Изотопы для егэ по химии

Химический элемент

Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов
в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.

Изучая подобную карточку химического элемента, можно узнать о нем многое:

• Обозначение химического элемента
• Русское наименование
• Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов
• Атомная масса
• Распределение электронов по энергетическим уровням
• Электронная конфигурация внешнего уровня

Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего
уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную
конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов
равно числу электронов.

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

27 — 13 = 14

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия,
кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.

Изотопы

Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента,
имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.

Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные
на земле изотопы.

Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У
дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.

Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.

Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который
включен в таблицу Д.И. Менделеева.

Skip to content

В уроке 2 «Изотопы элементов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим что такое изотопы элементов и как правильно их обозначают; кроме того мы научимся определять массовое число, дефект массы и энергию связи ядра. Данный урок полностью опирается на основы химии, изложенные в первом уроке, в котором мы рассмотрели строение атома и атомного ядра, поэтому настоятельно вам рекомендую его изучить от корки до корки.

Что такое изотоп?

Хотя все атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, эти атомы могут отличаться числом имеющихся у них нейтронов. Такие различные атомы одного и того же элемента называются изотопами. Количество протонов, а также количество электронов у изотопа и исходного элемента совпадает. По этой причине в природе существует гораздо больше химических элементов, чем указано в таблице Менделеева, которая систематизирует элементы по числу протонов (порядковый номер).

Например, все атомы Li имеют 3 протона, но в природе существуют изотопы, содержащие от 3 до 5 нейтронов. Для обозначения изотопа, слева от символа элемента подписывают нижним индексом его порядковый номер, а верхним — массовое число. Массовое число — это суммарное число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре, численно близкое к атомной массе элемента. Нижний индекс, обозначающий порядковый номер элемента, указывать не обязательно, так как все атомы лития имеют в своем ядре по 3 протона. Также, обсуждая эти изотопы, можно пользоваться записью «литий-6» и «литий-8».

На рисунке выше изображен состав четырех изотопов гелия (Не). Все атомы гелия содержат два протона (и, следовательно, два электрона), но число нейтронов у них может быть разным. В природе большинство атомов гелия имеет два нейтрона (гелий-4) и реже одного раза на миллион встречаются атомы гелия с одним нейтроном (гелий-3). Другие изотопы гелия — гелий-5 , гелий-6 и гелий-8 (не показанный на рисунке) — неустойчивы и обнаруживаются лишь на очень непродолжительное время в ядерных реакциях (подробнее об этом будем говорить еще не скоро). Размеры ядер на рисунке очень сильно увеличены. Если бы они были такими, как это показано на рисунке, диаметр атома должен был достигать примерно 0,5 км.

Пример 1. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме урана-238? Запишите символ этого изотопа.

Решение: Порядковый номер урана (см. таблицу Менделеева) равен 92, а массовое число изотопа равно 238 (по условию). Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 — 92 = 146 нейтронов. Его символ ²³⁸U.

Дефект массы и энергия связи ядра

Затронув тему изотопов, нельзя пройти мимо феномена дефект массы ядра. Когда из отдельных нуклонов образуется атомное ядро, часть их массы превращается в энергию. Другими словами, вот взяли вы щепотку протонов и нейтронов, хорошенько их смяли вместе, и получили ядро, но его масса будет меньше массы исходных компонентов. Это и есть дефект масс. Формула для расчета дефекта массы ядра:

• ∆m=(Zm_p+Nm_n)-M_я

где M_я – масса ядра, Z – число протонов в ядре, N – число нейтронов в ядре, m_p – масса протона, m_n – масса нейтрона.

Если к атому подвести энергию (которая эквивалентна дефекту масс), то можно разделить его ядро обратно на нуклоны. Эта энергия носит название энергия связи ядра. Формула для расчета энергии связи ядра:

• ∆E_св=∆mc²

где с — скорость света, ∆m — дефект массы ядра

Проверьте себя, как вы усвоили понятия дефект массы и энергия связи ядра, самостоятельно решив задачу пользуясь формулами выше.

Пример 2. Если образовать атом углерода-12 из субатомных частиц, какое значение будет иметь дефект масс? 

Теперь нам известно, что каждый изотоп элемента характеризуется порядковым номером (суммарным числом протонов), массовым числом (суммарным числом протонов и нейтронов) и атомной массой (массой атома, выраженной в атомных единицах массы). Поскольку дефект массы при образовании атома очень мал, массовое число обычно совпадает с атомной массой изотопа, округленной до ближайшего целого числа. (Например, атомная масса хлора-37 равна 36,966, что после округления дает 37.) Если в природе встречается несколько изотопов одного элемента, то экспериментально наблюдаемая атомная масса (естественная атомная масса) равна средневзвешенному значению атомных масс отдельных изотопов. Это средневзвешенное значение определяется соответственно относительному содержанию изотопов в природе. Хлор существует в природе в виде смеси из 75,53% хлора-35 (атомная масса 34,97 а.е.м.) и 24,47% хлора-37 (36,97 а.е.м.), поэтому средневзвешенное значение масс этих изотопов равно

• (0,7553·34,97 а.е.м.) + (0,2447·36,97 а.е.м.) = 35,46 а.е.м.

Атомные массы, указанные в таблице Менделеева представляют собой во всех случаях средневзвешенные значения атомных масс изотопов, встречающихся в природе, и именно этими значениями мы будем пользоваться в дальнейшем, за исключением тех случаев, когда будет обсуждаться какой-нибудь конкретный изотоп. Все изотопы одного элемента в химическом отношении ведут себя практически одинаково. На рисунке ниже изображены состав и свойства некоторые атомов, ионов и изотопов элементов.

Пример 3. Магний (Mg) в основном состоит из трех естественных изотопов: 78,70% всех атомов магния имеют атомную массу 23,985 а.е.м., 10,13% — 24,986 а.е.м. и 11,17% — 25,983 а.е.м. Сколько протонов и нейтронов содержится в каждом из этих трех изотопов? Чему равно средневзвешенное значение их атомных масс?

Решение: Все изотопы магния содержат по 12 протонов. Изотоп с атомной массой 23,985 а.е.м. имеет массовое число 24 (суммарное число протонов и нейтронов), следовательно, он имеет 24 — 12 = 12 нейтронов. Символ этого изотопа ²⁴Mg. Аналогично находим, что изотоп с атомным весом 24,986 а.е.м. имеет массовое число 25, содержит 13 нейтронов и имеет символ ²⁵Mg. Третий изотоп (25,983 а.е.м.) имеет массовое число 26, содержит 14 нейтронов и имеет символ ²⁶Mg. Средняя атомная масса магния находится следующим образом:

• (0,7870·23,985 а.е.м.) + (0,1013·24,986 а.е.м.) + (0,1117·25,983 а.е.м.) = 24,31 а.е.м.

Надеюсь урок 2 «Изотопы элементов» помог вам понять что из себя представляют изотопы. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

• Взрослым: Skillbox, Хекслет, Eduson, XYZ, GB, Яндекс, Otus, SkillFactory.
• 8-11 класс: Умскул, Лектариум, Годограф, Знанио.
• До 7 класса: Алгоритмика, Кодланд, Реботика.
• Английский: Инглекс, Puzzle, Novakid.

Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы

Как было сказано в предыдущем параграфе, атом – мельчайшая частица химического вещества, и состоит из трёх видов элементарных частиц, которыми являются протоны, нейтроны и электроны. Кроме того, как выяснилось, положение того или иного элемента в таблице Д. И. Менделеева напрямую связано с количеством протонов в его ядре. Легко предположить, что в случае изменения этого заряда происходит образование нового химического элемента. Подобные процессы изменения числа протонов называют ядерными.

Самый известный пример ядерного процесса – это соединение ядер атомов водорода на Солнце и сопутствующее ему возникновение ядер атомов гелия. Этот процесс преобразования проходит с выделением колоссального количества энергии, благодаря которой и существует жизнь на нашей планете. Некоторое время назад люди научились проводить ядерные процессы и на Земле, однако они требуют огромных затрат, в первую очередь, конечно, энергетических.

В составе атома вещества можно изменить не только число протонов, но и нейтронов. В таком случае позиция элемента в таблице не изменится, следовательно, это будет всё то же вещество, но с отличной массой атомов. Такие атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра и разную массу, принято называть изотопами (от греч. ισος – равный, τόπος – место). Совокупность встречающихся в природе химических элементов являются, по сути, смесью изотопов.

Например, у углерода имеется три изотопа, массовые числа которых – 12, 13 и 14. Как известно, в таблице Д. И. Менделеева элементы имеют определённую атомную массу, которая в большинстве случаев выражена дробным числом. Дело в том, что указанные в таблице относительные атомные массы представляют собой среднее значение атомных масс природной смеси изотопов элемента, вычисленным, учитывая их содержание в природе. К примеру, атомы природного хлора – это смесь двух изотопов с массой 35, которых в природе 75%, и с массой 37 – их всего 25%, соответственно. Отсюда можно вычислить, что относительная атомная масса хлора равна 35,5: A_r(Cl)=35*0.75+37*0.25=35.5

Изотопы хлора, как правило, принято обозначать как . Большая часть химических свойств изотопов хлора, как и многих других элементов, не имеет практически никаких различий. Исключение составляет только водород, изменения химических свойств изотопов которого обусловлены резким кратным увеличением их относительной атомной массы. Изотопам водорода даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки – это протий (¹H), дейтерий (²H или ²D), и тритий (³H или ³T). Из всего этого можно вывести более точное определение: химический элемент является совокупностью атомов с одинаковым зарядом ядра.

Изотопы элементов | Задачи 206

Задача 206. 
Символ одного из изотопов элемента   . Указать: а) название элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) число электронов в электронной оболочке атома.
Решение:
Заряд ядра атома искомого элемента 24 численно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Элемент №24 – хром (Cr). 
Число нейтронов в ядре данного элемента равно 28:

N = A – Z = 28, где

N – число нейтронов в ядре, A – массовое число элемента (округленная масса атома), Z – заряд ядра.

