Склад атома: протони, нейтрони й електрони
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Визначай число протонів, нейтронів і електронів в атомах та простих йонах за протонним числом (Z), нуклонним числом (A) і зарядом частинки. Навчишся читати нуклідний запис, розрізняти ізоелектронні частинки й уникати поширених помилок із дробовою атомною масою.
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:
Частинка | p (протони) | e (електрони) | N (нейтрони) |
|---|---|---|---|
Na⁺ | 11 | 10 | 12 (для ²³Na) |
Ne | 10 | 10 | 10 (для ²⁰Ne) |
F⁻ | 9 | 10 | 10 (для ¹⁹F) |
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:
Записуємо дані: A = 39, Z = 19.
Число нейтронів: N = A − Z = 39 − 19 = 20.
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:
Число протонів p = 12 відповідає елементу Магній (Mg), бо Z = 12.
Обчислюємо заряд: q = p − e = 12 − 10 = +2.
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:
Ізоелектронні частинки мають однакове число електронів.
O²⁻ (Z = 8): e = 8 + 2 = 10; F⁻ (Z = 9): e = 9 + 1 = 10; Ne (Z = 10): e = 10. Усі мають по 10 електронів.
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:
Випиши з умови або нуклідного запису три числа: Z, A і заряд частинки q.
Обчисли три окремі величини: p = Z, N = A − Z, e — з урахуванням заряду (для катіона e = Z − q, для аніона e = Z + q).
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.
Чому в катіоні електронів менше?
Катіон має позитивний заряд, тому що він утратив один або кілька електронів. Електрони мають негативний заряд (−1). Коли атом утрачає електрон, загальний негативний заряд зменшується, тому частинка стає позитивною. Кількість протонів (+1 кожен) залишається незмінною, тому різниця між протонами й електронами дає заряд +q.
Чи змінюється ядро, коли утворюється йон?
Ні, ядро не змінюється. Утворення йона відбувається лише за рахунок переходу електронів — ядро залишається незмінним. Тому хімічний елемент не змінюється: якщо атом Натрію (Na, Z = 11) утрачає один електрон, утворюється йон Na⁺, але це все ще Натрій. Ядро змінюється тільки під час ядерних реакцій, а не хімічних.
Чому не можна округлити Ar для будь-якого розрахунку нейтронів?
Відносна атомна маса (Ar) у Періодичній системі — це середньозважене значення для всіх ізотопів елемента, а не нуклонне число (A) конкретного нукліда. Наприклад, для Хлору Ar = 35,5, але нукліди Хлору мають A = 35 або A = 37. Якщо підставити 35,5 у формулу N = A − Z, отримаєш неціле число нейтронів (35,5 − 17 = 18,5), що неможливо — кількість нейтронів завжди ціла. Тому в задачах НМТ A конкретного нукліда завжди дають в умові.
Що спільного в Ne і Na⁺?
Ne (атом Неону) і Na⁺ (катіон Натрію) мають однакову кількість електронів — по 10. Тому їх називають ізоелектронними частинками. Однак це різні хімічні частинки: Ne — нейтральний атом (10 p, 10 e), Na⁺ — позитивно заряджений йон (11 p, 10 e). Їхні ядра різні, а отже, різні й хімічні властивості.
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).