺

• O²⁻, F, Na

• Ne, Na, Mg²⁺

Розв'язання:

1. Ізоелектронні частинки мають однакове число електронів.

2. O²⁻ (Z = 8): e = 8 + 2 = 10; F⁻ (Z = 9): e = 9 + 1 = 10; Ne (Z = 10): e = 10. Усі мають по 10 електронів.

3. Перевіряємо інші ряди: F (Z = 9) має 9 e, Na⁺ (Z = 11) має 10 e — не однаково.

Відповідь: O²⁻, F⁻, Ne.

Чому інші варіанти неправильні:

• F, Na⁺, Mg⁺: F має 9 e, Na⁺ — 10 e, Mg⁺ — 11 e. Різні числа електронів.

• O²⁻, F, Na: O²⁻ має 10 e, F — 9 e, Na — 11 e. Не збігається.

• Ne, Na, Mg²⁺: Ne — 10 e, Na — 11 e, Mg²⁺ — 10 e. Не збігається.

• Додавати електрони до катіона замість віднімання. Коли атом утворює катіон, він втрачає електрони, тому їх стає менше. Наприклад, для Mg²⁺ e = 12 − 2 = 10, а не 12 + 2 = 14. Запам'ятай: катіон — позитивний, електронів менше.

• Змінювати число протонів при утворенні йона. Кількість протонів визначає хімічний елемент, і вона ніколи не змінюється під час утворення йона. Якщо атом Натрію (Z = 11) втрачає електрон, він стає Na⁺, але протонів у нього, як і раніше, 11.

• Обчислювати нейтрони за дробовою відносною атомною масою з Періодичної системи. Ar — це середнє значення для суміші ізотопів, а не нуклонне число конкретного нукліда. Наприклад, для Хлору Ar = 35,5, але жоден нуклід Хлору не має A = 35,5. У задачі завжди дають A конкретного нукліда (наприклад, ³⁵Cl або ³⁷Cl).

• Вважати ізоелектронні частинки атомами одного елемента. Ізоелектронні частинки мають однакове число електронів, але можуть належати різним елементам. Наприклад, Ne (10 p, 10 e) і Na⁺ (11 p, 10 e) ізоелектронні, але це різні елементи.

• Визначати знак заряду за кількістю нейтронів. Нейтрони не мають заряду, тому вони не впливають на заряд частинки. Заряд залежить тільки від різниці між кількістю протонів й електронів: q = p − e.

• Плутати нуклонне число A із зарядом ядра. A — це кількість нуклонів (протонів + нейтронів), а заряд ядра дорівнює +Ze, де Z — число протонів. Не плутай A і Z.

Завдання на визначення складу атомів і простих йонів належать до теми 1.3 програми НМТ з хімії. Ця тема охоплює електронні формули та склад електронних оболонок для елементів № 1–20 і Феруму (№ 26).

На тесті тобі знадобиться Періодична система — за нею визначають протонне число Z (порядковий номер елемента). А от нуклонне число A конкретного нукліда завжди дають в умові задачі або в нуклідному записі. Не намагайся «вичитати» A з таблиці Менделєєва — там вказано середню відносну атомну масу, а не A.

Стратегія розв'язування:

1. Випиши з умови або нуклідного запису три числа: Z, A і заряд частинки q.

2. Обчисли три окремі величини: p = Z, N = A − Z, e — з урахуванням заряду (для катіона e = Z − q, для аніона e = Z + q).

3. Перевір відповідь: заряд q має дорівнювати p − e. Якщо не збігається — шукай помилку.

Формат завдань:

• Завдання 1–18: вибір однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г). Оцінювання: 0 або 1 бал.

• Завдання 21: числова коротка відповідь, дві частини — кожна по 1 балу.

• Завдання 22–24: числова коротка відповідь, по 2 бали без часткового оцінювання.

Пам'ятай: заряд частинки визначають протони й електрони. Нейтрони не впливають на заряд, тому не використовуй їх для визначення знака заряду.

• p = Z, N = A − Z.

• У нейтрального атома e = Z.

• У катіона електронів менше, в аніона більше: катіон +q → e = Z − q; аніон −q → e = Z + q.

• Ізоелектронність — однакове число електронів, а не однакове ядро.

• Заряд частинки завжди перевіряй за формулою q = p − e.

• Не плутай нуклонне число A (з умови) і відносну атомну масу Ar (з таблиці).