Число электронов равно заряду ядра; в данном случае число электронов равно 24.

Ответ: Cr

---

Задача 207. 
Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома — 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа.

Решение:
Количество электронов в атоме численно равно заряду атома. В данном случае заряд ядра атома равен +15. Заряд ядра атома искомого элемента 15 численно совпадает с номером элемента в периодической системе химических элементов. Элемент №15 – фосфор – символ – Р.
Массовое число данного изотопа фосфора равно:

A = N + Z = 16 + 15 + 31                                 

Символ изотопа фосфора будет иметь вид:  

Ответ:  .

---

Задача 208. 
Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.     

Решение:

Количество электронов в атоме равно количеству протонов. В данном случае число протонов равно 73. Число нейтронов в данном ядре равно 108:

N = A – Z = 181 – 73 = 108, где

N – число нейтронов, A – массовое число атома, Z – заряд ядра.

Заряд ядра атома искомого элемента 73 численно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Элемент №73 –тантал, символ – ₊₇₃Ta.

Ответ: ₊₇₃Та.

---

Задача 209. 
В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵Cl [75,5% (масс.)] и ³⁷Cl [24,5% (масс.)]. Вычислить среднюю атомную массу природного хлора.

Решение:
Рассчитаем содержание ³⁵Cl в природном хлоре, т.е. долю его в атомной массе из пропорции:

Теперь рассчитаем массу ³⁷Cl, содержащуюся в природном хлоре из пропорции:

Вычисляем среднюю массу природного хлора, состоящего из двух изотопов

214,5 + 9,065 = 35,49.

Ответ: 35,49.

---

Задача. 210. 
Природный магний состоит из изотопов: ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg.  Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78,6, 10,1 и 11,3.
Решение:

Вычислим атомную массу изотопов, содержащихся в природном магнии

 а) (24 ^. 78,6)/100 = 18,864;
б) (25 ^.10,1)/100 = 2,525;
                  в) (26 ^. 11,3)/100 = 2,938.                   

Находим среднюю массу атома магния:

                     18,864 + 2,525 + 2,938 = 24, 327.

Ответ: Ar(Mg) = 24,327.

---

Задача 211. 
Природный галлий состоит из изотопов ⁷1Ga, ⁶⁹Ga. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72.
Решение:

Для решения задач применим алгебраический метод расчёта:
Обозначим процентное содержание изотопа ⁶⁹Ga через  x. Тогда процентное содержание изотопа ⁷¹Ga будет равно 100 –  x. масса изотопа 69Ga в атоме будет составлять 69 ^. (x/100). Масса изотопа 71Ga будет составлять  71 ^. (x/100).

В сумме масса обоих изотопов будет равняться атомной массе галлия:

Освобождаемся от знаменателя и получим уравнение:

69x – 71x + 7100 = 69,72                         

Решаем его и, получаем:

-2x = -128x; x = 64                           

Значит, процент изотопа ⁶⁹Ga составляет 64%, а процент изотопа ⁷¹Ga – 36% (100 – 64 = 100). 

Теперь находим, в каком количественном соотношении находятся эти изотопы в природном галлии:

Ответ: 1,8 : 1.

---

Задача 212. 
Найти массу изотопа  ⁸¹Sr(T_1/2 = 8,5ч), оставшуюся через 25,5 ч хранения, если первоначальная масса его составляла 200 мг.
Решение:
За время хранения радиоактивного изотопа прошло 3 периода полураспада (25,5/8,5 = 32). Массу нераспавшегося изотопа, оставшаяся после 25,5ч хранения, рассчитаем из уравнения: 

 m_i = 2^-n – m₀, где

mi – масса изотопа, оставшаяся после хранения, m0 – исходная масса изотопа, n – период полураспада.

Тогда

Ответ: 25мг.

---

Задача 213. 
Вычислить процент атомов изотопа  ¹²⁸I(T_1/2 = 25ч), оставшихся не распавшимися после его хранения в течение 2,5 ч.
Решение:
За время хранения радиоактивного изотопа прошло 6 периодов полураспада [(2,5 ^. 60)/25 = 6)]. Тогда процент атомов изотопа, оставшихся после распада, находим из формулы:

N% = 2^-n. N₀^. 100%, где

N% – процент атомов изотопа, N

0 – первоначальное число ядер изотопа, n – число периодов полураспада.

Отсюда

Ответ: 1,56%.

---

Задача 214. 
Период полураспада – радиоактивного изотопа ²⁴Na равен 14,8 ч. Написать уравнение реакции распада и вычислить, сколько граммов дочернего продукта образуется из 24г ²⁴Na  за 29,6 ч.
Решение:
  – распаду предшествует процесс , протекающий в ядре; таким образом,

  при испускании электрона заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. Дочернее ядро – изобар исходного –  принадлежит элементу, стоящему следующим после исходного в таблице периодической системы химических элементов:

Уравнение радиоактивного распада должны удовлетворять правилу равенства сумм индексов. 
Запишем уравнение реакции распада:

За время хранения ²⁴Na прошло 2 периода полураспада (29,6/14,2 = 2). Массу не распавшегося изотопа, оставшуюся после 14,8ч хранения находим по формуле:

m_i = 2^-n – m₀, где

m_i – масса изотопа, оставшаяся после хранения, m₀ – исходная масса изотопа, n – период полураспада.

Тогда

Таким образом, радиоактивному распаду подверглось 18г ²⁴Na и столько же образовалось ²⁴Mg (24 – 6 = 18).

Ответ: 18г.

---

buzani.ru

Тест по теме «Периодический закон и система химических элементов д.И.Менделеева»

(Возможно
несколько правильных ответов)

1. Среди
всех элементов главной подгруппы I
группы элемент литий обладает:

а)
наиболее выраженными металлическими
свойствами;

б)
самой маленькой плотностью;

в)
самой большой относительной атомной
массой;

г)
наименьшим радиусом атома.

2. Гипотетическая
формула высшего оксида 115-го элемента
периодической системы может иметь вид:

а)
ЭО₂;
б) Э₂О₅;
в) ЭО₄;
г) Э₂О₁₁₅.

3. Порядковый
номер элемента с наибольшей
электроотрицательностью в 4 группе
периодической системы:

а)
6; б) 72; в) 82; г) 12.

4. Сколько
энергетических уровней заполнено
электронами в ионе калия?

а)
4; б) 3; в) 6; г) 5.

5. При
сгорании 1,86 г органического вещества
образовалось 3,96 г углекислого газа и
0,54 г воды. Сколько всего атомов содержит
молекула этого соединения, если известно,
что его молярная масса меньше 200 г/моль?

а)
3; б) 2; в) 15; г) 13.

6. В
каких рядах химические элементы
перечислены не в порядке уменьшения их
атомных радиусов?

а)
Ca, Mg, Be; б)
S, Cl, Br;

в)
Li, Na, K; г)
B, Be, Li.

7. В
порядке возрастания энергии ионизации
расположены следующие элементы:

а)
Na, Mg, Al, Si; б)
Na, Mg, Ca, Si;

в)
Na, Ca, Mg, Si; г)
Si, Al, Mg, Na.

8. По
происхождению (этимологии) названий
«лишним» в перечне элементов будет:

а)
селен; б) теллур; в) ниобий; г) церий.

9. Одинаковое
по абсолютной величине, но разное по
знаку значение степени окисления в
летучем водородном соединении и в высшем
оксиде имеет элемент:

а)
бор; б) азот; в) сера; г) углерод.

10. Свойства
высших оксидов элементов 3-го периода
изменяются следующим образом:

а)
амфотерные, основные, кислотные;

б)
основные, кислотные, амфотерные;

в)
основные, амфотерные, кислотные;

г)
кислотные, амфотерные, основные.

Ключ к тесту

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
б, г	б	а	б	г	б, в, г	а, в	в	г	в

Задачи на изотопы

Уровень
А

1. Рассчитать
изотопный состав (в %) водорода (средняя
относительная атомная масса A_r =
1,008) и лития (A_r =
6,9), предполагая, что каждый элемент
состоит только из двух изотопов,
относительные атомные массы которых
отличаются на единицу.

Ответ.
Водород: ¹Н
– 99,2% и ²Н
– 0,8%;
литий: ⁶Li
– 10% и ⁷Li
– 90%.

2. Относительная
атомная масса природного водорода
составляет 1,00797. Этот водород является
смесью изотопов протия (A_r =
1,00782) и дейтерия (A_r =
2,0141). Какой процент дейтерия в природном
водороде?

Ответ.
0,015%.

3. Среди
приведенных символов элементов укажите
изотопы и изобары:

Ответ.
У изотопов одинаковые химические
символы,
у изобаров одинаковые атомные
массы.

4. Природный
литий (A_r =
6,9) состоит из изотопов с массовыми
числами 6 и 7. Сколько процентов первого
изотопа* он
содержит?

Ответ.
10%.

5. Масса
атома изотопа магния равна 4,15•10^–23 г.
Определите число нейтронов, которое
содержит ядро этого атома.

Ответ.
13.

6. Медь
имеет два изотопа с массовыми числами
63 и 65. Массовая доля их
в природной меди составляет соответственно
73% и 27%. На основании этих данных рассчитайте
среднюю относительную атомную массу
природной меди.

Дано:

(⁶³Cu)
= 73%,

(⁶⁵Cu)
= 27%.

Найти:

A_r(Cu).

Решение

Пусть m(образца)
= 100 г, тогда m(⁶³Cu)
= 73 г; m(⁶⁵Cu)
= 27 г.

Ответ.
63,54.

