Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

§ 6. Склад атомів: ядро та електрони

Визначення складної будови атомів

Вам уже відомо, що всі речовини складаються з атомів, молекул або йонів. Своєю чергою, молекули та йони утворюються з атомів.

Тривалий час уважали, що атом неможливо розділити на дрібніші частинки. До початку XX століття була відома лише одна кількісна характеристика атомів — відносна атомна маса, саме її було взято за основу класифікації хімічних елементів. Однак, використовуючи лише масу атомів, не можна пояснити причини періодичності зміни їх властивостей. Було не зрозуміло, чому атоми з близькими масами, наприклад Алюміній і Силіцій, істотно відрізняються за властивостями, тимчасом як атоми з різними масами можуть мати подібні властивості. Отже, для характеристики атомів знання лише їх маси не достатньо. Усе це налаштовувало науковців на думку про те, що атом має складну будову. На початку XX століття було висловлено багато гіпотез щодо моделі внутрішньої будови атома, деякі з яких подані на малюнку 6.1.

Мал. 6.1. а — «кексова» модель атома Вільяма Томсона (1902), який уявляв атом як згусток позитивно зарядженої матерії, де рівномірно розподілені електрони, наче родзинки в кексі; б — «кексова» модель, удосконалена Джозефом Джоном Томпсоном (1904), у якій електрони розміщені в одній площині й утворюють концентричні кільця; в — модель атома Хантаро Нагаока (1904), який припустив, що атом схожий на планету Сатурн: половину об'єму займає позитивно заряджена куля, навколо якої супутники-електрони утворюють кільце

Найбільших успіхів у дослідженні атома досяг англійський науковець Ернест Резерфорд. 1909 року він здійснив експеримент, у якому бомбардував золоту фольгу позитивно зарядженими альфа-частинками. Більшість із них, проходячи крізь фольгу, не відхилялися від початкового напрямку, деякі трохи відхилялися, а невелика кількість альфа-частинок значно змінювали траєкторію й іноді навіть летіла у зворотному напрямку. Резерфорд писав, що це було так дивно, ніби ви вистрілюєте з гармати в аркуш паперу, а гарматне ядро відштовхується від нього й летить назад вам у чоло.

Ернест Резерфорд

(1871-1937)

Англійський фізик, лауреат Нобелівської премії з хімії 1908 року. Народився в родині колісного майстра. Працював у Кембриджі, у лабораторії Кавендіша під керівництвом Томсона. Є засновником нового напрямку науки — ядерної фізики. Створив учення про радіоактивність та будову атома. Запропонував нову теорію будови атома, яка сьогодні є загальновизнаною. Цим він спростував ідею про неподільність атома й приголомшив увесь світ ідеєю, що всі тіла є здебільшого порожнім простором, у якому рухаються крихітні частинки. Здійснив першу штучну ядерну реакцію й продемонстрував можливості використання ядерної енергії. Передбачив існування нейтрона.

Результати цього експерименту суперечили популярним на той час моделям атомів. Якби «кексова» модель атома відповідала дійсності, то альфа-частинки мали б вільно проходити крізь атоми золотої фольги (мал. 6.2). Оскільки альфа-частинки заряджені позитивно, то для того, щоб відштовхнутися від фольги, вони мають стикатися з іншими позитивно зарядженими частинками у складі атомів, які утворюють золоту фольгу. Ґрунтуючись на результатах свого експерименту, Резерфорд довів, що позитивний заряд в атомі зосереджений у центрі атома в дуже невеликому об’ємі, який він назвав ядром. У ході експерименту чим ближче до ядра пролітали альфа-частинки, тим сильніше викривлялася їхня траєкторія, а частинки, що влучили прямо в ядро, відштовхувалися від нього й летіли назад (мал. 6.3).

Мал. 6.2. Якби атоми фольги відповідали «кексовій» моделі, то альфа-частинки без опору проходили б крізь пластинку

Мал. 6.3. Зміна траєкторії альфа-частинок пов'язана з відштовхуванням від позитивно зарядженого ядра

Резерфорд запропонував свою — планетарну — модель будови атома, якою з невеликими змінами ми користуємося до сьогодні (мал. 6.4). Згідно з цією моделлю, весь позитивний заряд атома зосереджений у центрі — ядрі,— яке оточене негативно зарядженими електронами. Електрони рухаються навколо ядра певними орбітами, наче планети навколо Сонця.

Мал. 6.4. Планетарна модель будови атома, запропонована Резерфордом

Атом — це електронейтральна, хімічно неподільна частинка, що складається з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів.

Модель атома Резерфорда, без сумніву, найбільше відповідала справжній будові атома, але й вона мала суттєве протиріччя: відповідно до відомих тоді законів фізики, електрон, якщо він обертається навколо ядра, має безперервно випромінювати енергію і з часом упасти на ядро. Модель атома Резерфорда вдосконалив данський фізик Нільс Бор. Він стверджував, що електрони можуть обертатися не на будь-якій орбіті, а лише на визначених відстанях від ядра, утворюючи концентричні сфери з електронів. Тому іноді планетарну модель атома називають моделлю Бора-Резерфорда.

Склад атомів

Отже, атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів.

Електричний заряд електрона називають елементарним, оскільки він найменший з усіх відомих зарядів і тому його абсолютну величину приймають за одиницю вимірювання. Саме в цих умовних одиницях зазвичай указують заряди всіх частинок: електронів, протонів, ядер, йонів тощо. Заряд самого електрона приймають за -1 (табл. 3, с. 28).

