Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)

Розділ 3. Досліджуємо будову атома

У ЦЬОМУ РОЗДІЛІ ВИ ДІЗНАЄТЕСЯ:

які існують групи хімічних елементів;
що Періодична таблиця — не звичайний перелік хімічних елементів;
чого більше: електронів у яблуці чи людей на Землі;
як Періодична таблиця дає змогу передбачити майбутні відкриття.

ТЕМИ ДОВГОТРИВАЛИХ ПРОЄКТІВ

1. Візуалізація будови атома: моделювання атомів із підручних матеріалів.

2. Моделювання Періодичної таблиці елементів: створення електронного варіанта Періодичної таблиці, у якій за QR-кодами можна дізнатися додаткову інформацією про хімічні елементи.

СТВОРІТЬ ЛЕПБУК НА ОДНУ З ТЕМ

• Інформація про субатомні частинки.

• Відкидні сторінки з прикладами різних елементів (наприклад, Гідроген, Гелій тощо) із зазначенням числа протонів, нейтронів і електронів.

• Типові ступені окиснення деяких елементів.

§ 24. Склад атомів

Субатомні частинки

Поміркуйте

Сформулюйте гіпотезу, яка б пояснювала різні заряди ядер і відносні атомні маси атомів у різних хімічних елементів.

Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів.

Електричний заряд електрона називають елементарним, оскільки він найменший з-поміж усіх відомих зарядів і тому його абсолютну величину приймають за одиницю вимірювання заряду. Саме в цих умовних одиницях зазвичай зазначають заряди всіх частинок: електронів, протонів, ядер, йонів тощо. Заряд електрона приймають за -1 (табл. 5).

Таблиця 5. Частинки, з яких складається атом

Поміркуйте

Проаналізуйте інформацію з таблиці 5. Чим відрізняються субатомні частинки (тобто частинки, з яких складаються атоми)?

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

Частинки, з яких складаються ядра атомів, називають нуклонами (від лат. nucleus — ядро). Існують нуклони двох видів.

Поміркуйте

Якщо із частинок в ядрі атома лише протони мають заряд, то чим зумовлений заряд ядра? А чому атоми — нейтральні частинки?

Оскільки нейтрони не мають заряду, то весь позитивний заряд ядра зумовлений протонами — їх число дорівнює заряду ядра.

число протонів у ядрі = заряд ядра

Будь-який атом є електронейтральним. Тому число електронів в атомі має дорівнювати числу протонів у ядрі.

число протонів у ядрі = число електронів в електронній оболонці

Поміркуйте

Зважаючи на масу субатомних частинок, чим, на вашу думку, буде зумовлена маса атома?

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

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

Приклад. Ядро атома містить 5 протонів і 5 нейтронів.

1. Визначимо заряд ядра та число електронів в атомі:

Число протонів у ядрі = 5 → Заряд ядра = +5 → Число електронів = 5

2. Визначимо атомну масу:

І хоча саме в ядрі зосереджена вся маса атома, проте розміри ядра надзвичайно малі: його радіус майже в сто тисяч разів менший за радіус атома (мал. 24.1). Уявіть: якщо розмір ядра збільшити до розміру звичайного яблука, то сам атом буде розміром із земну кулю.

Мал. 24.1. Ядро атома складається з позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів. Навколо ядра рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома

Пригадайте

У 7-му класі ви дізналися, що заряд ядра атома — основна характеристика, за якою розрізняють атоми різних хімічних елементів.

Хімічний елемент — це різновид атомів з однаковим зарядом ядра.

Заряд ядра атомів можна визначити за порядковим номером хімічного елемента в Періодичній таблиці.

число протонів у ядрі = заряд ядра = порядковий номер елемента

Дізнайтеся більше

Український науковець Дмитро Дмитрович Іваненко 21 квітня 1932 року надіслав до відомого наукового журналу «Nature» історичну статтю про будову ядра атома, яка складалася лише з 21 рядка. У цій статті він першим у світі запропонував протон-нейтроннну модель атомного ядра.Чим відрізняються різні атоми?

Поміркуйте

Проаналізуйте малюнок 24.2. Моделі скількох атомів на ньому зображено?

