Атоми, изотопи и периодичната система — урок по химия

1. Строеж на атома

Атомът има малко, тежко и положително заредено и електронна обвивка около него. Ядрото е изградено от и , а обвивката – от електрони. Как е открито ядрото, има в урока по физика Атомът.

Частица	Означение	Заряд	Маса, u	Маса, kg
протон	$p^+$	$+1$	$1{,}0073$	$1{,}673 \cdot 10^{-27}$
неутрон	$n^0$	$0$	$1{,}0087$	$1{,}675 \cdot 10^{-27}$
електрон	$e^-$	$-1$	$0{,}000549$	$9{,}109 \cdot 10^{-31}$

Масите на атомите са много малки, затова в химията ги мерим в атомни единици за маса: $1\ \mathrm{u} = \frac{1}{12}\,m({}^{12}\mathrm{C}) \approx 1{,}661 \cdot 10^{-27}\ \mathrm{kg}$ . Протонът и неутронът тежат почти по 1 u, а електронът е около 1836 пъти по-лек от протона. Затова почти цялата маса на атома е в ядрото, макар то да е десетки хиляди пъти по-малко от самия атом.

О

Атомен номер и масово число

Атомният (пореден) номер

Z

е броят на протоните в ядрото. Масовото число

A

е броят на всички частици в ядрото – протони и неутрони:

A = Z + N

. Нуклидът се означава

{}^{A}_{Z}\mathrm{X}

, например

{}^{23}_{11}\mathrm{Na}

. В неутралния атом електроните са толкова, колкото протоните.

Пример

Колко протона, неутрона и електрона има атомът ${}^{56}_{26}\mathrm{Fe}$ ?

Протони: $Z = 26$
Неутрони: $N = A - Z = 56 - 26 = 30$
Атомът е неутрален, затова електроните са колкото протоните: 26.

2. Химичен елемент и изотопи

О

Химичен елемент

Химичният елемент е вид атоми с еднакъв брой протони

Z

. Всеки атом с 6 протона е въглерод, с 8 – кислород, с 79 – злато, независимо колко неутрона има.

О

Изотопи

Изотопите са атоми на един и същ елемент (еднакво

Z

) с различен брой неутрони (различно

A

). Те имат почти еднакви химични свойства, защото тези свойства зависят от електроните, а не от неутроните. Пример: водородът има три изотопа – протий

{}^1\mathrm{H}

, деутерий

{}^2\mathrm{H}

(D) и тритий

{}^3\mathrm{H}

(T).

Повечето елементи в природата са смес от няколко в почти постоянно съотношение. Затова масата в периодичната система не е – тя е средна, „претеглена“ с дела на всеки изотоп. Защо някои ядра са стабилни, а други се разпадат, разказва урокът Ядро и радиоактивност.

Т

Относителна атомна маса

Относителната атомна маса

A_r

показва колко пъти средната маса на атомите на елемента е по-голяма от

\frac{1}{12}

от масата на атома

{}^{12}\mathrm{C}

. Ако изотопите имат маси

m_1, m_2, \ldots

(в u) и дялове

x_1, x_2, \ldots

(сборът им е 1), то

A_r = x_1 m_1 + x_2 m_2 + \ldots

Пример

Природният хлор е 75,8% ${}^{35}\mathrm{Cl}$ (34,969 u) и 24,2% ${}^{37}\mathrm{Cl}$ (36,966 u). Каква е относителната му атомна маса?

$A_r = 0{,}758 \cdot 34{,}969 + 0{,}242 \cdot 36{,}966 = 26{,}507 + 8{,}946 \approx 35{,}45$
Не е 36 (средното на 35 и 37), защото леките атоми са три пъти повече.

Изотопите се „виждат“ с мас-спектрометър: той превръща атомите в йони, разделя ги по маса и брои колко са от всеки вид. Така през 1913 г. Джоузеф Томсън забелязва, че неонът оставя две отделни следи – при маса 20 и при маса 22. Това е първото доказателство, че и стабилните елементи могат да имат изотопи.

