В какой частице содержится 11 протонов 10 электронов

И.В.ТРИГУБЧАК

ЗАНЯТИЕ 3
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22,/2005; 1/2006

Современные представления о строении
атома

До
конца XIX в. атом считали неделимой частицей, но
последовавшие позже открытия (радиоактивность,
фотоэффект) поколебали это убеждение. Сейчас
известно, что атом состоит из элементарных
частиц, основные из которых – протон, нейтрон,
электрон.

После открытия основных элементарных
частиц, входящих в состав атома, встал вопрос об
их местонахождении, т.е. о строении атома. В 1911 г.
Томсон предложил свою модель строения атома,
которая получила условное название «пудинг с
изюмом». Согласно этой модели атом представляет
собой некую субстанцию, в которой равномерно
распределены протоны, нейтроны и электроны.
Число протонов равно числу электронов, поэтому
атом в целом электронейтрален.

В 1913 г. Резерфорд ставит опыт, результаты
которого модель Томсона объяснить не может
(рис.).Это заставляет Резерфорда предложить свою
модель строения атома, получившую название
планетарной. Согласно этой модели атом состоит
из ядра, в котором сконцентрирована основная
масса атома, поскольку ядро содержит протоны и
нейтроны; вокруг ядра на огромной скорости
вращаются электроны. Поскольку модель
Резерфорда содержала ряд противоречий, Н.Бором
были введены постулаты, устраняющие эти
противоречия.

1-й постулат. Электроны вращаются
вокруг ядра не по произвольным, а по строго
определенным, стационарным орбитам.

2-й постулат. При движении по стационарной
орбите электрон не излучает и не поглощает
энергию. Изменение энергии происходит при
переходе электрона с одной стационарной орбиты
на другую.

Но теория Резерфорда–Бора дает
удовлетворительные результаты только для атома
водорода. Современные представления о строении
атома подчиняются квантовой модели строения
атома, которая учитывает волновые свойства
элементарных частиц. Приведем ее основные
положения.

Э.Резерфорд (1871–1937)

• Электрон имеет двойственную
(корпускулярно-волновую) природу, т.е. ведет себя
и как частица, и как волна. Как частица, электрон
обладает массой и зарядом; как волна, он обладает
способностью к дифракции.

Н.Бор (1885–1962)

• Для электрона невозможно
одновременно точно измерить координату и
скорость.

• Электрон в атоме не движется по определенным
траекториям, а может находиться в любой части
околоядерного пространства, однако вероятность
его нахождения в разных частях этого
пространства неодинакова. Область пространства,
где вероятнее всего находится электрон,
называется орбиталью*.

• Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов,
имеющих общее название – нуклоны.

Параметры для характеристики атомов

Массовое число А – сумма чисел протонов
и нейтронов атома.

Заряд ядра Z – число протонов, определяется
по порядковому номеру элемента в таблице
Д.И.Менделеева. В 1913 г. английским физиком Г.Мозли
было установлено, что положительный заряд ядра
атома (в условных единицах) равен порядковому
номеру элемента в периодической системе
Д.И.Менделеева.

Число нейтронов N определяется как
разность между массовым числом и зарядом ядра
(учитывая, что массой электрона можно
пренебречь).

Изотопы – атомы одного элемента, имеющие
одинаковый заряд ядра (следовательно, и
количество электронов), но различное число
нейтронов (следовательно, различные массовые
числа). Например, элемент водород имеет три
изотопа: протий, дейтерий и тритий. Первые два
существуют в природе, тритий получен
искусственным путем. Подавляющее большинство
химических элементов имеет разное число
природных изотопов с разным процентным
содержанием каждого из них. Относительная
атомная масса элемента, которая приводится в
периодической системе, – это средняя величина
массовых чисел природных изотопов данного
элемента с учетом процентного содержания
каждого из этих изотопов. Химические свойства
всех изотопов одного химического элемента
одинаковы. Следовательно, химические свойства
элемента зависят не от атомной массы, а от заряда
ядра.