7. Средняя
относительная атомная масса природного
хлора равна 35,45. Вычислите массовые доли
двух его изотопов, имеющих массовые
числа 35 и 37.

Ответ. 77,5%
и 22,5%.

8. Определите
относительную атомную массу бора, если
известны массовые доли его изотопов
(¹⁰В)
= 19,6% и (¹¹В)
= 80,4%.

Ответ. 10,804.

9. Литий
состоит из двух природных изотопов с
массовыми числами 6 (₁ =
7,52%) и 
7 (₂ =
92,48%). Рассчитайте относительную атомную
массу лития.

Ответ. 6,9248.

10. Рассчитайте
относительную атомную массу кобальта,
если известно, что в природе существуют
два его изотопа: с массовыми числами 57
(₁ =
0,17%) и 59 (₂ =
99,83%).

Ответ. 58,9966.

11. Относительная
атомная масса бора составляет 10,811.
Определите процентное содержание в
природном боре изотопов с массовыми
числами 10 и 11.

Ответ. 18,9%
и 81,1%.

12. Галлий
имеет два природных изотопа с массовыми
числами 69 и 71. В каком количественном
соотношении находятся между собой числа
атомов этих изотопов, если относительная
атомная масса элемента 69,72.

Ответ. 1,78:1.

13. Природный
бром имеет два изотопа с массовыми
числами 79 и 81. Относительная атомная
масса брома 79,904. Определите массовую
долю каждого из изотопов в природном
броме.

Ответ. 54,8%
и 45,2%.

Уровень
Б

1. Кремний
имеет три стабильных изотопа – ³⁰Si
(3,05 %(мол.)), ²⁹Si
и ²⁸Si.
Вычислите содержание (в %(мол.)) самого
распространенного изотопа кремния. Как
будут отличаться молярные массы диоксида
кремния, имеющего разный изотопный
состав, если учесть, что кислород имеет
три стабильных изотопа с массовыми
числами 16, 17 и 18?

Ответ. 94,55%;
18
видов молекул диоксида кремния.

2. Образец
состоит из смеси двух изотопов одного
элемента; 30% составляет изотоп, в ядре
атома которого – 18 нейтронов; 70% составляет
изотоп, в ядре атома которого – 20
нейтронов. Определите порядковый номер
элемента, если средняя относительная
атомная масса элемента в смеси изотопов
составляет 36,4.

Ответ. 17.

3. Химический
элемент состоит из двух изотопов. В ядре
атома первого изотопа – 10 протонов и
10 нейтронов. В ядре атома второго изотопа
– нейтронов на 2 больше. На 9 атомов более
легкого изотопа приходится один атом
более тяжелого изотопа. Вычислите
среднюю относительную атомную массу
элемента.

Ответ. 20,2.

4. Изотоп ¹³⁷Cs
имеет период полураспада 29,7 лет. 1 г
этого изотопа прореагировал со взрывом
с избытком воды. Каков период полураспада
цезия в образовавшемся соединении?
Ответ обоснуйте.

Ответ. T_1/2 =
29,7 лет.

5. Через
сколько лет количество радиоактивного
стронция-90 (период полураспада 27 лет),
выпавшего с радиоактивными осадками в
результате ядерного взрыва, станет
менее 1,5% от того количества, которое
было обнаружено в момент после ядерного
взрыва?

Ответ. 163,35
лет.

6. В
методе меченых атомов радиоактивные
изотопы используют для того, чтобы
«проследить маршрут» некоторого элемента
в организме. Так, пациенту с больной
поджелудочной железой вводят препарат
радиоактивного изотопа йода-131
(претерпевает ^–-распад),
что позволяет врачу проследить за
прохождением йода по организму больного.
Напишите уравнение радиоактивного
распада и рассчитайте, через какое время
количество радиоактивного йода,
введенного в организм, уменьшится в 10
раз (период полураспада 8 сут).

Ответ. 

7. Сколько
времени потребуется для того, чтобы три
четверти никеля превратились в медь в
результате ^–-распада,
если период полураспада изотопа ⁶³₂₈Ni
составляет 120 лет?

Дано:

T_1/2(⁶³₂₈Ni)
= 120 лет.

Найти: .

Решение

Ответ. 240
лет.

8. Найдите
массу изотопа ⁸¹Sr
(период полураспада 8,5 ч), оставшуюся
после 25,5 ч хранения, если первоначальная
масса составляла 200 мг.

Ответ. 25
мг.

9. Вычислите
процент атомов изотопа ¹²⁸I
(период полураспада 25 мин), оставшихся
нераспавшимися после его хранения в
течение 2,5 ч.

Ответ.
1,5625%.

10. Период
полураспада ^–-радиоактивного
изотопа ²⁴Na
равен 14,8 ч. Напишите уравнение реакции
распада и вычислите, сколько граммов
дочернего продукта образуется из 24 г
этого изотопа за 29,6 ч.

Ответ. 

11. Изотоп ²¹⁰Ро,
излучающий -частицы,
используется в смеси с бериллием в
нейтронных источниках. Через какое
время интенсивность таких источников
уменьшится в 32 раза? Период полураспада
изотопа равен 138 дням.

Ответ.
690 сут.

studfiles.net

Урок 2. Изотопы элементов – HIMI4KA

В уроке 2 «Изотопы элементов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим что такое изотопы элементов и как правильно их обозначают; кроме того мы научимся определять массовое число, дефект массы и энергию связи ядра. Данный урок полностью опирается на основы химии, изложенные в первом уроке, в котором мы рассмотрели строение атома и атомного ядра, поэтому настоятельно вам рекомендую его изучить от корки до корки.

Что такое изотоп?

Хотя все атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, эти атомы могут отличаться числом имеющихся у них нейтронов. Такие различные атомы одного и того же элемента называются изотопами. Количество протонов, а также количество электронов у изотопа и исходного элемента совпадает. По этой причине в природе существует гораздо больше химических элементов, чем указано в таблице Менделеева, которая систематизирует элементы по числу протонов (порядковый номер).

Например, все атомы Li имеют 3 протона, но в природе существуют изотопы, содержащие от 3 до 5 нейтронов. Для обозначения изотопа, слева от символа элемента подписывают нижним индексом его порядковый номер, а верхним — массовое число. Массовое число — это суммарное число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре, численно близкое к атомной массе элемента. Нижний индекс, обозначающий порядковый номер элемента, указывать не обязательно, так как все атомы лития имеют в своем ядре по 3 протона. Также, обсуждая эти изотопы, можно пользоваться записью «литий-6» и «литий-8».

На рисунке выше изображен состав четырех изотопов гелия (Не). Все атомы гелия содержат два протона (и, следовательно, два электрона), но число нейтронов у них может быть разным. В природе большинство атомов гелия имеет два нейтрона (гелий-4) и реже одного раза на миллион встречаются атомы гелия с одним нейтроном (гелий-3). Другие изотопы гелия — гелий-5 , гелий-6 и гелий-8 (не показанный на рисунке) — неустойчивы и обнаруживаются лишь на очень непродолжительное время в ядерных реакциях (подробнее об этом будем говорить еще не скоро). Размеры ядер на рисунке очень сильно увеличены. Если бы они были такими, как это показано на рисунке, диаметр атома должен был достигать примерно 0,5 км.

Пример 1. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме урана-238? Запишите символ этого изотопа.

Решение: Порядковый номер урана (см. таблицу Менделеева) равен 92, а массовое число изотопа равно 238 (по условию). Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 — 92 = 146 нейтронов. Его символ ²³⁸U.

Дефект массы и энергия связи ядра

Затронув тему изотопов, нельзя пройти мимо феномена дефект массы ядра. Когда из отдельных нуклонов образуется атомное ядро, часть их массы превращается в энергию. Другими словами, вот взяли вы щепотку протонов и нейтронов, хорошенько их смяли вместе, и получили ядро, но его масса будет меньше массы исходных компонентов. Это и есть дефект масс. Формула для расчета дефекта массы ядра:

где M_я – масса ядра, Z – число протонов в ядре, N – число нейтронов в ядре, m_p – масса протона, m_n – масса нейтрона.

Если к атому подвести энергию (которая эквивалентна дефекту масс), то можно разделить его ядро обратно на нуклоны. Эта энергия носит название энергия связи ядра. Формула для расчета энергии связи ядра:

где с — скорость света, ∆m — дефект массы ядра

Проверьте себя, как вы усвоили понятия дефект массы и энергия связи ядра, самостоятельно решив задачу пользуясь формулами выше.

Пример 2. Если образовать атом углерода-12 из субатомных частиц, какое значение будет иметь дефект масс? 

Показать

Ответ: 0,0990 а.е.м.

[свернуть]

Теперь нам известно, что каждый изотоп элемента характеризуется порядковым номером (суммарным числом протонов), массовым числом (суммарным числом протонов и нейтронов) и атомной массой (массой атома, выраженной в атомных единицах массы). Поскольку дефект массы при образовании атома очень мал, массовое число обычно совпадает с атомной массой изотопа, округленной до ближайшего целого числа. (Например, атомная масса хлора-37 равна 36,966, что после округления дает 37.) Если в природе встречается несколько изотопов одного элемента, то экспериментально наблюдаемая атомная масса (естественная атомная масса) равна средневзвешенному значению атомных масс отдельных изотопов. Это средневзвешенное значение определяется соответственно относительному содержанию изотопов в природе. Хлор существует в природе в виде смеси из 75,53% хлора-35 (атомная масса 34,97 а.е.м.) и 24,47% хлора-37 (36,97 а.е.м.), поэтому средневзвешенное значение масс этих изотопов равно

• (0,7553·34,97 а.е.м.) + (0,2447·36,97 а.е.м.) = 35,46 а.е.м.