35Cl, %75,8

Ar =0,758·34,969 + 0,242·36,966=35,452в таблицата:35,45

Това е природният изотопен състав – масата съвпада с тази в периодичната система.

💡 Мас-спектрометърът йонизира атомите и ги разделя по маса: всеки изотоп дава отделен пик, а височината му показва колко от атомите са от този вид. Средната атомна маса е претеглено средно – по-близо до по-разпространения изотоп. Затова масата на хлора е 35,45, а не 36.

3. Йони

О

Йони

Йонът е частица с електричен заряд, получена, когато атомът отдаде или приеме електрони. Положителните йони (катиони) имат по-малко електрони от протоните:

\mathrm{Na^+}

,

\mathrm{Ca^{2+}}

. Отрицателните (аниони) имат повече:

\mathrm{Cl^-}

,

\mathrm{O^{2-}}

. Протоните в ядрото не се променят – елементът остава същият.

Пример

Колко протона, неутрона и електрона има йонът ${}^{27}_{13}\mathrm{Al}^{3+}$ ?

Протони: 13; неутрони: $27 - 13 = 14$
Зарядът $3+$ означава, че атомът е отдал 3 електрона: $13 - 3 = 10$ електрона.

В лабораторията сглоби атом сам: протоните решават кой е елементът, неутроните – кой е изотопът, а електроните – дали е йон.

протони p⁺6

неутрони n⁰6

електрони e⁻6

Z =6N =6A = Z + N =12изотоп:въглерод-12

Въглерод-12: стабилен изотоп – среща се в природата.

💡 Смени броя на протоните – и елементът става друг. Смени неутроните – елементът остава същият, сменя се изотопът. Смени електроните – получаваш йон. Слоевете са по простия модел (2, 8, 8, …), който е точен до калция (Z = 20).

4. Електронни слоеве и външни електрони

Електроните в атома са подредени по . Колкото по-далеч от ядрото е слоят, толкова по-слабо са привлечени електроните в него. За първите 20 елемента е достатъчен прост модел.

Т

Слоевете при първите 20 елемента

Първият слой побира 2 електрона, вторият – 8, третият се запълва до 8, а след това започва четвъртият (при калия и калция). Така разпределението е 2, 8, 8, 2. Електроните във външния слой се наричат външни (валентни) – от тях зависят химичните свойства.

Пример

Да разпределим електроните на хлора ( $Z = 17$ ) и калия ( $Z = 19$ ).

Хлор: $17 = 2 + 8 + 7$ , т.е. слоеве $2,\ 8,\ 7$ – 7 външни електрона, „липсва“ му един до 8.
Калий: $19 = 2 + 8 + 8 + 1$ – 1 външен електрон, който се отдава лесно.
Пълният външен слой (8 електрона, при хелия – 2) е особено устойчив. Затова благородните газове почти не реагират.

По-точното описание използва и s, p, d, f. В тази картина третият слой побира до 18 електрона, но подслоят 4s се запълва преди 3d – затова калият е 2, 8, 8, 1, а не 2, 8, 9. Записът е , например за хлора $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$ . Подробно – в урока Квантовият атом.

5. Периодичният закон и периодичната система

Т

Периодичен закон

Свойствата на елементите и на техните съединения се повтарят периодично с нарастването на атомния номер

Z

. Менделеев подрежда елементите по атомна маса; днес знаем, че определящ е зарядът на ядрото (Мозли, 1913 г.).

Затова в има няколко места, където по-тежкият елемент стои преди по-лекия: аргонът (39,95) е преди калия (39,10), а телурът (127,6) – преди йода (126,9). Менделеев ги подрежда така заради свойствата им – и се оказва прав.

О

Периоди и групи

Хоризонталните редове са периоди: номерът на периода е равен на броя на електронните слоеве. Вертикалните колони са групи (1–18): елементите в една група имат еднакъв брой външни електрони и сходни свойства. В групи 1 и 2 броят на външните електрони е равен на номера на групата, а в групи 13–18 – на номера минус 10.

