Атоми, изотопи и периодичната система
🧩 През 1869 г. Дмитрий Менделеев подрежда известните тогава 63 елемента в таблица и прави нещо дръзко: оставя празни места. Под алуминия, твърди той, трябва да има неоткрит метал – „екаалуминий“ – с атомна маса около 68 и плътност около 5,9 g/cm³. През 1875 г. французинът Льокок дьо Буабодран открива галия. Първото му измерване дава плътност около 4,7 g/cm³ и Менделеев пише, че пробата сигурно не е чиста. След пречистването се получава около 5,9 – точно колкото е предсказано. Галият, между другото, се топи при 29,8 °C – в шепата ти.
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 | ||||
| неутрон | ||||
| електрон |
Масите на атомите са много малки, затова в химията ги мерим в атомни единици за маса: . 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.
Атомен номер и масово число
Пример
Колко протона, неутрона и електрона има атомът ?
- Протони:
- Неутрони:
- Атомът е неутрален, затова електроните са колкото протоните: 26.
2. Химичен елемент и изотопи
Химичен елемент
Изотопи
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.
Относителна атомна маса
Пример
Природният хлор е 75,8% (34,969 u) и 24,2% (36,966 u). Каква е относителната му атомна маса?
- 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.
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
Йони
Пример
Колко протона, неутрона и електрона има йонът ?
- Протони: 13; неутрони:
- Зарядът означава, че атомът е отдал 3 електрона: електрона.
В лабораторията сглоби атом сам: протоните решават кой е елементът, неутроните – кой е изотопът, а електроните – дали е йон.
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.
Слоевете при първите 20 елемента
Пример
Да разпределим електроните на хлора () и калия ().
- Хлор: , т.е. слоеве – 7 външни електрона, „липсва“ му един до 8.
- Калий: – 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 . Подробно – в урока Квантовият атом.
5. Периодичният закон и периодичната система
Периодичен закон
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.
Периоди и групи
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 .
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.
Електронна конфигурация:
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.
Атомен радиус
Йонизационна енергия
Електроотрицателност
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.
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.
🧂 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
✗
✓ – масовото число вече включва протоните
Заряд на йона
✗ има един електрон повече.
✓ има един електрон по-малко – електроните са отрицателни.
Изотопи и елементи
✗ и са изотопи – имат еднакво .
✓ Изотопите имат еднакво . и 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
✗
✓ – средно претеглено
10. 🎯 Бърз тест
Кое определя към кой химичен елемент принадлежи един атом?
11. 📝 Задачи за упражнение
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
- ✓ – брой протони (определя елемента), – ; изотопите имат еднакво , различно
- ✓ Относителната атомна маса е средно претеглена:
- ✓ 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.