Атомные массы, указанные в таблице Менделеева представляют собой во всех случаях средневзвешенные значения атомных масс изотопов, встречающихся в природе, и именно этими значениями мы будем пользоваться в дальнейшем, за исключением тех случаев, когда будет обсуждаться какой-нибудь конкретный изотоп. Все изотопы одного элемента в химическом отношении ведут себя практически одинаково. На рисунке ниже изображены состав и свойства некоторые атомов, ионов и изотопов элементов.

Пример 3. Магний (Mg) в основном состоит из трех естественных изотопов: 78,70% всех атомов магния имеют атомную массу 23,985 а.е.м., 10,13% — 24,986 а.е.м. и 11,17% — 25,983 а.е.м. Сколько протонов и нейтронов содержится в каждом из этих трех изотопов? Чему равно средневзвешенное значение их атомных масс?

Решение: Все изотопы магния содержат по 12 протонов. Изотоп с атомной массой 23,985 а.е.м. имеет массовое число 24 (суммарное число протонов и нейтронов), следовательно, он имеет 24 — 12 = 12 нейтронов. Символ этого изотопа ²⁴Mg. Аналогично находим, что изотоп с атомным весом 24,986 а.е.м. имеет массовое число 25, содержит 13 нейтронов и имеет символ ²⁵Mg. Третий изотоп (25,983 а.е.м.) имеет массовое число 26, содержит 14 нейтронов и имеет символ ²⁶Mg. Средняя атомная масса магния находится следующим образом:

• (0,7870·23,985 а.е.м.) + (0,1013·24,986 а.е.м.) + (0,1117·25,983 а.е.м.) = 24,31 а.е.м.

Надеюсь урок 2 «Изотопы элементов» помог вам понять что из себя представляют изотопы. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

himi4ka.ru

Методика решения задач по общей химии

приобрести
Методика решения задач по общей химии
скачать (394.6 kb.)
Доступные файлы (1):

---

n1.docx

Шукова Марина Геннадьевна

Задачи по общей химии

Самара
Шукова М.Г.
Задачи по общей химии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений – Самара, 2009.
Учебное пособие составлено на основе решения контрольных работ для СГАУ, СИИЖТ, ПГАТИ, СГТУ, МГУП и других учебных заведений.

Содержание

1. Атом 5

2. Молекула. Моль. Стехиометрические законы. Основные газовые законы. Закон Авогадро. Мольный объем газа 6

3. Выводы химических формул 8

4. Эквивалент. Закон эквивалентов 11

5. Электронная структура атомов 15

6. Периодическая система элементов. Основные классы неорганических соединений 19

6. Химическая связь 24

7. Энергетика химических реакций 28

8. Скорость химической реакции. Химическое равновесие 32

9. Способы выражения растворенного вещества в растворе. 35

10. Растворы слабых электролитов 39

10. Растворы сильных электролитов. Обменные реакции 40

11. Гидролиз солей 41

12. Растворимость. Произведение растворимости 42

13. Окислительно-восстановительные реакции 43

14. Электродные потенциалы. Уравнение Нернста 45

15. Химические источники тока 46

16. Электролиз 47

17. Коррозия 48

18. Комплексные соединения 49

19. Свойства элементов и их соединений 49

20. Жесткость воды 51

21. Введение в органическую химию 51

1. Атом

Химия изучает свойства веществ и закономерности процессов, сопровождающихся изменениями их структуры и состава.

Объектами изучения в химии служат: атомы, ионы, молекулы, радикалы, растворы, коллоидные и дисперсные частицы, кристаллические, стеклообразные и полимерные системы, координационные и кластерные соединения.

Атом – наименьшая (неделимая химическим путем) часть элемента, сохраняющая все свойства, определенные зарядом ядра и электронной оболочкой. Составная часть вещества, содержащая одинаковые атомы, называется химическим элементом.

Атомный номер Z равен числу протонов в атомном ядре. В электронной оболочке электронейтрального атома содержится Z электронов.

Массовое число A равно числу протонов Z и числу нейтронов N в атомном ядре;  A = Z + N.

Нуклиды – атомы с определенным числом протонов и нейтронов.

Изотопы – атомы с одинаковым Z, но разными N.

Изобары – атомы с одинаковым A, но разными Z.

Изотоны – атомы с одинаковым N, но разными A.

Элемент обозначается установленным одно- или двухбуквенным символом. Левые индексы указывают массовое число  A (верхний) и число протонов Z (нижний).

Атомная масса – масса атома в атомных единицах массы (а. е. м.). За единицу а. е. м. принята 1/12 массы изотопа углерод-12.

Относительная атомная масса (безразмерная величина):

Она численно равна атомной массе элемента.

Элемент обозначается установленным одно- или двухбуквенным символом. Левые индексы указывают массовое число  A (верхний) и число протонов Z (нижний).
Задача 1. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.

Решение. Число электронов равно Z = 73, следовательно, число протонов так же равно Z = 73.

Массовое число атома А = Z + N = 181, тогда число нейтронов равно: N = А – Z = 181 – 73 = 108

Это – тантал ¹⁸¹ ₇₃Ta
Задача 2. Что такое изотопы? Чем можно объяснить, что у большинства элементов периодической системы атомные массы выражаются дробными числами? Могут ли атомы разных элементов иметь одинаковую массу? Как называются подобные атомы?

Решение: Ядра, содержащие одинаковое число протонов, входят в состав атомов одного и того же элемента. Но они могут содержать различное число нейтронов и, следовательно, иметь разную массу. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся своей массой, называются изотопами («равное место»).

Почти все химические элементы состоят из нескольких изотопов, поэтому их атомные массы, являющиеся средними арифметическими величинами от масс изотопов, выражаются не целыми, а дробными числами. Для водорода известно три изотопа: протий ¹₁Н (легкий или обычный водород), дейтерий ²₁Н или D (тяжелый водород) и тритий ³₁Н или Т (сверхтяжелый водород).

Кислород состоит из трех изотопов: ¹⁶₈О; ¹⁷₈О;¹⁸₈О.

Среди многочисленных изотопов различных элементов можно найти ядра разного заряда, но с одинаковой массой. Различные элементы, атомы которых обладают одинаковой массой, называют изобарами («равная тяжесть»).

Очевидно, что изобары содержат одинаковое число нуклонов, но разные числа протонов и, следовательно, нейтронов. Например, изобары: ⁴⁰₁₈Ar;⁴⁰₁₉K;⁴⁰₂₀Ca.
Задача 3. Символ одного из изотопов элемента ⁵²₂₄Э. Указать: а) название элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре) число электронов в электронной оболочке атома.

Решение. Число протонов Z = 24, число нейтронов N = А – Z = 52-24 = 28.

Это – хром ⁵²₂₄Cr

Число электронов равно порядковому номеру или числу протонов.

₂₄Cr – ( 2к ( 8 к ( 8 к ( 6 к

n = 1 n = 2 n = 3 n = 4

₂₄Cr – 1s² 2s²2р⁶ 3s²3р⁶ 4s²3d⁴
Задача 4. Природный магний состоит из изотопов ²⁴Mg; ²⁵Mg; ²⁶Mg. Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78,6; 10,1 и 11,3.

Решение:

Средняя атомная масса природного магния:

А = 24*0,786 + 25*0,101 + 26* 0,113 = 24,327 а.е.м.
Задача 4. Природный хлор представлен двумя изотопами 35Сl и 37Сl. Во сколько раз ядер ³⁵Сl больше, чем ядер ³⁷Сl?

Для решения использованием правило креста (правило Пирса).

Найдем разницу в числах по диагонали 35-35,5 =-0,5; 37-35,5 =1,5

  ³⁵Сl 35 1,5

35,5

³⁷Cl 37 0,5

Ответ: Полученное соотношение 1,5:0,5 свидетельствует, что атомов хлора с массовым числом 35 в три раза больше.

---

nashaucheba.ru

Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии

Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. Учебное пособие для вузов / Под ред. В.А. Рабиновича и Х.М. Рубиной. – 23-е изд., исправленное – Л.: Химия, 1985. – 264с., ил.

Задачи 206-227

206. Символ одного из изотопов элемента ⁵²₂₄Э. Указать: а) название элемента; б) число протонов и нейтронов в ядре; в) число электронов в электронной оболочке атома. Решение

207. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома – 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести запись его символа с указанием заряда ядра и массового числа. Решение

208. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента. Решение

209. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁵Cl [75,5% (масс.)] и ³⁷Cl [24,5% (масс.)]. Вычислить среднюю атомную массу природного хлора. Решение

210. Природный магний состоит из изотопов ²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg. Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78,6, 10,1 и 11,3. Решение

211. Природный галлий состоит из изотопов ⁷¹Ga и ⁶⁹Ga. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72? Решение с ключом

212. Найти массу изотопа ⁸¹Sr (T_1/2=8,5 ч), оставшуюся через 25,5 ч хранения, если первоначальная масса его составляла 200 мг. Решение

213. Вычислить процент атомов изотопа ¹²⁸I (T_1/2=25 мин), оставшихся не распавшимися после его хранения в течение 2,5 ч. Решение с ключом

214. Период полураспада β^– – радиоактивного изотопа ²⁴Na равен 14,8 ч. Написать уравнение реакции распада и вычислить, сколько граммов дочернего продукта образуется из 24 г ²⁴Na за 29,6 ч. Решение с ключом

215. Закончить уравнения реакций радиоактивного распада: а) ²³⁸₉₂U→α; б) ²³⁵₉₂U→α; в) ²³⁹₉₄Pu→α; г) ⁸⁶₃₇Rb→β^–; д) ²³⁴₉₀Th→β^–; е) ⁵⁷₂₅Mn→β^–; ж) ¹⁸₉F→β⁺; з) ¹¹₆C→β⁺; и) ⁴⁵₂₂Ti→β⁺. В каких случаях дочерний атом является изобаром материнского атома? Решение с ключом

