Ядро атома. Ядерные реакции. Радиоактивность.

Ядро атома состоит из протонов (относительная масса 1, относительный заряд +1) и нейтронов (относительная масса 1, заряд 0). Протоны и нейтроны относятся к элементарным частицам.

Число протонов в ядре атома Z определяет положительный заряд ядра. Этот заряд в относительных единицах равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Относительная масса ядра складывается из массы протонов, которая также будет равна Z, и массы нейтронов, которая в относительных единицах (а.е.м.) равна числу нейтронов в ядре N. Так как практически вся масса атома сосредоточена в ядре (масса электронной оболочки значительно меньше массы ядра), можно считать, что относительная атомная масса равна сумме масс протонов и нейтронов в ядре:

A_r = Z+N

Все химические элементы имеют атомы с различными массами – изотопы. Изотопы какого-либо элемента отличаются друг от друга числом нейтронов в ядре. Элемент водород, например, имеет три изотопа: протий ₁¹Н (в ядре 1 протон и О нейтронов, относительная масса атома 1), дейтерий ₁²Н или D (в ядре 1 протон и 1 нейтрон, относительная масса атома 2) и тритий ₁³Н или Т (в ядре 1 протон и 2 нейтрона, относительная масса атома 3). Многие элементы в природе имеют несколько изотопов. Большое число изотопов химических элементов получают искусственным путем.

Пример. Исходя из положения элементов в ПСЭ, составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору?

Решение. Используя представления о распределении металлических и неметаллических свойств элементов в периодах, а также о зависимости высшей степени окисления от номера группы, можно изменения химических свойств элементов III периода представить в следующей таблице:

Номер группы	I	II	III	IV	V	VI	VII
Элемент	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl
Валентные электроны	3s1	3s2	3s23p1	3s23p2	3s23p3	3s23p4	3s23p5
Высшая степень окисления	+1	+2	+3	+4	+5	+6	+7
Формула оксида	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	P2O5	SO3	Cl2O5
Формула гидроксида	NaOH	Mg(OH)2	Al(OH) 3 H3AlO3	H2SiO3	H3PO4	H2SO4	HClO4
Химический характер гидроксида	основной	основной	амфотерный	кислый	кислый	кислый	кислый

Пример. Составить электронную формулу атома кремния и графическую схему заполнения электронами валентных орбита-лей этого атома в нормальном и в возбужденном состояниях.

Р е ш е н и е. Составляем электронную формулу атома кремния. 1s²2s²2p⁶3s²3p². Валентными орбиталями в этом атоме являются орбитали внешнего (третьего) электронного слоя, т.е. 3s-, Зр- и незаполненные Зd-орбитали. Графически схема заполнения электронами этих орбиталей имеет следующий вид:

						3d
		3p
3s	↑	↑
↓↑

Размещение электронов на 3р-подуровне показано здесь в соответствии с правилом Хунда: суммарный спин атома имеет при этом максимальное значение (1). Другие возможные размещения электронов на Зр-подуровне, например,

3p 3p

↑

↓

или

↓↑

отвечают нулевому значению суммарного спина атома и, следовательно, соответствуют возбужденному состоянию атома.

При затрате некоторой энергии один из 3s-электронов атома кремния может быть переведен на вакантную Зр-орбиталь; при этом энергия атома возрастает, так что возникающая электронная конфигурация (1s²2s²2p ⁶3s ¹3p³) также соответствует одному из возможных возбужденных состояний кремния:

						3d
		3p
3s	↑	↑	↑
↑

Электронными аналогами называют элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых общей для всех элементов формулой. В периодической системе элементов электронные аналоги входят в состав одной подгруппы.

Пример . На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов? Почему их помещают в разных подгруппах? Р е ш е н и е. Электронные конфигурации атомов:

Cl 1s²2s²3p⁶3s²3p⁵ ; Mn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s².

Валентные электроны хлора — 3s²3р⁵, а марганца — 3d⁵4s²; таким образом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. На этом основании оба элемента помещают в одну и ту же седьмую группу периодической системы, но в разные подгруппы.