Мал. 24.2. Моделі деяких атомів

На малюнку зображено моделі чотирьох атомів. У ядрах цих атомів міститься по три або чотири протони та нейтрони. Але бачимо, що ядра атомів А і В мають однаковий склад: вони містять по три протони і три нейтрони. Ядро атома Б подібне до них, воно містить також три протони, але в ньому чотири нейтрони. Хоча в ядрі атома Г також сім частинок, як в атома Б, але розподіл по протонах і нейтронах дещо інший.

Отже, на малюнку зображено три різновиди атомів. Кожний такий різновид атомів називають нуклідом. Атоми А і В — це атоми одного нукліда, атоми Б — другого, а атоми Г — третього.

Нуклід — це різновид атомів із певним числом протонів і нейтронів у ядрі.

Кожний нуклід характеризують певними числами:

протонне число Z, або заряд ядра, позначає число протонів у ядрі атома нукліда;
нейтронне число N позначає число нейтронів;
масове число, або нуклонне число, А — це число нуклонів, що дорівнює сумі протонного й нейтронного чисел.

масове число = протонне число + нейтронне число

A = Z + N

Оскільки відносні атомні маси всіх протонів і нейтронів дорівнюють приблизно 1 а. о. м., а маса електрона мізерна, то масове число будь-якого атома приблизно дорівнює його відносній атомній масі, округленій до цілих чисел.

Дізнайтеся більше

На Землі поширені два нукліди Гідрогену: Протій і Дейтерій. Частка останнього становить лише 0,07 % усіх атомів Гідрогену. Ще один нуклід Гідрогену — Тритій — міститься в мізерній кількості (4 кг на всю планету), він утворюється в атмосфері під дією космічного випромінювання.

Позначення нуклідів

Поміркуйте

Чи можна, на вашу думку, позначати нукліди так само, як і хімічні елементи?

Для позначення нуклідів, окрім символу хімічного елемента треба також зазначати масове та протонне числа. Наприклад, для нукліда Оксигену:

Іноді протонне число опускають і пишуть лише ¹⁵О, адже відомо, що в усіх нуклідів Оксигену протонне число має бути 8. Нукліди позначають як хімічними символами, так і з використанням назв хімічних елементів, наприклад: Оксиген-15, Оксиген-18.

Обчислення складу атомів

Поміркуйте

Запропонуйте математичну модель визначення числа субатомних частинок в атомі певного хімічного елемента за відомим масовим числом.

Знаючи порядковий номер елемента і масове число нукліда, можна обчислити, скільки електронів, протонів і нейтронів містять його атоми:

число електронів дорівнює числу протонів Z, яке збігається з порядковим номером (зарядом ядра);
число нейтронів N дорівнює різниці між масовим числом А і зарядом ядра: N = А - Z.

Приклад. Скільки протонів, нейтронів і електронів міститься в атомах нукліду Плюмбум-210?

Розв’язання:

Масове число: А(²¹⁰Рb) = 210.

Оскільки порядковий номер Плюмбуму 82, то Z = 82.

Отже, і число протонів, і число електронів в атомі також дорівнює 82.

N = A - Z = 210 - 82 = 128.

Відповідь: 82 протони, 128 нейтронів, 82 електрони.

Скільки різних атомів може існувати?

Поміркуйте

Скільки, на вашу думку, різних атомів може існувати в природі? Чи можна впевнено стверджувати: «оскільки відомо 118 хімічних елементів, то в природі існує 118 різновидів атомів»?

Ядра атомів одного хімічного елемента містять однакове число протонів, що дорівнює порядковому номеру цього елемента в Періодичній таблиці. Але якщо протонів в атомних ядрах певного хімічного елемента має міститися чітко визначене число, то число нейтронів у ядрі атомів може бути різним, оскільки це не впливає на заряд ядра, а лише на його масу.

За малюнком 24.2 ми розглянули моделі деяких атомів. І хоча атоми А та Б є атомами різних нуклідів, але в їхніх ядрах міститься однакове число протонів (по три). Отже, ці нукліди представляють один і той самий хімічний елемент: вони виявляють однакові хімічні властивості, але мають різну масу.

Усі нукліди, що мають однаковий заряд ядра (протонне число) й різне нейтронне число, називають ізотопами.

Ізотопи — це різні нукліди одного хімічного елемента.

Наприклад, у ядрі атомів Оксигену міститься 8 протонів (порядковий номер Оксигену в Періодичній таблиці — 8). А число нейтронів може бути 7, 8, 9, 10 і навіть більше. Отже, з-поміж атомів Оксигену можна виділити такі нукліди:

¹⁵₈O, ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O

І всі ці нукліди є ізотопами.