216. Какой тип радиоактивного распада наблюдается при следующих превращениях: а) ²²⁶₈₈Ra→²²²₈₆Rn; б) ²³⁹₉₃Np→²³⁹₉₄Pu; в) ¹⁵²₆₂Sm→¹⁴⁸₆₀Nd; г) ¹¹¹₄₆Pd→¹¹¹₄₇Ag? Решение с ключом

217. Записать уравнения ядерных реакций: а) ⁶¹₂₈Ni+¹₁H→?→?+¹₀n; б) ¹⁰₅B+¹₀n→?+⁴₂He; в) ²⁷₁₃Al+¹₁H→?+⁴₂He; г) ?+¹₁H→⁸³₃₅Br→?+¹₀n. Решение с ключом

218. Написать полные уравнения ядерных реакций: а) ⁷⁰₃₀Zn[p, n]?; б) ⁵¹₂₃V[α, n]?; в) ⁵⁶₂₆Fe[D, ?]⁵⁷₂₇Co; г) ?[α, D]³⁴₁₇Cl; д) ⁵⁵₂₅Mn[?, α]⁵²₂₃V. Решение с ключом

219. Как изменяются массовое число и заряд атома изотопа: а) при последовательном испускании α-частицы и двух β-частиц; б) при поглощении ядром двух протонов и испускании двух нейтронов; в) при поглощении одной α-частицы и выбрасывании двух дейтронов? Решение с ключом

220. Сколько α и β^–-частиц должно было потерять ядро ²²⁶Ra для получения дочернего элемента с массовым числом 206, принадлежащего IV группе периодической системы элементов? Назвать этот элемент. Решение с ключом

221. Ядро атома изотопа ²³⁸₉₂U в результате радиоактивного распада превратилось в ядро ²²⁶₈₈Ra. Сколько α- и β^–-частиц испустило при этом исходное ядро? Решение с ключом

222. Изотоп ⁴⁰K превращается в изотоп ⁴⁰Ca. Какой тип радиоактивного распада при этом реализуется: а) α-распад; б) β^–-распад; в) β⁺-распад; г) захват электрона; д) спонтанное деление? Решение

223. Какой тип радиоактивного распада приведет к образованию дочернего ядра, являющегося изобаром по отношению к исходному ядру: а) α-распад; б) β^–-распад; в) β⁺-распад; г) захват электрона; д) ни один из этих процессов? Решение

224. Как изменяется массовое число и заряд атома при испускании одной α-частицы и двух β^–-частиц: а) заряд уменьшится на 2, а массовое число – на 4; б) заряд увеличится на 2, а массовое число уменьшится на 4; в) заряд не изменится, а массовое число уменьшится на 4; г) ни заряд, ни массовое число не изменятся? Решение

225. Фотон жесткого γ-излучения выбивает из ядра ²⁶₁₂Mg протон. При этом образуется: а) ядро-изотоп ²⁶₁₂Mg; б) ядро-изобар ²⁶₁₂Mg; в) ядро-изотоп ²³₁₁Na; г) ядро-изобар ²³₁₁Na. Решение

226. К какому радиоактивному семейству относится изотоп ²⁰⁷Pb: а) ²³²Th; б) ²³⁷Np; в) ²²⁷Ac; г) ²³⁸U? Решение

227. Может ли в природе находиться изотоп ²²²Rn с T_½=3,2 дня а) да; б) нет? Потому что: 1) период полураспада этого изотопа много меньше времени существования Земли; 2) этот изотоп является членом радиоактивного семейства; 3) у радона есть более долгоживущие изотопы. Решение

reshchem.ucoz.ru

Задачи на ядерные реакции. Уроки химии

Сегодня у нас урок по химии 67 – Задачи на ядерные реакции. Как изучить? Полезные советы и рекомендации – повторите урок по химии 6 — периодический закон и периодическая система химических элементов. Строение атома. Химическая связь и строение вещества.

При обнаружении неточностей, или если появятся неясные моменты, просьба написать в комментариях. Отвечу на все вопросы.

                                                                                  ₅₂

1. Символ одного из элементов ₂₄Э. Указать: а) название элемента: б) число протонов и нейтронов в ядре: в) число электронов в электронной оболочке атома.
2. Ядро атома некоторого элемента содержит 16 нейтронов, а электронная оболочка этого атома 15 электронов. Назвать элемент, изотопом которого является данный атом. Привести его запись символа с указанием заряда ядра и массового числа.
3. Массовое число атома некоторого элемента равно 181, в электронной оболочке атома содержится 73 электрона. Указать число протонов и нейтронов в ядре атома и название элемента.
4. В природных соединениях хлор находится в виде изотопов ³⁷Cl (24,5%) и ³⁵Cl (75,5%) (масс.). Вычислить среднюю атомную массу природного хлора.
5. Природный магний состоит из изотопов ²⁴Mg, ²⁵Mg и ²⁶Mg. Вычислить среднюю атомную массу природного магния, если содержание отдельных изотопов в атомных процентах соответственно равно 78,6 , 10,1 и 11,3 .
6. Природный галлий состоит из изотопов ⁷¹Ga и ⁶⁹Ga. В каком количественном соотношении находятся между собой числа атомов этих изотопов, если средняя атомная масса галлия равна 69,72.
7. Записать уравнения ядерных реакций: ®

              _{61             1                                  1                 10            1                     4}

а)    ₂₈Ni + ₁H →? →? + ₀n;   б) ₅B + ₀n →? + ₂He;

             _{27             1                        4                                            1              83                       1}

в)    ₁₃Al + ₁H →? + ₂He;           г) ? + ₁H _{→ 35}Br →? + ₀n

1. Написать полные уравнения ядерных реакций:

             _{70                                         51                                   56                          57                                       34}                

а)    ₃₀Zn (β, n)?; б) ₂₃V (α, n)?; в) ₂₆Fe (β,?) ₂₇Co; г) ? (α,β) ₁₇Cl;

                _{55                        52}

д)     ₂₅Mn (?,α) ₂₃V.

1. Как изменяются массовое число и заряд атома изотопа: а) при                                               последовательном испускании α — частицы и двух В-частиц: б) при   поглощении ядром двух протонов и испускании двух нейтронов: в) при поглощении одной α — частицы и выбрасывании двух нейтронов.
2. Сколько α — и β — частиц должно было потерять ядро Ra²²⁶ для получения дочерного элемента с массовым числом 206, принадлежащего V группе периодической системы элементов? Назвать этот элемент.

                                                                                       ₂₃₈

1. Ядро атома изотопа  ₉₂U в результате радиоактивного распада

                                                                       ₂₂₆

превратилось в ядро    ₈₈Ra. Сколько α и β — частиц испустило при этом исходное ядро.

Это у нас был урок по химии 67 – Задачи на ядерные реакции.

Расскажите об этой статье друзьям:

Friend me:

к нашему сайту.

sovety-tut.ru

Интегрированный урок изучения нового материала по теме: “Изотопы”

2. Д/З. Подготовка уча-щихся к восприятию новых знаний. Формулирование цели урока.

Учитель физики. Окружающий нас мир полон тайн и загадок. Что может быть интереснее постиженье этих тайн. И что может быть прекраснее человеческого стремления к вершине познания окружающего мира. В XIX в. ученые столкнулись с рядом непонятных явлений, которые необходимо было объяснить. В 1906 г. был открыт новый элемент ионий (заряд ядра +90, относительная атомная масса 230 атомных единиц массы (а. е. м.), а в 1907 г. — элемент мезоторий (заряд ядра +88) и элементы радий В и радий D(заряды их ядер совпадали – + 82). Вопрос, который физики поставили перед химиками: новые это элементы или нет ? Учитель химии. Химическим путем невозможно отличить ионий и торий, мезоторий и радий, радий В и радий D и свинец. Это наводило на мысль, что открыты не новые элементы. Тогда что это за элементы? Учитель физики. Элементы удалось разделить с помощью масс–спектрографа Астона, а не химическим путем. Масс–спектрограф – прибор для измерения масс заряженных частиц. Принцип измерения масс заряженных частиц основан на том, что радиус окружности, по которой движется заряженная частица в однородном магнитном поле, пропорционален массе частицы. Зная радиус окружности, можно найти массу частицы: m~R Полагая, что ионы однозарядные, определим, какому химическому элементу они соответствую. Не – m1 = 4 а.е.м. Не – m2 = 3 а.е.м. Мы получили Не, который в таблице Менделеева находиться под номером 2, но массовые числа этих элементов различны. То есть мы получили элементы с одинаковым порядковым номером и с разными массовыми числами, такие элементы называются изотопами, и это тема нашего урока.

Уч-ся находят какие химические элемента имеют такой же порядковый номер в таб. Менделеева.

3. Д/З. Восприятие, осмысление и первичное запоминание нового материала.