Алкални метали (група 1)

Li, Na, K… – меки, леки метали с 1 външен електрон. Реагират бурно с вода; пазят се под масло.

Алкалоземни метали (група 2)

Be, Mg, Ca… – 2 външни електрона, реагират по-спокойно от алкалните метали.

Халогени (група 17)

F, Cl, Br, I – активни неметали със 7 външни електрона; образуват двуатомни молекули $\mathrm{Cl_2}$ .

Благородни газове (група 18)

He, Ne, Ar… – с пълен външен слой; почти не образуват съединения.

Металите са вляво и долу в таблицата, – вдясно и горе. По „стълбичката“ между тях са металоидите (бор, силиций, германий, арсен, антимон, телур) – със свойства и на метали, и на неметали; силицият например е полупроводник.

алкални металиалкалоземни металипреходни металилантанидиактинидидруги металиметалоидинеметалихалогениблагородни газове

Електронна конфигурация: $[\mathrm{Ne}]\,3s^{2}3p^{5}$

Агрегатно състояние: газ

Електроотрицателност: 3,16

Йонизационна енергия: 12,97 eV (1251 kJ/mol)

Ковалентен радиус: 99 pm

💡 Докосни елемент, за да видиш данните му. Смени оцветяването и проследи тенденциите: радиусът расте надолу и наляво, йонизационната енергия и електроотрицателността – нагоре и надясно. За благородните газове ковалентният радиус е условна стойност, а електроотрицателност по Полинг повечето от тях нямат.

6. Периодични тенденции

Почти всички тенденции в таблицата се обясняват с две неща: колко силно ядрото привлича и колко далеч са те от него.

Т

Атомен радиус

В периода отляво надясно радиусът намалява: протоните се увеличават, а електроните се добавят в същия слой, затова ядрото ги притегля по-силно. В групата отгоре надолу радиусът расте, защото се добавят нови слоеве. Пример (ковалентни радиуси): Na 155 pm, Cl 99 pm; Li 133 pm, Cs 232 pm.

Т

Йонизационна енергия

Първата йонизационна енергия е енергията, нужна за откъсване на един електрон от атома. Тя расте в периода отляво надясно и намалява в групата надолу – обратно на радиуса. Алкалните метали лесно отдават електрон (Na: 5,14 eV), а благородните газове – най-трудно (Ne: 21,6 eV).

Т

Електроотрицателност

Електроотрицателността показва колко силно атомът привлича общите електрони в химична връзка. По скалата на Полинг най-голяма е при флуора (3,98), а сред стабилните елементи най-малка – при цезия (0,79). Тя расте в периода надясно и намалява в групата надолу.

Пример

Подредете Na, Mg, Cl и K по нарастваща първа йонизационна енергия.

K е под Na в група 1 – има още един слой, външният електрон е по-далеч и се откъсва най-лесно.
Na, Mg и Cl са в период 3 – енергията расте надясно.
K (4,34 eV) < Na (5,14 eV) < Mg (7,65 eV) < Cl (12,97 eV).

Тенденциите имат и изключения. Например йонизационната енергия на бора (8,30 eV) е по-малка от тази на берилия (9,32 eV), а на кислорода (13,62 eV) – по-малка от тази на азота (14,53 eV). Обяснението е в подслоевете – виж задача 6. Металният характер се променя обратно на електроотрицателността: най-активните метали са долу вляво, най-активните неметали – горе вдясно.

7. Тренажор

Намери неутроните, електроните в йона, външните електрони, периода или средната атомна маса. Десетичните отговори въвеждай като 10,8.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

{}^{56}_{26}\mathrm{Fe}^{3+}

Колко електрона има йонът?

8. Атомите около нас

Изотопи, йони и атомни маси срещаш по-често, отколкото предполагаш – в солта, в кабелите и в археологията.

0 / 6

🧂 Хлорът в солта

Природният хлор съдържа 75,8% атоми ³⁵Cl (маса 34,969 u) и 24,2% атоми ³⁷Cl (маса 36,966 u). Каква е средната атомна маса на хлора?