Поміркуйте

Грецькою мовою ізос означає «рівний, однаковий, подібний», а топос означає «місце». Що, на вашу думку, означає термін «ізотоп»?

Усього відомо понад 3000 нуклідів, і можна припустити, що в середньому на кожний елемент припадає близько 28 нуклідів. Але, звичайно, кожний хімічний елемент представлений різним числом нуклідів.

У більшості хімічних елементів є природні нукліди, тобто ті, що трапляються в природних тілах. Таких нуклідів існує близько 300. Решту нуклідів добуто штучно.

У природі хімічні елементи зазвичай представлені сумішшю декількох нуклідів, наприклад Карбон (¹²С, ¹³С і ¹⁴С), Нітроген (¹⁴N і ¹⁵N) тощо. А деякі хімічні елементи представлені лише одним природним нуклідом, наприклад Флуор (¹⁹F), Натрій (²³Na) тощо.

Дізнайтеся більше

Те, що ядро атома має складну будову, було теоретично доведено на початку XX століття. Експериментально першими це підтвердили англійці Ернест Волтон і Джон Кокрофт у квітні 1932 року. Але лише п'ять місяців по тому 10 жовтня 1932 року експеримент із розщеплення ядра атома здійснили українські науковці Антон Вальтер, Георгій Латишев, Олександр Лейпунський, Кирил Синельников на базі Українського фізико-технічного інституту (зараз Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут»). 10 жовтня 2002 року перед головною корпусом ННЦ «ХФТІ» було відкрито пам'ятник на честь 70-річчя розщеплення атомного ядра.

2016 року в цьому інституті було відкрито ядерну установку «Джерело нейтронів», на якій одержують до 50 радіоактивних нуклідів для діагностики багатьох захворювань, зокрема раку. Сьогодні українські науковці працюють у міжнародній науковій групі, що вивчає теорію будови елементарних частинок за результатами експериментів на Великому адронному колайдері.

Робота з інформацією

299. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про дослідження науковців і науковець, які зробили важливі відкриття в історії атомної теорії (Дж. Дальтон, Дж. Дж. Томсон, Е. Резерфорд, Н. Бор тощо, про одного на власний вибір). Підготуйте доповідь.

300. Із частинок, із яких складаються атоми, лише електрон називають елементарною частинкою. Інші — протони й нейтрони — називають субатомними частинками. Із додаткових джерел дізнайтеся, які частинки називають елементарними та чому протони й нейтрони не вважають такими.

301. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про «рекорди» нуклідів. У якого хімічного елемента відомо найбільше нуклідів, у якого — найбільше природних нуклідів? А в яких — найменше?

302. У природних речовинах на Землі знайдено 92 хімічні елементи, проте в Періодичній таблиці наведено 118. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про те, як дізналися про існування хімічних елементів, які не існують у природних речовинах. Який хімічний елемент, з-поміж таких, яких немає на Землі, було відкрито першим? Чи можуть бути відкриті ще нові хімічні елементи?

303. Порівняйте поняття, склавши для них діаграми Венна: а) «атом» і «хімічний елемент»; б) «електрон» і «протон»; в) «протон» і «нейтрон».

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

305. Запишіть позначення нукліда, якщо ядро атома містить: а) 2 протони й 1 нейтрон; б) 8 протонів і 9 нейтронів; в) 15 протонів і 16 нейтронів; г) 35 протонів і 45 нейтронів; д) 25 протонів і 30 нейтронів; е) 89 протонів і 117 нейтронів.

306. Визначте склад атомів таких нуклідів: ¹⁷О, ¹⁴С, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Со, ¹³⁰І, ⁶⁵Zn.

307. Чим відрізняються за складом ядра атомів нуклідів: а) Літію ⁶Li і ⁷Li; б) Урану ²³⁵U і ²³⁹U?

308. Визначте нуклід: а) Натрію, який містить таке саме число нейтронів, що й нуклід ²⁴Mg; б) Оксигену, який містить таке саме число нейтронів, що й нуклід ¹³С.

309. Із наведеного переліку виберіть: а) ізотопи; б) нукліди з однаковим нейтронним числом; в) нукліди з однаковим нуклонним числом.

