Строение атома и положение в Периодической системе

Картинка в задании 2 — кружок с плюсиками и ноликами внутри и точками вокруг — выглядит как что-то само собой разумеющееся. На самом деле каждая её деталь досталась науке отдельным опытом, и помнить, каким именно, полезно: тогда понятно, почему считать надо протоны, а не всё подряд.

До конца XIX века атом считали неделимым — само слово по-гречески означает «нерассекаемый». В 1897 году Джозеф Джон Томсон, изучая катодные лучи, обнаружил частицу почти в две тысячи раз легче самого лёгкого атома и с отрицательным зарядом — электрон. Раз из атома что-то вылетает, атом делим. Томсон предложил модель «пудинга с изюмом»: положительно заряженное облако, в которое вкраплены электроны.

В 1911 году Эрнест Резерфорд обрушил эту модель опытом с золотой фольгой. Пучок тяжёлых положительных частиц направляли на тончайший золотой листок; подавляющее большинство пролетало насквозь почти без отклонения, но примерно одна из восьми тысяч отскакивала назад. Резерфорд сравнил это с отражением артиллерийского снаряда от папиросной бумаги. Объяснение единственное: почти вся масса и весь положительный заряд атома собраны в ничтожно малом объёме — в ядре, а остальное пространство занято электронами. Ядро примерно в сто тысяч раз меньше атома по диаметру; если раздуть атом до размеров стадиона, ядро будет с горошину в центре.

В 1913 году Генри Мозли измерил рентгеновские спектры элементов и показал, что настоящий порядковый номер элемента — это заряд его ядра, а не атомная масса. До этого Менделеев расставлял элементы по массам и в трёх местах был вынужден нарушить порядок «по интуиции» (аргон перед калием, кобальт перед никелем, теллур перед иодом). Мозли доказал, что интуиция была права: по заряду ядра порядок получается без исключений. С этого момента фраза «порядковый номер = заряд ядра» стала не соглашением, а законом природы.

Последняя деталь появилась в 1932 году: Джеймс Чедвик открыл нейтрон — частицу с массой почти как у протона, но без заряда. Она и объяснила, почему массы атомов больше, чем следовало бы из одних протонов.

Вот почему в задании 2 нолики на картинке не считают: нейтрон заряда не несёт, на номер элемента и на его место в таблице он не влияет совсем.

В школьном курсе атом описывают тремя частицами. Запомнить их проще всего таблицей «заряд — масса — где живёт».

Протон (p⁺). Заряд +1, масса 1 а. е. м., живёт в ядре. Число протонов — это всё про элемент: сколько их, такой это и элемент. Шесть протонов — углерод, семь — азот, и никак иначе. Изменить число протонов значит превратить один элемент в другой, а это уже не химия, а ядерная физика.

Нейтрон (n⁰). Заряд 0, масса 1 а. е. м., живёт в ядре. Отвечает за массу и за устойчивость ядра, но не за химические свойства.

Электрон (e⁻). Заряд −1, масса примерно в 1836 раз меньше протона — настолько мала, что в расчётах массы атома ею пренебрегают. Живёт вокруг ядра, в электронной оболочке. Именно электроны — прежде всего внешние — определяют всю химию: как вещество реагирует, какие связи образует, какую степень окисления проявляет.

Из трёх частиц складываются четыре числа, и все четыре у вас спросят.

• • Заряд ядра Z = число протонов = порядковый номер элемента. Это то самое Y в задании 2.
• • Число электронов в нейтральном атоме = числу протонов. Атом в целом электронейтрален: сколько плюсов в ядре, столько минусов вокруг. У иона это уже не так: катион Na⁺ — 11 протонов и 10 электронов, анион Cl⁻ — 17 протонов и 18 электронов.
• • Массовое число A = число протонов + число нейтронов. В Периодической системе стоит не оно, а относительная атомная масса, усреднённая по изотопам; для расчётов её округляют (Cl — 35,5, округляем до 35, но хлор-35 и хлор-37 существуют оба).
• • Число нейтронов N = A − Z. Именно эта формула нужна, когда в задании сказано «массовое число 23, порядковый номер 11»: нейтронов 23 − 11 = 12.

И важное следствие: атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов — это изотопы одного элемента. Водород существует в виде протия (1 протон, 0 нейтронов), дейтерия (1 и 1) и трития (1 и 2); все три — водород, все три химически ведут себя одинаково, потому что электрон у всех один. Отсюда общее правило: химические свойства задают электроны, а масса — нейтроны.

