Изотопами называются атомы одного химического элемента с разным числом нейтронов.

У химического элемента хлора (Cl) есть два изотопа, изотоп с 18 нейтронами (75,53% всех атомов хлора, встречающихся в природе) и изотоп с 20 нейтронами (24,47%). Чтобы записать символ изотопа, слева от символа элемента указывают нижним индексом его порядковый номер, а верхним индексом — массовое число (суммарное число протонов и нейтронов) изотопа. Таким образом, символы двух естественных изотопов хлора записывают как ³⁵₁₇Cl и ³⁷₁₇Cl. Наличие нижнего индекса не обязательно, т. к. все атомы хлора содержат в своем ядре 17 протонов, поэтому символы изотопов обычно записывают без указания нижнего индекса — ³⁵Cl и ³⁷Cl. Обсуждая эти изотопы, говорят «хлор-35» и «хлор-37».

Для того чтобы атом был устойчивым, он, как правило, должен иметь в ядре немного больше нейтронов, чем протонов. Ядра, содержащие слишком много элементарных частиц одного сорта, неустойчивы и подвергаются радиоактивному распаду.

Рис. 1.1. Состав четырех изотопов гелия (Не).

Все атомы гелия (рис. 1.1) содержат по два протона и, следовательно, по два электрона, но число нейтронов у них разное. В природе большинство атомов гелия имеет по два нейтрона (гелий-4) и реже одного раза на миллион встречаются атомы гелия с одним нейтроном (гелий-3). Другие изотопы гелия — гелий-5 и гелий-6 — неу­стойчивы и могут существовать очень непродолжительное время в ядерных реакциях. Раз­меры ядер атомов на рисунке очень сильно увеличены. Если бы они были такими, диаметр атома должен был бы достигать пример­но 0,5 км.

Пример 1.1. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме ванадия-51? Запишите символ этого изотопа.

Решение. Порядковый номер ванадия (см. периодическую систему химических элементов) равен 23, а массовое число изотопа равно 51 (по условию). Следовательно, он содержит 23 протона, 23 электрона и 51 – 23 = 28 нейтронов. Его символ ⁵¹₂₃V (или ⁵¹V).

Полная масса атома называется его атомной массой * и приблизительно равна сумме масс всех протонов, нейтронов и электронов, входящих в состав атома.

На самом деле масса атома меньше, суммы масс всех входящих в состав атома частиц, т.к. когда из протонов и нейтронов образуется ядро атома, часть их массы превращается в энергию, которая вы­деляется в окружающую среду, этот дефект массы и есть источник энергии в реакциях ядерного синтеза. Атом невозможно разделить на составляющие его элемен­тарные частицы, не подведя к нему извне энергию связи притонов и нейтронов в атомном ядре.

* В практической химии раньше пользовались терми­нами «атомный вес» и «молекулярный вес», хотя во всех этих случаях подразумеваются массы, а не веса.

Пример 1.2. Вычислите дефект массы при образовании атома углерода-12 из протонов, нейтронов и электронов.

Решение. Поскольку порядковый номер каждого атома углерода равен 6, углерод-12 имеет 6 протонов и 6 электро­нов. Для вы­числения суммарной массы всех этих частиц воспользуемся данными приведенными выше:

Протоны:        6∙1,00728 а.е.м. = 6,04368 а.е.м.

Нейтроны:      6∙1,00867 а.е.м. = 6,05202 а.е.м.

Электроны:    6∙0,00055 а.е.м.  =   0,00330 а.е.м.

Суммарная масса частиц:           12,09900 а.е.м.

По определению шкалы атомных единиц массы, масса одного атома углерода-12 точно равна 12 а.е.м. Следова­тельно, в процессе образования этого атома из составляю­щих его элементарных частиц суммарная масса последних должна уменьшиться на 0,0990 а. е. м.

Пример 1.3. Вычислите ожидаемую атомную массу изотопа хлора, содержащего 20 нейтронов. Сравните ее с атомной массой этого изотопа, приведенной в таблице.

Решение. Указанный изотоп хлора содержит 17 протонов и 20 нейтронов.

Протоны:     17∙1,00728 а.е.м. =      17,1238 а.е.м.

Нейтроны:   20∙1,00867 а.е.м. =      20,1734 а.е.м.

Электроны:  17∙0,00055 а.е.м. =        0,0094 а.е.м.

Суммарная масса частиц:            37,3066 а.е.м.

Действительная (наблюдаемая)

атомная масса:                                   36,966 а.е.м.

Дефект массы:                                  0,341 а.е.м.

