Строение атома: химия описывает атом как положительно заряженное ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого движутся электроны. Электроны собраны в электронные слои (их ещё называют электронными оболочками или энергетическими уровнями). Число протонов равно порядковому номеру элемента, а в нейтральном атоме столько же электронов. Число слоёв совпадает с номером периода, а число электронов на внешнем слое у элементов главных подгрупп — с номером группы.
Ниже — всё, что нужно в 8–9 классах и при подготовке к ОГЭ и ЕГЭ: свойства частиц, массовое число и изотопы, пошаговый алгоритм построения схемы строения атома с шестью примерами и разбор типичных ошибок.
Из чего состоит атом: ядро и электроны
Атом — наименьшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства и не делится в химических реакциях. Устроен он при этом сложно: в центре находится крошечное ядро, а вокруг него — электроны.
- Ядро состоит из протонов и нейтронов (вместе их называют нуклонами) и заряжено положительно.
- Электроны заряжены отрицательно и удерживаются возле ядра силой электрического притяжения.
| Частица | Заряд | Масса, кг | Относительная масса (приближённо) |
|---|---|---|---|
| Протон p | +1 (+1,602·10−19 Кл) | 1,6726·10−27 | ≈ 1 |
| Нейтрон n | 0 | 1,6749·10−27 | ≈ 1 |
| Электрон e− | −1 (−1,602·10−19 Кл) | 9,109·10−31 | ≈ 1/1836 |
Значения масс округлены. Относительные массы 1, 1 и 1/1836 — тоже приближение: нейтрон тяжелее протона примерно на 0,14 %, поэтому в точных расчётах их не приравнивают. Для школьных задач этой точности достаточно.
Протон тяжелее электрона примерно в 1836 раз, поэтому более 99,9 % массы атома сосредоточено в ядре. При этом само ядро очень мало: оно более чем в 10 тысяч раз меньше атома, а остальное пространство занимают электроны. Атом в целом нейтрален: положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов.
Порядковый номер, массовое число и изотопы
Три величины встречаются почти в каждой задаче по этой теме:
- Порядковый номер Z = заряд ядра = число протонов = число электронов в нейтральном атоме.
- Массовое число A = число протонов + число нейтронов. Оно всегда целое.
- Число нейтронов N = A − Z.
Записывают так: 3517Cl — вверху массовое число, внизу порядковый номер. Для натрия 2311Na получаем 11 протонов, 11 электронов и 23 − 11 = 12 нейтронов.
Изотопы
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Электронов у них поровну, поэтому химические свойства почти одинаковы, а масса различается.
- Водород: протий 1H (нейтронов нет, около 99,98 % природного водорода), дейтерий 2H (один нейтрон) и тритий 3H (два нейтрона, радиоактивен, период полураспада около 12,3 года).
- Хлор: 35Cl (18 нейтронов, около 76 %) и 37Cl (20 нейтронов, около 24 %).
Именно из-за изотопов относительная атомная масса в таблице Менделеева дробная: это среднее значение с учётом распространённости изотопов. У хлора оно около 35,45 (в школьных расчётах обычно 35,5), а массовое число любого конкретного изотопа — целое.
Хотите увидеть всё это наглядно? В интерактивной таблице Менделеева Chemistar выберите любой элемент: приложение покажет модель Бора в 2D и 3D, электронные орбитали и изотопы.
Электронное строение атома: слои и число электронов в них
Электроны в атоме расположены по слоям. Их нумеруют от ядра: n = 1, 2, 3 и так далее. Чем дальше слой от ядра, тем больше энергия находящихся на нём электронов.
- Число слоёв = номер периода. Натрий в 3-м периоде, значит, у него три слоя.
- Число электронов на внешнем слое = номер группы — для элементов главных (А) подгрупп. Хлор в VII группе, значит, на внешнем слое 7 электронов. Исключение — гелий: он стоит в VIII группе, но у него единственный слой с двумя электронами.
- Для элементов побочных подгрупп это правило не работает: на внешнем слое у них, как правило, 1–2 электрона.
Сколько электронов помещается на слое, определяет формула 2n2, где n — номер слоя:
| Номер слоя n | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| Максимум электронов (2n2) | 2 | 8 | 18 | 32 |
Слои заполняются по очереди, начиная с ближайшего к ядру. При этом внешний слой любого атома содержит не больше 8 электронов (у гелия — 2). Поэтому у калия и кальция после слоёв с 2 и 8 электронами сразу начинается четвёртый слой: 2, 8, 8, 1 и 2, 8, 8, 2 — хотя третий слой мог бы вместить 18.
Схема строения атома: алгоритм, примеры и частые ошибки
- Найдите элемент в таблице Менделеева и выпишите порядковый номер Z, номер периода, номер группы и относительную атомную массу.
- Нарисуйте ядро и подпишите его заряд +Z. Число нейтронов найдите как A − Z, где A — относительная атомная масса, округлённая до целого. У хлора в таблице 35,5, но нейтроны считают для самого распространённого изотопа: 35 − 17 = 18.
- Проведите вокруг ядра столько дуг (слоёв), каков номер периода.
- Распределите Z электронов по слоям, начиная с ближайшего к ядру: сначала 2, затем до 8 и так далее. На последнем слое должно оказаться столько электронов, каков номер группы.
- Проверьте себя: сумма электронов по всем слоям равна Z.