Электроны вокруг ядра распределены не как попало, а по энергетическим уровням (их же называют электронными слоями или оболочками). Уровни нумеруют от ядра наружу: первый, второй, третий…

Вместимость уровня считают по формуле 2n², где n — номер уровня: первый вмещает 2 электрона, второй 8, третий 18, четвёртый 32. Но в первых двадцати элементах — а именно их требует кодификатор ОГЭ — работает более простое правило: третий уровень заполняется до восьми, после чего начинает заполняться четвёртый. Поэтому у калия (19 электронов) распределение 2, 8, 8, 1, а не 2, 8, 9, и у кальция (20 электронов) — 2, 8, 8, 2.

Запись распределения для первых двадцати элементов выглядит так:

• • H — 1; He — 2 (первый уровень заполнен);
• • Li — 2, 1; Be — 2, 2; B — 2, 3; C — 2, 4; N — 2, 5; O — 2, 6; F — 2, 7; Ne — 2, 8 (второй уровень заполнен);
• • Na — 2, 8, 1; Mg — 2, 8, 2; Al — 2, 8, 3; Si — 2, 8, 4; P — 2, 8, 5; S — 2, 8, 6; Cl — 2, 8, 7; Ar — 2, 8, 8;
• • K — 2, 8, 8, 1; Ca — 2, 8, 8, 2.

Посмотрите на этот список внимательно — в нём прямо видна вся логика Периодической системы. Число уровней (сколько цифр в записи) равно номеру периода: у лития их два, значит второй период; у натрия три — третий период; у калия четыре — четвёртый период. Последняя цифра — число электронов на внешнем уровне — равна номеру группы (для главных подгрупп): у натрия 1, и он в I группе; у серы 6, и она в VI группе.

Теперь понятно, почему свойства повторяются периодически. У лития, натрия и калия на внешнем уровне по одному электрону — и все трое ведут себя одинаково: мягкие активные металлы, бурно реагирующие с водой с образованием щёлочи. У фтора, хлора и брома по семь внешних электронов — и все трое активные неметаллы, легко отнимающие один электрон. Повторяется строение внешнего уровня, а вместе с ним — свойства.

Особое место занимает завершённый внешний уровень — два электрона у гелия, восемь у неона, аргона и криптона. Такая оболочка исключительно устойчива, и потому благородные газы почти не вступают в реакции. Стремление получить такую же оболочку — движущая сила почти всех химических превращений: натрий отдаёт свой единственный внешний электрон и становится ионом Na⁺ с оболочкой неона, хлор принимает один электрон и становится Cl⁻ с оболочкой аргона.

В клетке Периодической системы стоят четыре вещи, и ученики регулярно берут не ту.

Порядковый номер — обычно слева сверху или над символом. Это заряд ядра и число протонов. В задании 2 спрашивают именно его, обозначая Y.

Символ элемента — латинское обозначение, одна или две буквы, первая всегда заглавная: H, He, Na, Cl, Fe. Написание «NA» или «cl» считается ошибкой.

Относительная атомная масса — число под символом, обычно дробное: 1,008 у водорода, 35,45 у хлора, 55,85 у железа. Дробность не ошибка печати: это среднее по изотопам с учётом их распространённости в природе. В расчётах её округляют до целых, кроме хлора (35,5).

Название по-русски.

Главная путаница экзамена — между порядковым номером и атомной массой. У лёгких элементов они близки (углерод: номер 6, масса 12), и глаз цепляется не за то число. Проверочный приём: порядковый номер — всегда целое и всегда меньше атомной массы (кроме водорода, где они почти совпадают). Если в ответе получилось 12 вместо 6 — вы взяли массу.

Теперь про период и группу, которые тоже спрашивают в задании 2.

Период — горизонтальная строка. Периодов семь. Первый содержит всего два элемента (H и He), второй и третий — по восемь, четвёртый и пятый — по восемнадцать. Номер периода = число электронных слоёв. Чтобы определить период по заряду ядра, достаточно помнить границы: 1–2 — первый период, 3–10 — второй, 11–18 — третий, 19–36 — четвёртый.