Помимо изотопов существуют изобары – атомы
разных химических элементов, которые имеют
одинаковые массовые числа, и изотоны – атомы
разных химических элементов, которые имеют
одинаковое число нейтронов.

Радиоактивность. Ядерные реакции

Радиоактивностью называют
самопроизвольное превращение неустойчивого
изотопа одного химического элемента в изотоп
другого элемента, сопровождающееся испусканием
элементарных частиц или ядер.

Периодом полураспада (Т1/2)
называется время, за которое распадается
половина исходного количества радиоактивного
изотопа.

где m0 – начальная масса вещества, mост
– масса остатка, t – время процесса, Т1/2
– период полураспада.

К основным видам радиоактивного распада
относятся:

–распад (-частица – ядро
атома 42He). При испускании -частицы ядро
теряет два протона и два нейтрона, например:

–-распад
(–-частица
– электрон). При испускании электрона заряд ядра
увеличивается на 1, а массовое число не
изменяется, например:

Позитронный (+) распад (+-частица –
позитрон, обладает массой электрона и
положительным зарядом). Число протонов в ядре при
позитронном распаде уменьшается на 1, а массовое
число не изменяется, например:

Электронный захват. При захвате ядром
электрона заряд ядра уменьшается на 1, а массовое
число остается прежним, например:

Уравнения ядерных реакций должны
удовлетворять правилу равенства сумм индексов:

а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в
реакцию, равна сумме массовых чисел частиц –
продуктов реакции;

б) сумма зарядов частиц, вступающих в реакцию, и
сумма зарядов образовавшихся частиц – продуктов
реакции – равны между собой.

Тест по теме
«Современные представления о строении атома»

1.
Число протонов в атоме элемента, который
находится в четвертом периоде и в главной
подгруппе
V группы периодической системы Д.И.Мендлеева,
равно:

а) 75; б) 42; в) 33; г) 23.

2. Изотопы – это частицы, имеющие одинаковое
число:

а) протонов; б) нейтронов;

в) нуклонов; г) электронов.

3. Что одинаковое в атомах 126С
и 146С?

а) Массовое число; б) число протонов;

в) число электронов; г) радиоактивные свойства.

4. Чему равен заряд ядра атома натрия?

а) 0; б) +1; в) +11; г) +23.

5. Чему равен заряд ядра атома азота?

а) 0; б) +7; в) +14; г) –1.

6. Выберите атомы, в которых число протонов
равно числу нейтронов:

а) 2H; б) 11B; в) 16O; г) 38K.

7. Cколько протонов и электронов содержит
нитрит-ион?

а) 46р, 46е; б) 23р, 24е; в) 23р, 23е;
г) 46р, 47е.

8. В результате серии последовательных
радиоактивных распадов изотоп 22888Ra
превращается в устойчивый изотоп 20882Pb.
Сколько – и -распадов включает
эта серия ядерных превращений?

а) 10, 6; б) 10, 5; в) 5, 4; г) 5, 6.

9. В природе существуют два стабильных
изотопа водорода и три изотопа кислорода.
Сколько разных стабильных молекул воды
существует в природе?

а) 5; б) 6; в) 8; г) 9.

10. Число элементов, образующих следующие
вещества: легкая вода, тяжелая вода, сверхтяжелая
вода, пероксид водорода, кислород, озон, – равно:

а) 6; б) 5; в) 3; г) 2.

Ключ к тексту

Задачи на определение
элементного состава вещества
и вывод формулы сложного вещества
по известному элементному составу

Уровень А

1. Вычислить, в каком из оксидов железа
больше массовая доля металла.

Ответ. (Fe) в FeO – 77,8%.

2. Сколько граммов кальция содержится в 250 г
известняка?

Ответ. 100 г.

3. Рассчитать массу сернистого газа, в
которой содержится 8 г серы.

Ответ. 16 г.

4. Рассчитать массу питьевой соды,
содержащую 30 г углерода.

Ответ. 210 г.

5. Технический хлорид алюминия содержит 98%
чистого вещества, остальное составляют примеси,
не содержащие хлора. Вычислить процентное
содержание хлора в этом химическом продукте.

Ответ. 78,5%.