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). Дефект массы при образовании атома очень мал, поэтому массовое число обычно совпадает с атомной массой изотопа, округленной до ближайшего целого числа. Так, 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) должна быть равна средневзвешенному значению атомных масс отдельных изотопов. Это средневзвешенное значение определяется следующим образом: 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: A(Cl_прир.) = (0,7553∙34,97) + (0,2447∙36,97) = 35,462 (а.е.м).

Атомные массы, указанные в периодической таблице, 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 конкретно обсуждаться какой-нибудь отдельный изотоп. Изотопы различаются свойствами чувствительными к массе, например скоростью диффузии.

Пример 1.4. Магний (Mg) в основном состоит из трех естественных изотопов: 78,70% 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? Как следует записать символы каждого изотопа? Наконец, 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: A(Mg_прир.) (0,7870∙23,985) + (0,1013∙24,986) + (0,1117∙25,983) = 24,31 (а.е.м).

Пример 1.5. Бор имеет два естественных изотопа: ¹⁰В и ¹¹В. Известно, что 80,22%, его атомов представляют собой изотоп ¹¹В с атомной массой 11,009 а. е. м. Пользуясь значением естественной атомной массы, приведенным в таблице Д. И. Менделеева, вычислите атомную массу изотопа ¹⁰В.

Решение. Если 80,22% всех атомов бора представляют собой изотоп ¹¹В, то 100,00 - 80,22 = 19,78% составляют изотоп с неизвестной атомной массой. Обозначая эту неизвестную атомную массу как W, можно записать: A(B_прир.) = (0,8022∙11,009) + (0,1978∙W) = 10,81 а. е. м.

Следовательно, W = (10,81 - 8,831)/0,1978 = 10,01 а. е. м.                                                                            

Молекулы

Образование атомов из элементарных частиц, является предметом рассмотрения ядерной физики.

Когда атомы настолько сближаются друг с другом, что внешние электроны одного атома могут взаимодействовать с внешними электронами других атомов, между атомами возникают силы притяжения, удерживающие их вместе — химическая связь. В простейших случаях связь возникает в результате обобществления двух электронов между парой атомов, причем каждый из связанных атомов поставляет для этого по одному электрону. Связи, возникающие в результате обобществления электронов, называются ковалентными связями, а два или несколько атомов, связанных воедино ковалентными связями, называют молекулой.

Молекула ¾ частица способная к самостоятельному существованию и представляющая совокупность атомов связанных между собой ковалентными связями.

Молекулу можно изобразить в виде химической формулы, которая показывает качественный и количественный состав вещества.

Рис. 1.2. Форма и относительные размеры некоторых простых молекул. Каждая пара связанных атомов как бы проникает друг в друга, потому что их электронные облака перекрываются между собой. Принято изображать молекулы таким образом, что расширяющаяся линия указывает связь, направленную от плоскости рисунка в сторону наблюдателя, а пунктирная линия указывает связь, уходящую за плоскость рисунка в сторону от наблюдателя.

В графических формулах молекул ковалентная связь, возникающая в результате обобществления пары электронов, схематически изображается прямой линией, соединяющей связанные атомы. Так, в молекуле воды один атом кислорода (О) связан с двумя атомами водорода (Н). Графическая формула этой молекулы может быть изображена двумя способами:

Второй вариант графической формулы воды учитывает тот факт, что молекула воды не линейна; две связи Н-О образуют угол 105° друг с другом.

Молекулы газообразного водорода, сероводорода, аммиака, метана и метанола (метилового спирта) имеют следующие структурные формулы:

      

Графические формулы указывают только связи между атомами молекулы. Они не дают сведений о трехмерной структуре (или форме) молекул. Рис.1.2 дает представление о форме и относительном объеме нескольких молекул. Угол между связями в молекулах, содержащих более двух атомов, может принимать различные значения. В молекуле сероводорода равен 92°; четыре атома, присоединенных к центральному атому углерода в метане, направлены к четырем вершинам тетраэдра.

Графическая формула неразветвленного октана, одного из компонентов бензина, такова:

Каждая из указанных выше графических формул может быть сведена к сжатой молекулярной формуле, которая показывает, сколько атомов каж­дого элемента имеется в молекуле, но совсем или почти совсем не дает сведений о том, как эти атомы соединены между собой. Молекулярная формула водорода Н₂, воды Н₂О, сероводорода H₂S, аммиака NН₃, мета­на СН₄, метанола (метилового спирта) СН₃ОН или СH₄О, а октана C₈H₁₈. Формула октана может быть также записана в такой форме:

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