Строение атома: ядро, протоны, нейтроны и электроны

В задаче про атом обычно дают одну или две цифры из периодической таблицы, а спрашивают сразу четыре вещи: сколько протонов, нейтронов и электронов, какой заряд у ядра. Формулы здесь короткие. Сложность в другом: не перепутать порядковый номер, массовое число и относительную атомную массу.

У атома нет твёрдой «скорлупы» и маленьких шариков, которые вращаются по готовым круговым трассам. Это удобная модель для первых уроков. Реальный атом описывают квантовой механикой, но для школьных расчётов модель ядра и электронной оболочки работает отлично.

Что такое атом

Каждый химический элемент задаёт число протонов в ядре. У всех атомов кислорода восемь протонов, у всех атомов железа двадцать шесть. Если в ядре стало девять протонов, это уже не кислород, а фтор. Именно поэтому заряд ядра определяет, к какому элементу относится атом.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны очень лёгкие: масса одного электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона. При этом размеры атома задаёт электронная оболочка, а не ядро. Если представить атом размером со стадион, ядро было бы меньше горошины в центре. Аналогия грубая, зато хорошо объясняет, почему атом в основном состоит из пустого пространства.

Атом остаётся нейтральным, пока положительных протонов и отрицательных электронов поровну. Нейтроны заряда не имеют. Эта простая арифметика потом пригодится для ионов, окислительно-восстановительных реакций и электронных конфигураций.

Ядро: протоны и нейтроны

Протон имеет заряд +1 в условных единицах и массу, близкую к одной атомной единице массы. Число протонов обозначают буквой Z. Его можно сразу прочитать в таблице: это порядковый номер элемента.

Нейтрон почти равен протону по массе, но электрического заряда не имеет. Нейтроны делают ядро устойчивее. У лёгкого водорода может быть одно ядро-протон без нейтрона, но у тяжёлых ядер нейтронов обычно больше, чем протонов. Иначе положительно заряженные протоны слишком сильно отталкивали бы друг друга.

Не подставляйте вместо массового числа дробную относительную атомную массу из таблицы. У хлора она равна примерно 35,45, потому что в природе смешаны разные изотопы. Если задача не называет массовое число, обычно берут ближайшее целое только по указанию преподавателя или формату школьного задания.

Электроны и электронная оболочка

Электрон несёт заряд -1. В нейтральном атоме число электронов совпадает с числом протонов. У алюминия с номером 13: 13 протонов в ядре, 13 электронов в оболочке. Заряд ядра записывают как +13, а суммарный заряд атома равен нулю.

Электроны занимают энергетические уровни. На первом уровне может быть максимум два электрона, на втором восемь. У натрия с номером 11 распределение по уровням выглядит так: 2, 8, 1. Последний электрон расположен дальше от ядра и слабее удерживается, поэтому натрий легко образует катион Na⁺.

Подробную запись с подуровнями s, p, d и f разбирает статья про электронную конфигурацию атома. Для начала запомните идею: внешние электроны определяют большую часть химических свойств, а внутренние в реакциях обычно не участвуют.

Порядковый и массовый номера

Символ атома иногда записывают так: ^A_ZX. Буква X означает символ элемента, верхний индекс A - массовое число, нижний индекс Z - порядковый номер. Для атома натрия ²³₁₁Na: в ядре 11 протонов, нейтронов 23 - 11 = 12, у нейтрального атома 11 электронов.

Относительная атомная масса показывает, во сколько раз средняя масса атомов элемента больше одной двенадцатой массы атома углерода-12. Это справочная величина, которая нужна для расчётов молярной массы. Массовое число относится к одному конкретному атому или изотопу и всегда целое.

• Порядковый номер: сколько протонов в ядре.
• Массовое число: протоны плюс нейтроны.
• Относительная атомная масса: среднее значение для смеси природных изотопов.

Изотопы и ионы

Изотопы принадлежат одному элементу: у них одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. У углерода всегда шесть протонов. Углерод-12 содержит шесть нейтронов, углерод-14 содержит восемь. Их химические свойства близки, потому что строение электронной оболочки совпадает, но масса и ядерные свойства отличаются.

Ион появляется, когда атом отдаёт или принимает электроны. Ядро при этом не меняется. Магний Mg с номером 12 в нейтральном состоянии имеет 12 электронов. Ион Mg²⁺ отдал два электрона, поэтому в нём 12 протонов и 10 электронов. У хлорид-иона Cl^- 17 протонов и 18 электронов.

Проверка заряда простая: вычтите число электронов из числа протонов. Для Mg²⁺: 12 - 10 = +2. Для Cl^-: 17 - 18 = -1. Это полезнее, чем запоминать отдельный список ионов.

Как решить задачу по строению атома

Условие: для атома фосфора указаны Z = 15 и A = 31. Найдите число протонов, нейтронов, электронов, заряд ядра и распределение электронов по уровням.

• Протоны: Z = 15.
• Электроны в нейтральном атоме: 15.
• Нейтроны: A - Z = 31 - 15 = 16.
• Заряд ядра: +15.
• Распределение электронов: 2, 8, 5.

Фосфор расположен в третьем периоде, поэтому три заполненных уровня подтверждают ответ. Если сумма электронов в записи 2 + 8 + 5 не даёт 15, нужно вернуться к распределению. Такие короткие проверки ловят большинство ошибок ещё до сдачи работы.

Перед решением любой задачи выпишите две исходные цифры отдельно: Z и A. После этого всё раскладывается по трём действиям. Протоны берите из Z, нейтроны находите вычитанием, электроны определяйте с учётом заряда частицы. Этого достаточно для большинства заданий на строение атома.