6. Железные руды относятся к богатым, если
содержание железа в них более 50% по массе.
Определить, относится ли к богатым рудам
карбонат железа(II).

Решение

Для FeCO3 массовая доля железа:

Ответ. FeCO3 не относится к богатым
рудам.

7. Образец соединения фосфора и брома массой
81,3 г содержит 9,3 г фосфора. Определить формулу
этого соединения.

Ответ. PBr3.

8. Органическое вещество содержит 82,76%
углерода и 17,24% водорода; 2,74 г этого вещества при
температуре 37 °С и давлении 0,5 атм занимают
объем 2,4 л. Определить молекулярную формулу
вещества.

Ответ. C4H10.

9. Органическое вещество содержит 40%
углерода, 53,3% кислорода, 6,7% водорода; 15 г этого
вещества при температуре 18 °С и давлении 610 мм
рт. ст. занимают объем 14,9 л. Определить
молекулярную формулу вещества.

Ответ. CH2O.

10. Найти отношения масс элементов в
гидроксиде магния и в пропане.

Ответ. m(Mg) : m(O) : m(H) = 12 : 16 : 1,

m(C) : m(Н) = 9 : 2.

11. Вычислить массу нитрата серебра,
содержащего столько же серебра, сколько его
содержится в 696 г оксида серебра.

Ответ. 1020 г.

12. Определить простейшую формулу вещества,
содержащего (мол. %) 7,69% серебра, 23,08% азота, 46,15%
водорода, 23,08% кислорода.

Ответ. AgN3H6O3.

13. В молекулах двух веществ соотношение
чисел атомов С : Н : О = 1 : 2 : 1. Масса 100 мл паров
первого из них при н.у. составляет 0,402 г.
Молекулярная масса у второго вещества в два раза
больше, чем у первого. Определить вещества.

Ответ. С3Н6О3, С6Н12О6.

14. Вывести молекулярную формулу вещества,
имеющего состав (массовая доля в процентах):

а) натрия – 36,51, серы – 25,39, кислорода – 38,1;

б) натрия – 29,11, серы – 40,51, кислорода – 30,38;

в) калия – 26,53, хрома – 35,37, кислорода – 38,1;

г) водорода – 4,17, кремния – 29,17, кислорода – 66,67;

д) калия – 28,16, хлора – 25,63, кислорода – 46,21.

Решение (14б)

Представим искомую формулу в виде NaxSyOz.
Запишем массовые доли элементов (Э) и их относительные атомные
массы Ar(Э) в виде таблицы.

Разделим все три числа соотношения на
наименьшее (1,266), получим простое соотношение: 1 : 1:
1,5. Умножим все три числа на 2, получим: 2 : 2 : 3.
Отсюда формула вещества – Na2S2O3.

Ответ. а – Na2SO3, б – Na2S2O3,
в – K2Cr2O7, г – H4SiO4, д
– KClO4.

Уровень  Б

1. Определить формулу вещества, состоящего
из кислорода, азота, фосфора и водорода, если
известно, что оно содержит 48,5% кислорода;
количество атомов азота в нем в 2 раза больше
количества атомов фосфора, а количество атомов
водорода – в 2,25 раза больше количества атомов
кислорода. Молярная масса вещества меньше 200
г/моль.

Ответ. Гидрофосфат аммония (NH4)2HPO4.

2. Неизвестная соль содержит элемент X, а
также водород, азот и кислород в следующем
массовом соотношении: 12 : 5 : 14 : 48 (в порядке
перечисления). Определить формулу соли.

Ответ. Гидрокарбонат аммония NH4HCO3.

3. Написать формулу углеводорода, в котором
масса углерода равна массе водорода.

Ответ. CT4, где T – 31H,
тритий.

4. В порции кристаллогидрата ацетата калия
содержится 3,612•1023 атомов углерода и 1,084•1024
атомов водорода. Установить формулу
кристаллогидрата.

Ответ. 2СН3СООК•3Н2О.

* При более строгом определении
орбиталь – это функция, описывающая плотность
электронного облака в каждой точке пространства.