Учитель химии. Что же такое изотопы? Изотопы – это вещества, имеющие одинаковый заряд, но отличающиеся относительной атомной массой. В периодической системе под символами химических элементов приведены дробные значения их атомных масс. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос давайте решим задачу и определим значение атомной массы Fe – I вариант и Ca – II вариант. Данные возьмём в таблице: для железа известны 4 изотопа с атомными массами, а для кальция 5 изотопов с массами. Что же у нас получилось? У Fe – 55,9 У Ca – 40,1 Посмотрите: у всех такие цифры. А теперь обратимся к периодической системе Д. И. Менделеева. Какое массовое число у Fe, у Ca. Таким образом, мы с вами показали, что атомная масса химического элемента является средним значением всех его изотопов с учётом распространённости в природе. А число изотопов для каждого элемента может быть разным. Учитель физики. В чем различие строения ядер изотопов? Пример:   В В Число протонов (р) Число нуклонов (А) Число нейтронов (п) 5 10 5 5 11 6 Различие – в нейтронах. Зависят ли, физические свойства соединений от масс ядер мы послушаем сообщение. СООБЩЕНИЕ. Атомы водорода и кислорода, образующие воду, могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами. При этом они имеют одинаковый заряд атомных ядер. Известны, пять изотопов водорода и пять изотопов кислорода. Радиоактивны 4Н, 5Н, 14О, 15О, они очень короткоживущие. Наиболее широко известны: 1Н, 2Н, 3Н, 16О, |7О, 18О. Эти изотопы могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды. В земных водах содержится легкой воды 99,75%, тяжелой кислородной — 0,18%, а тяжелой водородной — 0,01%. Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками: Показатель Н2О D20 Относительная атомная масса Плотность, г/см3 Температура плавления, 0С Динамическая вязкость при 30 0С, сП Константа диссоциации Удельная электропроводность льда, Ом-1см-1 Константа диссоциации льда 18 1.0 0 0,801 1,1*10-14 10,0*10-9 3,2*10-9 18 1,1056 3,79 0,969 2*10-15 3,7*10-11 2,7*10-11 Оксид дейтерия (тяжелая вода) активно реагирует с водой: D2О + Н2О 2НDО. Растворимость некоторых солей в тяжелой воде заметно меньше, чем в обычной. С повышением содержания дейтерия уменьшается скорость некоторых реакций. Учитель химии. Мир химических элементов очень многообразен. И наряду с изотопами в 1934 году были открыты изобары. А изобары это вещества с одинаковой молекулярной массой, но с разным числом протонов и электронов, а следовательно и разными химическими свойствами. Например Ar и К. имея одинаковые массы, они отличаются зарядом ядра и резко отличаются химическими свойствами К – щелочной металл, а Аr – инертный газ. Но в том-то и, гениальность, проявление научной интуиции великого русского химика Д. И. Менделеева, что он в указанном случае и ещё в 3Х предпочёл расположить элементы не по массе, а по сходству в свойствах. Он предугадал истинный порядок размещения химических элементов по возрастанию зарядов их атомных ядер, хотя о строении их атомов ничего не знал. И именно наличие изотопов доказывает, что свойства элементов определяются зарядом их атомных ядер. Знаете, можно много говорить о том какой элемент: простой или смешанный – для химии это не имеет особого значения, так как она не может их различить даже с помощью самых тонких методов анализа. Но иногда это отличие становится гибельным как для жителей Хиросимы и Чернобыля. И наш век не случайно называют атомным: атомные корабли, атомные электростанции, атомные бомбы. Ведь большинство изотопов образуется в результате радиоактивного распада. Но Константин Эдуардович Циолковский сказал, что: “Человек на то имеет разум и науку, чтобы обезопасить себя от всякого бедствия”. А теперь давайте послушаем сообщение о применении изотопов для блага, а не во вред.

Дети формулируют свое определение. Ответы записать на доске   Отвеч. уч-ся Ученик делает сообщение Сообщение ученика

4. Д/З. Выявление уровня осмысления уч-ся нового материала.

Учитель физики. Давайте теперь применим наши знания и умения для вычисления массового числа, числа протонов, нейтронов, электронов, нуклонов. ВОПРОСЫ № ВАРИАНТА ХИМ. ЭЛЕМ, I Ti II Se III Ag IV Ni V Mo 1.Массовое число 2.Число протонов 3.Число нейтронов 4.Число электронов 5.Число нуклонов

Уч-ся отвечают на вопросы на листочках с копиркой после чего копирку с первым листом сдают, а второй лист оставляют для самопроверки

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Понятие атом возникло еще в античном мире для обо значения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».

Электроны

Ирландский физик Стони на основании опытов пришел к выводу, что электричество переносится мельчайшими частицами, существующими в атомах всех химических элементов. В $1891$ г. Стони предложил эти частицы назвать электронами, что по-гречески означает «янтарь».

Через несколько лет после того, как электрон получил свое название, английский физик Джозеф Томсон и французский физик Жан Перрен доказали, что электроны несут на себе отрицательный заряд. Это наименьший отрицательный заряд, который в химии принят за единицу $(–1)$. Томсон даже сумел определить скорость движения электрона (она равна скорости света — $300 000$ км/с) и массу электрона (она в $1836$ раз меньше массы атома водорода).

Томсон и Перрен соединяли полюса источника тока с двумя металлическими пластинами — катодом и анодом, впаянными в стеклянную трубку, из которой был откачан воздух. При подаче на пластины-электроды напряжения около 10 тысяч вольт в трубке вспыхивал светящийся разряд, а от катода (отрицательного полюса) к аноду (положительному полюсу) летели частицы, которые ученые сначала назвали катодными лучами, а затем выяснили, что это был поток электронов. Электроны, ударяясь об особые вещества, нанесенные, например, на экран телевизора, вызывают свечение.

Был сделан вывод: электроны вырываются из атомов материала, из которого сделан катод.

Свободные электроны или поток их можно получить и другими способами, например, при накаливании металлической проволоки или при падении света на металлы, образованные элементами главной подгруппы I группы таблицы Менделеева (например, цезий).

Состояние электронов в атоме

Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона в пространстве, в котором он находится. Мы уже знаем, что электрон в атоме не имеет траектории движения, т.е. можно говорить лишь о вероятности нахождения его в пространстве вокруг ядра. Он может находиться в любой части этого пространства, окружающего ядро, и совокупность различных положений его рассматривают как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Образно это можно представить себе так: если бы удалось через сотые или миллионные доли секунды сфотографировать положение электрона в атоме, как при фотофинише, то электрон на таких фотографиях был бы представлен в виде точки. При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек больше всего.

На рисунке показан «разрез» такой электронной плотности в атоме водорода, проходящей через ядро, а штриховой линией ограничена сфера, внутри которой вероятность обнаружения электрона составляет $90%$. Ближайший к ядру контур охватывает область пространства, в которой вероятность обнаружения электрона — $10%$, вероятность обнаружения электрона внутри второго от ядра контура составляет $20%$, внутри третьего — $≈30%$ и т.д. В состоянии электрона есть некая неопределенность. Чтобы охарактеризовать это особое состояние, немецкий физик В. Гейзенберг ввел понятие о принципе неопределенности, т.е. показал, что невозможно определить одновременно и точно энергию и местоположение электрона. Чем точнее определена энергия электрона, тем неопределеннее его положение, и наоборот, определив положение, нельзя определить энергию электрона. Область вероятности обнаружения электрона не имеет четких границ. Однако можно выделить пространство, где вероятность нахождения электрона максимальна.

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.

В нем заключено приблизительно $90%$ электронного облака, и это означает, что около $90%$ времени электрон находится в этой части пространства. По форме различают $4$ известных ныне типа орбиталей, которые обозначаются латинскими буквами $s, p, d$ и $f$. Графическое изображение некоторых форм электронных орбиталей представлено на рисунке.

Важнейшей характеристикой движения электрона на определенной орбитали является энергия его связи с ядром. Электроны, обладающие близкими значениями энергии, образуют единый электронный слой, или энергетический уровень. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра: $1, 2, 3, 4, 5, 6$ и $7$.

Целое число $n$, обозначающее номер энергетического уровня, называют главным квантовым числом.

Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру. По сравнению с электронами первого уровня электроны последующих уровней характеризуются большим запасом энергии. Следовательно, наименее прочно связаны с ядром атома электроны внеш него уровня.

Число энергетических уровней (электронных слоев) в атоме равно номеру периода в системе Д. И. Менделеева, к которому принадлежит химический элемент: у атомов элементов первого периода один энергетический уровень; второго периода — два; седьмого периода — семь.

Наибольшее число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:

$N=2n^2,$

где $N$ — максимальное число электронов; $n$ — номер уровня, или главное квантовое число. Следовательно: на первом, ближайшем к ядру энергетическом уровне может находиться не более двух электронов; на втором — не более $8$; на третьем — не более $18$; на четвертом — не более $32$. А как, в свою очередь, устроены энергетические уровни (электронные слои)?

Начиная со второго энергетического уровня $(n = 2)$, каждый из уровней подразделяется на подуровни (подслои), несколько отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром.

Число подуровней равно значению главного квантового числа: первый энергетический уровень имеет один под уровень; второй — два; третий — три; четвертый — четыре. Подуровни, в свою очередь, образованы орбиталями.

Каждому значению $n$ соответствует число орбиталей, равное $n^2$. По данным, представленным в таблице, можно проследить связь главного квантового числа $n$ с числом подуровней, типом и числом орбиталей и максимальным числом электронов на подуровне и уровне.

Главное квантовое число, типы и число орбиталей, максимальное число электронов на подуровнях и уровнях.

Энергетический уровень $(n)$	Число подуровней, равное $n$	Тип орбитали	Число орбиталей	Максимальное число электронов
в подуровне	в уровне, равное $n^2$	в подуровне	на уровне, равное $n^2$
$K(n=1)$	$1$	$1s$	$1$	$1$	$2$	$2$
$L(n=2)$	$2$	$2s$	$1$	$4$	$2$	$8$
$2p$	$3$	$6$
$M(n=3)$	$3$	$3s$	$1$	$9$	$2$	$18$
$3p$	$3$	$6$
$3d$	$5$	$10$
$N(n=4)$	$4$	$4s$	$1$	$16$	$2$	$32$
$4p$	$3$	$6$
$4d$	$5$	$10$
$4f$	$7$	$14$

Подуровни принято обозначать латинскими буквами, равно как и форму орбиталей, из которых они состоят: $s, p, d, f$. Так:

• $s$-подуровень — первый, ближайший к ядру атома подуровень каждого энергетического уровня, состоит из одной $s$-орбитали;
• $р$-подуровень — второй подуровень каждого, кроме первого, энергетического уровня, состоит из трех $р$-орбиталей;
• $d$-подуровень — третий подуровень каждого, начиная с третьего, энергетического уровня, состоит из пяти $d$-орбиталей;
• $f$-подуровень каждого, начиная с четвертого, энергетического уровня, состоит из семи $f$-орбиталей.