Группа — вертикальный столбец, их восемь, каждая делится на главную (А) и побочную (Б) подгруппу. Для элементов главных подгрупп номер группы = число внешних электронов = высшая степень окисления в оксиде. Отсюда быстрая проверка формул высших оксидов: элементы I группы дают R₂O, II — RO, III — R₂O₃, IV — RO₂, V — R₂O₅, VI — RO₃, VII — R₂O₇.

И последнее: модель ядра на рисунке КИМ всегда показывает и протоны, и нейтроны. Нейтроны там нужны только для того, чтобы у невнимательного ученика была возможность ошибиться. Считайте плюсики.

Если атомная масса складывается из целого числа протонов и целого числа нейтронов, откуда в таблице берутся 35,45 у хлора, 63,55 у меди, 24,31 у магния? Ответ — изотопы.

Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов. У природного хлора их два: хлор-35 (17 протонов, 18 нейтронов) и хлор-37 (17 протонов, 20 нейтронов). В любой порции хлора — в поваренной соли, в соляной кислоте, в хлорной извести — их соотношение практически постоянно: примерно три четверти лёгкого изотопа и четверть тяжёлого. Относительная атомная масса в таблице — это средневзвешенное по этой смеси, поэтому она и получается близкой к 35,5, а не к целому числу.

Проверим счётом, чтобы число перестало быть загадкой: если доля хлора-35 равна 0,75, а хлора-37 — 0,25, то средняя масса равна 35 · 0,75 + 37 · 0,25 = 26,25 + 9,25 = 35,5. Сходится.

Три принципиальных следствия.

Первое. Химические свойства изотопов практически одинаковы, потому что одинаково число электронов. Хлор-35 и хлор-37 дают одну и ту же соль, одну и ту же кислоту, вступают в одни и те же реакции. Разделить их химическим путём нельзя — только физическим, по массе.

Второе. В задании 2 число нейтронов не влияет ни на период, ни на группу, ни на заряд ядра. Два разных рисунка — с пятью и с шестью ноликами при пяти плюсиках — дают один и тот же ответ, потому что элемент один и тот же, бор.

Третье. Ровно из-за изотопов рухнула попытка расставить элементы строго по атомным массам. Аргон (масса 39,9) тяжелее калия (39,1) — по массе он должен был бы стоять после калия, но тогда инертный газ попал бы в группу щелочных металлов, а активнейший металл — в группу инертных газов. Менделеев поставил аргон перед калием, доверившись свойствам, и оказался прав: по заряду ядра аргон восемнадцатый, калий девятнадцатый, никакого исключения нет. Дробные массы аргона и калия — результат разного изотопного состава, и на порядок элементов они влиять не должны.

Про ядро задание 2 спрашивает прямо, а про ионы — исподволь, через соседние задания, и путаница здесь стоит дорого. Держите в голове одну границу: ядро у иона и у атома одинаковое, меняется только электронная оболочка.

Когда атом отдаёт электроны, положительных зарядов в ядре становится больше, чем отрицательных снаружи, и получается катион. Na⁰ отдал один электрон — вышел Na⁺: протонов по-прежнему 11, электронов стало 10. Когда атом принимает электроны, получается анион: Cl⁰ принял один электрон и стал Cl⁻, протонов 17, электронов 18.

Отсюда два следствия, которые спрашивают.

Первое: заряд ядра у иона не меняется. Если в задании речь о ионе Mg²⁺, заряд его ядра всё равно +12, потому что протоны никуда не делись. Ответ «+10» — типичная ошибка, в которой электронный счёт подставили вместо ядерного.

Второе: ионы разных элементов могут иметь одинаковую оболочку. У Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F⁻, O²⁻ и у атома неона — по десять электронов, расположенных одинаково: 2, 8. Такие частицы называют изоэлектронными, и именно к ней, к восьмёрке на внешнем слое, стремятся атомы, вступая в реакции. Но радиусы у них разные: чем больше заряд ядра, тем сильнее оно стягивает ту же десятку электронов, поэтому Al³⁺ заметно мельче, чем O²⁻.

И последнее сопоставление, которое стоит проговорить до конца. Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов: химически они неотличимы, потому что оболочка одна и та же. Ионы — частицы с изменённым числом электронов: химически они ведут себя совсем иначе, чем нейтральный атом. Натрий-металл режется ножом и вспыхивает на воде, ион Na⁺ в солонке безобиден. Один элемент, разное число электронов — и никакого противоречия.