Короткая запись схемы: «+11 ) 2 ) 8 ) 1» — заряд ядра, затем число электронов на каждом слое от ближайшего к ядру к внешнему. Вот шесть примеров:
| Элемент | Z; период; группа | Протоны / нейтроны / электроны | Схема по слоям |
|---|---|---|---|
| Литий Li | 3; 2; I | 3 / 4 / 3 | +3 ) 2 ) 1 |
| Углерод C | 6; 2; IV | 6 / 6 / 6 | +6 ) 2 ) 4 |
| Натрий Na | 11; 3; I | 11 / 12 / 11 | +11 ) 2 ) 8 ) 1 |
| Хлор Cl | 17; 3; VII | 17 / 18 / 17 | +17 ) 2 ) 8 ) 7 |
| Аргон Ar | 18; 3; VIII | 18 / 22 / 18 | +18 ) 2 ) 8 ) 8 |
| Кальций Ca | 20; 4; II | 20 / 20 / 20 | +20 ) 2 ) 8 ) 8 ) 2 |
Как прочитать схему
Возьмём «+17 ) 2 ) 8 ) 7». Заряд ядра +17 — значит, это элемент № 17, хлор. Три слоя — 3-й период. Семь электронов на внешнем слое — VII группа. До устойчивого восьмиэлектронного слоя не хватает одного электрона, поэтому хлор легко принимает электрон и превращается в ион Cl− со схемой «+17 ) 2 ) 8 ) 8» — такой же, как у аргона.
У натрия один электрон на внешнем слое, и он легко его отдаёт: получается ион Na+ со схемой «+11 ) 2 ) 8». У аргона внешний слой уже завершён, поэтому он химически инертен. Так по схеме можно предсказывать поведение атома в реакциях.
Частые ошибки
- Путают порядковый номер и массовое число. Протонов столько, сколько Z (целое число из клетки элемента), а не столько, сколько A.
- Не вычитают. Нейтронов не A, а A − Z.
- Меняют местами период и группу. Период даёт число слоёв, группа — число внешних электронов.
- Ставят на внешний слой больше 8 электронов или «дозаполняют» третий слой у калия и кальция до 18. Правильно: 2, 8, 8, 1 и 2, 8, 8, 2.
- Применяют правило «группа = внешние электроны» ко всем элементам. Оно верно для главных подгрупп, а у гелия и элементов побочных подгрупп есть особенности.
- Берут 35,5 как массовое число. Массовое число всегда целое, а 35,5 — среднее по изотопам.
- Не проверяют сумму. Электронов по слоям должно получиться ровно Z.
- Путают атом и ион. У Na+ по-прежнему 11 протонов, но электронов уже 10.
Модели атома и орбитали: коротко
Представления об атоме менялись. В 1911 году Резерфорд на основе опытов по рассеянию α-частиц золотой фольгой (их провели Гейгер и Марсден в 1909 году) предложил ядерную, или планетарную, модель: в центре плотное положительное ядро, вокруг него — электроны. В 1913 году Бор дополнил её: электроны движутся по стационарным орбитам и излучают или поглощают энергию только при переходе между ними. Модель Бора хорошо описывает атом водорода, но для атомов со многими электронами не подходит.
Современная квантово-механическая модель отказалась от траекторий электрона. Вместо них говорят об орбитали — области пространства, где электрон находится с наибольшей вероятностью. Каждый слой делится на подуровни. s-Орбиталь шарообразная, она одна и вмещает до 2 электронов. p-Подуровень состоит из трёх гантелеобразных орбиталей и вмещает до 6 электронов. На первом слое есть только s-подуровень (2 электрона), на втором — s и p (2 + 6 = 8), на третьем добавляется d-подуровень на 10 электронов (2 + 6 + 10 = 18). Отсюда и формула 2n2.
Как электроны распределяются по подуровням (1s22s22p6…) — это тема электронной конфигурации атома. Схема по слоям — первый шаг к ней: чаще всего её рисуют для первых 20 элементов, а для ЕГЭ понадобится уже и электронная конфигурация.
Частые вопросы
Из каких частиц состоит атом?
Из ядра и электронов. Ядро образуют протоны и нейтроны. У самого лёгкого изотопа водорода — протия — в ядре один протон и нет нейтронов.
Как найти число протонов, нейтронов и электронов?
Протонов и электронов (в нейтральном атоме) столько же, сколько порядковый номер элемента. Нейтронов — A − Z. Например, у фосфора Z = 15 и A = 31: 15 протонов, 15 электронов и 16 нейтронов.
Как определить число электронов на внешнем слое?
Для элементов главных подгрупп оно равно номеру группы. Исключение — гелий с двумя электронами. У элементов побочных подгрупп на внешнем слое обычно 1–2 электрона.
Чем схема строения атома отличается от электронной конфигурации?
Схема показывает, сколько электронов находится на каждом слое (хлор: 2, 8, 7). Электронная конфигурация детальнее: она указывает подуровни (хлор: 1s22s22p63s23p5).
Что меняется в схеме, когда атом становится ионом?
Заряд ядра остаётся прежним, меняется число электронов. Na → Na+: электронов 10, слои 2, 8. Cl → Cl−: электронов 18, слои 2, 8, 8. Ca → Ca2+: электронов 18, слои 2, 8, 8.
Вывод
Чтобы разобраться со строением атома, достаточно держать в голове цепочку: порядковый номер — это число протонов и (в нейтральном атоме) электронов; период — число слоёв; группа — число внешних электронов у элементов главных подгрупп; нейтронов — A − Z. Нарисуйте схемы для нескольких элементов по алгоритму выше и проверьте сумму электронов — после 5–6 примеров это становится автоматическим.
Закрепите тему на практике: в банке заданий Chemistar более 2300 заданий по химии с разборами, а ИИ-чат объяснит непонятный шаг по порядку. Начните с 7 дней бесплатно — тарифы после пробного периода смотрите здесь.