Ядро атома

Но не только электроны входят в состав атомов. Физик Анри Беккерель обнаружил, что природный минерал, содержащий соль урана, тоже испускает неведомое излучение, засвечивая фотопленки, закрытые от света. Это явление было названо радиоактивностью.

Различают три вида радиоактивных лучей:

1. $α$-лучи, которые состоят из $α$-частиц, имеющих заряд в $2$ раза больше заряда электрона, но с положительным знаком, и массу в $4$ раза больше массы атома водорода;
2. $β$-лучи представляют собой поток электронов;
3. $γ$-лучи — электромагнитные волны с ничтожно малой массой, не несущие электрического заряда.

Следовательно, атом имеет сложное строение — состоит из положительно заряженного ядра и электронов.

Как же устроен атом?

В 1910 г. в Кембридже, близ Лондона, Эрнест Резерфорд со своими учениками и коллегами изучал рассеяние $α$-частиц, проходящих через тоненькую золотую фольгу и падаюших на экран. Альфа-частицы обычно отклонялись от первоначального направления всего на один градус, подтверждая, казалось бы, равномерность и однородность свойств атомов золота. И вдруг исследователи заметили, что некоторые $α$-частицы резко меняли направление своего пути, будто наталкиваясь на какую-то преграду.

Разместив экран перед фольгой, Резерфорд сумел обнаружить даже те редчайшие случаи, когда $α$-частицы, отразившись от атомов золота, летели в противоположном направлении.

Расчеты показали, что наблюдаемые явления могли произойти, если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосредоточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выяснилось, в 100 000 раз меньше радиуса всего атома, той его области, в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро — футбольному мячу, расположенному в центре поля.

Атом любого химического элемента сравним с крохотной Солнечной системой. Поэтому такую модель атома, предложенную Резерфордом, называют планетарной.

Протоны и нейтроны

Оказывается, и крошечное атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Протоны имеют заряд, равный заряду электронов, но противоположный по знаку $(+1)$, и массу, равную массе атома водорода (она принята в химии за единицу). Обо значаются протоны знаком $↙{1}↖{1}p$ (или $р+$). Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу, равную массе протона, т.е. $1$. Обозначают нейтроны знаком $↙{0}↖{1}n$ (или $n^0$).

Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат. nucleus — ядро).

Сумма числа протонов и нейтронов в атоме называется массовым числом. Например, массовое число атома алюминия:

Так как массой электрона, ничтожно малой, можно пренебречь, то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома. Электроны обозначают так: $e↖{-}$.

Поскольку атом электронейтрален, также очевидно, что число протонов и электронов в атоме одинаково. Оно равно порядковому номеру химического элемента, присвоенному ему в Периодической системе. Например, в ядре атома железа содержится $26$ протонов, а вокруг ядра вращается $26$ электронов. А как определить число ней тронов?

Как известно, масса атома складывается из массы протонов и нейтронов. Зная порядковый номер элемента $(Z)$, т.е. число протонов, и массовое число $(А)$, равное сумме чисел протонов и нейтронов, можно найти число нейтронов $(N)$ по формуле:

$N=A-Z$

Например, число нейтронов в атоме железа равно:

$56 – 26 = 30$.

В таблице представлены основные характеристики элементарных частиц.

Основные характеристики элементарных частиц.

Частица и ее обозначение	Масса	Заряд	Примечание
Протон — $p^+$	$1$	$+1$	Число протонов равно порядковому номеру элемента
Нейтрон — $n^0$	$1$	$0$	Число нейтронов находят по формуле: $N=A-Z$
Электрон — $e↖{-}$	${1}/{1837}$	$-1$	Число электронов равно порядковому номеру элемента

Изотопы

Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разное массовое число, называются изотопами.

Слово изотоп состоит из двух греческих слов: isos — одинаковый и topos — место, обозначает «занимающий одно место» (клетку) в Периодической системе элементов.

Химические элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов. Так, углерод имеет три изотопа с массой $12, 13, 14$; кислород — три изотопа с массой $16, 17, 18$ и т. д.

Обычно приводимая в Периодической системе относительная атомная масса химического элемента является средним значением атомных масс природной смеси изотопов данного элемента с учетом их относительного содержания в природе, поэтому значения атомных масс довольно часто являются дробными. Например, атомы природного хлора представляют собой смесь двух изотопов — $35$ (их в природе $75%$) и $37$ (их $25%$); следовательно, относительная атомная масса хлора равна $35.5$. Изотопы хлора записываются так:

$↖{35}↙{17}{Cl}$ и $↖{37}↙{17}{Cl}$

Химические свойства изотопов хлора совершенно одинаковы, как и изотопов большинства химических элементов, например калия, аргона:

$↖{39}↙{19}{K}$ и $↖{40}↙{19}{K}$, $↖{39}↙{18}{Ar}$ и $↖{40}↙{18}{Ar}$

Однако изотопы водорода сильно различаются по свойствам из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы; им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки: протий — $↖{1}↙{1}{H}$; дейтерий — $↖{2}↙{1}{H}$, или $↖{2}↙{1}{D}$; тритий — $↖{3}↙{1}{H}$, или $↖{3}↙{1}{T}$.

Теперь можно дать современное, более строгое и научное определение химическому элементу.

Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов

Рассмотрим отображение электронных конфигураций атомов элементов по периодам системы Д. И. Менделеева.

Элементы первого периода.

Схемы электронного строения атомов показывают распределение электронов по электронным слоям (энергетическим уровням).

Электронные формулы атомов показывают распределение электронов по энергетическим уровням и под уровням.

Графические электронные формулы атомов показывают распределение электронов не только по уровням и под уровням, но и по орбиталям.

В атоме гелия первый электронный слой завершен — в нем $2$ электрона.

Водород и гелий — $s$-элементы, у этих атомов заполняется электронами $s$-орбиталь.

Элементы второго периода.

У всех элементов второго периода первый электронный слой заполнен, и электроны заполняют $s-$ и $р$-орбитали второго электронного слоя в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала $s$, а затем $р$) и правилами Паули и Хунда.

В атоме неона второй электронный слой завершен — в нем $8$ электронов.

Элементы третьего периода.

У атомов элементов третьего периода первый и второй электронные слои завершены, поэтому заполняется третий электронный слой, в котором электроны могут занимать 3s-, 3р- и 3d-под уровни.

Строение электронных оболочек атомов элементов третьего периода.

У атома магния достраивается $3,5$-электронная орбиталь. $Na$ и $Mg$ — $s$-элементы.

У алюминия и последующих элементов заполняется электронами $3d$-подуровень.

В атоме аргона на внешнем слое (третьем электронном слое) $8$ электронов. Как внешний слой завершен, но всего в третьем электронном слое, как вы уже знаете, может быть 18 электронов, а это значит, что у элементов третьего периода остаются незаполненными $3d$-орбитали.

Все элементы от $Al$ до $Ar$ — $р$-элементы.

$s-$ и $р$-элементы образуют главные подгруппы в Периодической системе.

Элементы четвертого периода.

У атомов калия и кальция появляется четвертый электронный слой, заполняется $4s$-подуровень, т.к. он имеет меньшую энергию, чем $3d$-подуровень. Для упрощения графических электронных формул атомов элементов четвертого периода:

1. обозначим условно графическую электронную формулу аргона так: $Ar$;
2. не будем изображать подуровни, которые у этих атомов не заполняются.

$К, Са$ — $s$-элементы, входящие в главные подгруппы. У атомов от $Sc$ до $Zn$ заполняется электронами 3d-подуровень. Это $3d$-элементы. Они входят в побочные подгруппы, у них заполняется предвнешний электронный слой, их относят к переходным элементам.

Обратите внимание на строение электронных оболочек атомов хрома и меди. В них происходит «провал» одного электрона с $4s-$ на $3d$-подуровень, что объясняется большей энергетической устойчивостью образующихся при этом электронных конфигураций $3d^5$ и $3d^{10}$:

$↙{24}{Cr}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{4} 4s^{2}…$

$↙{29}{Cu}$ $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}3d^{9}4s^{2}…$

Символ элемента, порядковый номер, название	Схема электронного строения	Электронная формула	Графическая электронная формула
$↙{19}{K}$ Калий		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1$
$↙{20}{C}$ Кальций		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2$
$↙{21}{Sc}$ Скандий		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^1$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^1{4}s^1$
$↙{22}{Ti}$ Титан		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^2$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^2{4}s^2$
$↙{23}{V}$ Ванадий		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^3$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^3{4}s^2$
$↙{24}{Сr}$ Хром		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^5$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^5{4}s^1$
$↙{29}{Сu}$ Хром		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^1{3}d^{10}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^1$
$↙{30}{Zn}$ Цинк		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^2$
$↙{31}{Ga}$ Галлий		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}4p^{1}$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^{2}4p^{1}$
$↙{36}{Kr}$ Криптон		$1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{4}s^2{3}d^{10}4p^6$ или $1s^2{2}s^2{2}p^6{3}p^6{3}d^{10}{4}s^{2}4p^6$

В атоме цинка третий электронный слой завершен — в нем заполнены все подуровни $3s, 3р$ и $3d$, всего на них $18$ электронов.

У следующих за цинком элементов продолжает заполняться четвертый электронный слой, $4р$-подуровень. Элементы от $Ga$ до $Кr$ — $р$-элементы.

У атома криптона внешний (четвертый) слой завершен, имеет $8$ электронов. Но всего в четвертом электронном слое, как вы знаете, может быть $32$ электрона; у атома криптона пока остаются незаполненными $4d-$ и $4f$-подуровни.