Електрон — найлегша з відомих елементарних частинок. Його маса становить 9,1 • 10^-28 г — це в 1837 разів менше за масу найлегшого з атомів — атома Гідрогену. Часто в розрахунках масою електрона нехтують (уважають такою, що дорівнює нулю).

Таблиця 3. Частинки, з яких складається атом

Після визначення будови атома було з’ясовано, що ядро атома також має складну будову. Воно складається із частинок двох видів — протонів і нейтронів (мал. 6.5). Протони й нейтрони називають нуклонами. Протони є позитивно зарядженими частинками із зарядом +1, а нейтрони не мають заряду (табл. 3). Це означає, що весь позитивний заряд ядра визначається лише протонами — їх кількість дорівнює заряду ядра:

кількість протонів у ядрі чисельно дорівнює заряду ядра

Будь-який атом є електронейтральним, тож кількість протонів із зарядом +1 завжди дорівнює кількості електронів із зарядом -1:

кількість протонів у ядрі = кількість електронів в електронній оболонці

Ядро — найважча частина атома: його маса становить близько 99,97% від маси атома і визначається кількістю протонів і нейтронів у ядрі. Маси протона й нейтрона майже однакові і приблизно дорівнюють 1 а. о. м. Отже,

відносна атомна маса ≈ масове число = кількість протонів + кількість нейтронів

Приклад. Ядро атома містить 5 протонів та 5 нейтронів.

1. Визначимо заряд ядра та кількість електронів в атомі:

кількість протонів у ядрі = 5 → заряд ядра = +5 → кількість електронів = 5

2. Визначимо атомну масу:

Мал. 6.5. Склад атома

І хоча саме в ядрі зосереджена вся маса атома, проте розміри ядра надзвичайно малі: його радіус приблизно в сто тисяч разів менший за радіус атома (мал. 6.5). Уявіть: якщо розмір ядра збільшити до розміру звичайного яблука, то сам атом буде розміром із земну кулю.

Порядковий номер хімічного елемента

В усіх атомів одного хімічного елемента кількість протонів завжди однакова (і дорівнює заряду ядра), а кількість нейтронів може бути різною, тому маса атомів одного елемента також може бути різною. Це означає, що не маса, а саме заряд ядра є основною характеристикою, що відрізняє атоми одного виду від атомів іншого виду. Завдяки цьому на початку XX століття змінилося визначення поняття хімічного елемента.

Хімічний елемент — це різновид атомів з однаковим зарядом ядра.

Подальше вивчення будови атома виявило, що протонів в атомах міститься не довільна кількість, а така, що дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в Періодичній системі хімічних елементів. Отже, і заряд ядра також дорівнює порядковому номеру:

кількість протонів у ядрі = заряд ядра = порядковий номер елемента

Виявилося, що, навіть не здогадуючись про складну будову атомів, Менделєєв під час складання своєї Періодичної системи розташував елементи за порядком збільшення зарядів їх атомних ядер.

• Фізики впевнені, що протони, нейтрони та інші частинки складаються з кварків — справжніх елементарних частинок. Однак науковцям ніяк не вдається виокремити кварки й у такий спосіб остаточно довести їх існування. Тож електрон дотепер уважають елементарною частинкою.

• Ернест Резерфорд проводив дослідження переважно в галузі фізики й одного разу заявив, що всі науки можна розділити на дві групи — на фізику та колекціонування марок. Однак Нобелівську премію Резерфорд здобув саме з хімії, що було несподіваним як для нього, так і для інших учених. Пізніше він зазначив, що з усіх перетворень, які йому вдалося спостерігати, найшвидшим виявилося власне перетворення з фізика на хіміка.

Висновки

• 1. Загальноприйнятою є планетарна модель будови атомів, згідно з якою атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на певній відстані обертаються негативно заряджені електрони, утворюючи електронну оболонку атома.
• 2. Ядро атома складається з нуклонів: позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів. Кількість протонів у ядрі певного атома дорівнює порядковому номеру відповідного хімічного елемента в Періодичній системі. Оскільки атом електронейтральний, то кількість протонів у ядрі атома дорівнює кількості електронів в електронній оболонці.

Контрольні запитання

• 1. Схарактеризуйте планетарну модель атома Резерфорда.
• 2. Які частинки містяться у складі: а) атома; б) атомного ядра? Які в них заряд і маса?
• 3. Ядро атома: а) має негативний заряд; б) має позитивний заряд; в) не має заряду.
• 4. Як визначити кількість протонів у ядрі атома: а) за порядковим номером елемента в Періодичній системі; б) за номером періоду; в) за номером групи?
• 5. Які характеристики атома вам відомі? Як їх можна визначити?
• 6. Дайте визначення поняттям «атом» і «хімічний елемент».

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Ядро атома Гелію має заряд +2. Скільки електронів містить атом Гелію?

2. Атом Карбону містить 6 електронів. Чому дорівнює заряд: а) атома Карбону; б) ядра атома Карбону?

3. Визначте кількість протонів у ядрах і заряди атомів: а) Літію; б) Сульфуру; в) Феруму; г) Плюмбуму.

4. Визначте заряд ядра, кількість електронів та масу атома, якщо атомне ядро містить: а) 8 протонів і 9 нейтронів; б) 25 протонів і 30 нейтронів; в) 89 протонів і 117 нейтронів. Назвіть відповідні хімічні елементи.

5*. Опишіть суть експерименту Резерфорда з визначення будови атома. Які результати цього досліду дозволили йому зробити висновки про планетарну будову атома?