¹⁶₈O, ¹⁴₆C, ¹⁴₇N, ¹²₆C, ¹⁵₇N, ¹⁵₈O

Розуміння явищ природи (робота в групах)

310. Нукліди єдиного елемента — Гідрогену — окрім позначень, ще мають власні назви: звичайний Гідроген Н (¹₁H) — Протій; важкий Гідроген D (²₁H) — Дейтерій і надважкий Гідроген Т (³₁Н) — Тритій. Удалося добути ще супернадважкий Гідроген (⁴₁H), але власної назви він ще не має. Проаналізуйте малюнок і схарактеризуйте відмінності нуклідів Гідрогену. Чому вони отримали такі назви?

311. Масові числа нуклідів — цілі числа. Проте для більшості хімічних елементів відносні атомні маси є дробовими числами, які часто суттєво відрізняються від цілого значення, наприклад А_r(Сl) = 35,453. Сформулюйте гіпотезу, яка пояснювала б цей факт. Знайдіть у додаткових джерелах інформацію, яка б підтверджувала або спростовувала вашу гіпотезу.

312. Чи можливо, на вашу думку, за значенням відносної атомної маси хімічних елементів передбачити нукліди, якими представлений цей елемент у природі. Якщо відносна атомна маса Бору дорівнює 10,81, то які існують природні нукліди Бору?

313. Нукліди можуть бути стабільними та нестабільними. Нестабільні нукліди піддаються радіоактивному розпаду, унаслідок чого виникає радіоактивне випромінювання. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про види радіоактивного випромінювання та його вплив на живі організми.

314. Ґрунтуючись на значенні відносної атомної маси хімічних елементів, спрогнозуйте, у вигляді яких нуклідів існують у природі: а) Літій; б) Бор; в) Фосфор; г) Купрум.

315. Як ви вважаєте, чому в Періодичній таблиці для більшості хімічних елементів відносні атомні маси є дробовими числами, а для радіоактивних елементів — цілими числами?

316. У молекулі води можуть міститися різні нукліди Гідрогену (¹H, ²H, ³Н) та Оксигену (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О), утворюючи молекули з різною відносною молекулярною масою. Скільки різних молекул може утворитися із цих нуклідів: а) за складом; б) за масою?

317. Під час перегонки (дистиляції) великої кількості води на дні перегонного куба збирається небагато важкої води, утвореної Дейтерієм — нуклідом Гідрогену. Така вода D₂O зовні схожа на звичайну воду, але відрізняється від неї властивостями. Вона замерзає не за 0 °С, а за 3,8 °С, перетворюючись на лід, який, на відміну від звичайного льоду, не плаває на поверхні води, а тоне. Важка вода не отруйна, але більшість тварин загине, якщо половину води в їхньому організмі замінити на важку. У важкій воді хімічні реакції відбуваються повільніше, що впливає на життєдіяльність організму. Проаналізуйте твердження та визначте, яке з них найкраще пояснює таку дію важкої води.

• Атоми Дейтерію радіоактивні, тому організм гине від опромінення.

• Важка вода щільніша, тому вона руйнує клітини організмів.

• У важкої води вища температура плавлення, тому за кімнатної температури вона замерзає.

• Атоми Дейтерію у два рази важчі за атоми Протію, тому організм стає важчим і гине від надмірної гравітації.

• Молекули важкої води мають більшу масу, тому хімічні реакції за її участі відбуваються повільніше.

318. Установлення близької до сучасної моделі атома (планетарної) відбувалося низкою експериментальних і теоретичних досліджень. До появи планетарної моделі існували інші гіпотези щодо будови атома. Проаналізуйте різні моделі атомів на с. 236 і схарактеризуйте, чим вони відрізняються одна від одної.

319. Планетарну модель атома запропонував 1909 року Ернест Резерфорд, здійснивши експеримент, у якому він бомбардував золоту фольгу α-частинками (ядрами атомів ⁴Не). Науковець виявив, що більшість α-частинок вільно проходить крізь шар золота, а деякі частинки відхиляються від початкової траєкторії. Проаналізуйте малюнок і опишіть сутність цього експерименту.

За результатами експерименту Е. Резерфорд відкинув усі попередні гіпотези та висловив свою. Проаналізуйте малюнок і поясніть міркування науковця, за якими він запропонував свою планетарну модель.