У элементов пятого периода идет заполнение подуровней в следующем порядке: $5s → 4d → 5р$. И также встречаются исключения, связанные с «провалом» электронов, у $↙{41}Nb$, $↙{42}Мо$, $↙{44}Ru$, $↙{45}Rh$, $↙{46}Pd$, $↙{47}Ag$. В шестом и седьмом периодах появляются $f$-элементы, т.е. элементы, у которых идет заполнение соответственно $4f-$ и $5f$-подуровней третьего снаружи электронного слоя.

$4f$-элементы называют лантаноидами.

$5f$-элементы называют актиноидами.

Порядок заполнения электронных подуровней в атомах элементов шестого периода: $↙{55}Cs$ и $↙{56}Ва$ — $6s$-элементы; $↙{57}La … 6s^{2}5d^{1}$ — $5d$-элемент; $↙{58}Се$ – $↙{71}Lu — 4f$-элементы; $↙{72}Hf$ – $↙{80}Hg — 5d$-элементы; $↙{81}Т1$ – $↙{86}Rn — 6d$-элементы. Но и здесь встречаются элементы, у которых нарушается порядок заполнения электронных орбиталей, что, например, связано с большей энергетической устойчивостью наполовину и полностью заполненных $f$-подуровней, т.е. $nf^7$ и $nf^{14}$.

В зависимости от того, какой подуровень атома заполняется электронами последним, все элементы, как вы уже поняли, делят на четыре электронных семейства, или блока:

1. $s$-элементы; электронами заполняется $s$-подуровень внешнего уровня атома; к $s$-элементам относятся водород, гелий и элементы главных подгрупп I и II групп;
2. $р$-элементы; электронами заполняется $р$-подуровень внешнего уровня атома; к $р$-элементам относятся элементы главных подгрупп III–VIII групп;
3. $d$-элементы; электронами заполняется $d$-подуровень предвнешнего уровня атома; к $d$-элементам относятся элементы побочных подгрупп I–VIII групп, т.е. элементы вставных декад больших периодов, расположенных между $s-$ и $р-$элементами. Их также называют переходными элементами;
4. $f$-элементы; электронами заполняется $f-$подуровень третьего снаружи уровня атома; к ним относятся лантаноиды и актиноиды.

Электронная конфигурация атома. Основное и возбужденное состояние атомов

Швейцарский физик В. Паули в $1925$ г. установил, что в атоме на одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположные (антипараллельные) спины (в переводе с английского — веретено), т.е. обладающих такими свойствами, которые условно можно представить себе как вращение электрона вокруг своей воображаемый оси по часовой стрелке или против. Этот принцип носит название принципа Паули.

Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны, т.е. электроны с противоположными спинами.

На рисунке показана схема деления энергетических уровней на подуровни.

$s-$Орбиталь, как вы уже знаете, имеет сферическую форму. Электрон атома водорода $(n = 1)$ располагается на этой орбитали и неспарен. По этому его электронная формула, или электронная конфигурация, записывается так: $1s^1$. В электронных формулах номер энергетического уровня обозначается цифрой, стоящей перед буквой $(1…)$, латинской буквой обозначают подуровень (тип орбитали), а цифра, которая записывается справа сверху от буквы (как показатель степени), показывает число электронов на подуровне.

Для атома гелия Не, имеющего два спаренных электрона на одной $s-$орбитали, эта формула: $1s^2$. Электронная оболочка атома гелия завершена и очень устойчива. Гелий — это благородный газ. На втором энергетическом уровне $(n = 2)$ имеются четыре орбитали, одна $s$ и три $р$. Электроны $s$-орбитали второго уровня ($2s$-орбитали) обладают более высокой энергией, т.к. находятся на большем расстоянии от ядра, чем электроны $1s$-орбитали $(n = 2)$. Вообще для каждого значения $n$ существует одна $s-$орбиталь, но с соответствующим запасом энергии электронов на нем и, следовательно, с соответствующим диаметром, растущим по мере увеличения значения $n$.$s-$Орбиталь, как вы уже знаете, имеет сферическую форму. Электрон атома водорода $(n = 1)$ располагается на этой орбитали и неспарен. По этому его электронная формула, или электронная конфигурация, записывается так: $1s^1$. В электронных формулах номер энергетического уровня обозначается цифрой, стоящей перед буквой $(1…)$, латинской буквой обозначают подуровень (тип орбитали), а цифра, которая записывается справа сверху от буквы (как показатель степени), показывает число электронов на подуровне.

Для атома гелия $Не$, имеющего два спаренных электрона на одной $s-$орбитали, эта формула: $1s^2$. Электронная оболочка атома гелия завершена и очень устойчива. Гелий — это благородный газ. На втором энергетическом уровне $(n = 2)$ имеются четыре орбитали, одна $s$ и три $р$. Электроны $s-$орбитали второго уровня ($2s$-орбитали) обладают более высокой энергией, т.к. находятся на большем расстоянии от ядра, чем электроны $1s$-орбитали $(n = 2)$. Вообще для каждого значения $n$ существует одна $s-$орбиталь, но с соответствующим запасом энергии электронов на нем и, следовательно, с соответствующим диаметром, растущим по мере увеличения значения $n$.

$р-$Орбиталь имеет форму гантели, или объемной восьмерки. Все три $р$-орбитали расположены в атоме взаимно перпендикулярно вдоль пространственных координат, проведенных через ядро атома. Следует подчеркнуть еще раз, что каждый энергетический уровень (электронный слой), начиная с $n= 2$, имеет три $р$-орбитали. С увеличением значения $n$ электроны занимают $р$-орбитали, расположенные на больших расстояниях от ядра и направленные по осям $x, y, z$.

У элементов второго периода $(n = 2)$ заполняется сначала одна $s$-орбиталь, а затем три $р$-орбитали; электронная формула $Li: 1s^{2}2s^{1}$. Электрон $2s^1$ слабее связан с ядром атома, поэтому атом лития может легко отдавать его (как вы, очевидно, помните, этот процесс называется окислением), превращаясь в ион лития $Li^+$.

В атоме бериллия Be четвертый электрон также размещается на $2s$-орбитали: $1s^{2}2s^{2}$. Два внешних электрона атома бериллия легко отрываются — $В^0$ при этом окисляется в катион $Ве^{2+}$.

У атома бора пятый электрон занимает $2р$-орбиталь: $1s^{2}2s^{2}2p^{1}$. Далее у атомов $C, N, O, F$ идет заполнение $2р$-орбиталей, которое заканчивается у благородного газа неона: $1s^{2}2s^{2}2p^{6}$.

У элементов третьего периода заполняются соответственно $3s-$ и $3р$-орбитали. Пять $d$-орбиталей третьего уровня при этом остаются свободными:

$↙{11}Na 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}$,

$↙{17}Cl 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}$,

$↙{18}Ar 1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}$.

Иногда в схемах, изображающих распределение электронов в атомах, указывают только число электронов на каждом энергетическом уровне, т.е. записывают сокращенные электронные формулы атомов химических элементов, в отличие от приведенных выше полных электронных формул, например:

$↙{11}Na 2, 8, 1;$ $↙{17}Cl 2, 8, 7;$ $↙{18}Ar 2, 8, 8$.

У элементов больших периодов (четвертого и пятого) первые два электрона занимают соответственно $4s-$ и $5s$-орбитали: $↙{19}K 2, 8, 8, 1;$ $↙{38}Sr 2, 8, 18, 8, 2$. Начиная с третьего элемента каждого большого периода, последующие десять электронов поступят на предыдущие $3d-$ и $4d-$орбитали соответственно (у элементов побочных подгрупп): $↙{23}V 2, 8, 11, 2;$ $↙{26}Fr 2, 8, 14, 2;$ $↙{40}Zr 2, 8, 18, 10, 2;$ $↙{43}Tc 2, 8, 18, 13, 2$. Как правило, когда будет заполнен предыдущий $d$-подуровень, начнет заполняться внешний (соответственно $4р-$ и $5р-$) $р-$подуровень: $↙{33}As 2, 8, 18, 5;$ $↙{52}Te 2, 8, 18, 18, 6$.

У элементов больших периодов — шестого и незавершенного седьмого — электронные уровни и подуровни заполняются электронами, как правило, так: первые два электрона поступают на внешний $s-$подуровень: $↙{56}Ba 2, 8, 18, 18, 8, 2;$ $↙{87}Fr 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1$; следующий один электрон (у $La$ и $Са$) на предыдущий $d$-подуровень: $↙{57}La 2, 8, 18, 18, 9, 2$ и $↙{89}Ac 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2$.

Затем последующие $14$ электронов поступят на третий снаружи энергетический уровень, на $4f$ и $5f$-орбитали соответственно лантоноидов и актиноидов: $↙{64}Gd 2, 8, 18, 25, 9, 2;$ $↙{92}U 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2$.

Затем снова начнет застраиваться второй снаружи энергетический уровень ($d$-подуровень) у элементов побочных подгрупп: $↙{73}Ta 2, 8, 18, 32, 11, 2;$ $↙{104}Rf 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2$. И, наконец, только после полного заполнения десятью электронами $d$-подуровня будет снова заполняться $р$-под уровень: $↙{86}Rn 2, 8, 18, 32, 18, 8$.

Очень часто строение электронных оболочек атомов изображают с помощью энергетических, или квантовых ячеек — записывают так называемые графические электронные формулы. Для этой записи используют следующие обозначения: каждая квантовая ячейка обозначается клеткой, которая соответствует одной орбитали; каждый электрон обозначается стрелкой, соответствующей направлению спина. При записи графической электронной формулы следует помнить два правила: принцип Паули, согласно которому в ячейке (орбитали) может быть не более двух электронов, но с антипараллельными спинами, и правило Ф. Хунда, согласно которому электроны занимают свободные ячейки сначала по одному и имеют при этом одинаковое значение спина, и лишь затем спариваются, но спины при этом, по принципу Паули, будут уже противоположно направленными.

• Курс