🦴 Радиовъглерод

По изотопа въглерод-14 се определя възрастта на кости и дърво от разкопки. Колко протона и колко неутрона има в ядрото на ¹⁴C (Z = 6)?

💧 Тежка вода

В тежката вода D₂O вместо обикновен водород има деутерий (маса 2,014 u). Масата на кислородния атом е 15,999 u, а на обикновената молекула H₂O – 18,015 u. Каква е масата на молекулата D₂O и колко пъти е по-голяма от тази на H₂O?

⚛️ Атом колкото стадион

Радиусът на атома на златото е около 144 pm, а на ядрото му – около 7,0 fm (1 fm = 10⁻¹⁵ m). Ако ядрото беше топче с диаметър 1 cm, колко метра щеше да е диаметърът на атома?

🔌 Медта в кабелите

Медта има два стабилни изотопа: ⁶³Cu (62,930 u) и ⁶⁵Cu (64,928 u). Средната атомна маса на медта е 63,546. Какъв процент от медните атоми са ⁶³Cu?

🥇 Златото и неговите йони

Златото (Z = 79) има един стабилен изотоп – ¹⁹⁷Au. Колко неутрона има в ядрото му и колко електрона има йонът Au³⁺, който се среща в някои съединения на златото?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

9. ⚠️ Чести грешки

Масово число и атомна маса

✗ Масовото число на хлора е 35,45.

✓ Масовото число е цяло – на всеки изотоп (35 или 37). 35,45 е средната атомна маса.

Неутрони

✗ $\displaystyle N = A + Z$

✓ $\displaystyle N = A - Z$ – масовото число вече включва протоните

Заряд на йона

✗ $\displaystyle \mathrm{Na^+}$ има един електрон повече.

✓ $\displaystyle \mathrm{Na^+}$ има един електрон по-малко – електроните са отрицателни.

Изотопи и елементи

✗ $\displaystyle {}^{14}\mathrm{C}$ и $\displaystyle {}^{14}\mathrm{N}$ са изотопи – имат еднакво $\displaystyle A$ .

✓ Изотопите имат еднакво $\displaystyle Z$ . $\displaystyle {}^{14}\mathrm{C}$ и $\displaystyle {}^{14}\mathrm{N}$ са различни елементи.

Радиус в периода

✗ Колкото повече електрони, толкова по-голям атом – Cl е по-голям от Na.

✓ В периода радиусът намалява: Cl (99 pm) е по-малък от Na (155 pm).

Средна атомна маса

✗ $\displaystyle A_r = \frac{35 + 37}{2} = 36$

✓ $\displaystyle A_r = 0{,}758 \cdot 34{,}969 + 0{,}242 \cdot 36{,}966 \approx 35{,}45$ – средно претеглено

10. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое определя към кой химичен елемент принадлежи един атом?

Избери отговор (или натисни 1–4)

11. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

12. Обобщение

✓ Атомът има ядро от протони и неутрони и обвивка от електрони; почти цялата маса е в ядрото
✓ $Z$ – брой протони (определя елемента), $A = Z + N$ – ; изотопите имат еднакво $Z$ , различно $A$
✓ Относителната атомна маса е средно претеглена: $A_r = \sum x_i m_i$
✓ Катионите имат по-малко, анионите – повече електрони от протоните
✓ Слоеве 2, 8, 8, 2 (до Z = 20); външните електрони определят химичните свойства и групата, броят на слоевете – периода
✓ Радиусът расте надолу и наляво; йонизационната енергия и електроотрицателността – нагоре и надясно

💡 Интересен факт

Хелият е открит първо на Слънцето, а чак после на Земята. През 1868 г. в на слънчевите е забелязана жълта линия, която не съвпада с никой известен елемент, и Норман Локиър предполага, че тя е на нов елемент – „хелий“, от гръцкото „хелиос“ (Слънце). На Земята хелият е получен едва през 1895 г. от Уилям Рамзи – от уранов минерал. Как се разпознават елементите по светлината им, виж в урока Светлина и спектри.