Изотопы и ионы: это то, что нравится многим
Ядра всех атомов данного элемента имеют одинаковый заряд, т.е. содержат определенное число протонов. Но число нейтронов в ядрах этих атомов может быть различным. Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разным количеством нейтронов (а значит, и разным массовым числом), называют изотопами.
Выделение изотопа
Водород является достаточно распространенным элементом. Порядковый номер водорода — 1, т. е. в его ядре находится 1 протон. Кроме того, в атоме водорода находится 1 электрон. Поэтому атом водорода является нейтральным (положительные и отрицательные заряды нейтрализуют друг друга).
На земле большинство атомов водорода не имеют нейтронов. На рис. 3.2 представлен структурный символ урана. По аналогии можно записать структурный символ атома водорода, не имеющего нейтронов (рис. 3.8, а).
Впрочем, в ядре каждого примерно из 6000 атомов водорода нейтрон все-таки находится. Но все равно это атомы водорода, поскольку они имеют один протон и один электрон; просто в них содержится нейтрон, которого нет в большинстве атомов водорода. Итак, эти атомы называются изотопами. На рис. 3.8, б показан изотоп водорода, называемый дейтерием. Он является водородом, так как содержит только один протон, тем не менее отличается от атома водорода, показанного на рис. 3.8, а, так как имеет еще один нейтрон. Поскольку он содержит по одному протону и нейтрону, его массовое число равно 2.
Известен также радиоактивный изотоп водорода, содержащий два нейтрона. Он называется тритием (см. рис. 3.8, в).
Изотопы и ионы: это то, что нравится многим
На земле тритий в естественном состоянии не встречается, его можно получить лишь искусственным путем.
Теперь снова посмотрим на рис. 3.8. Под структурными символами элементов приведен еще один способ записи изотопов: символ элемента, тире, массовое число.
Тут, возможно, у вас возникнет вопрос: «Массу какого изотопа следует считать массой водорода при вычислениях с использованием атомной массы водорода?» Ответ на него таков: «Среднюю от атомных масс всех изотопов водорода, встречающихся в природе». Но это среднее значение не просто среднее арифметическое. (Следует учесть, что обычный водород состоит в основном из протия (1H), дейтерий (2D) в нем содержится в ничтожно малом коли-
честве (0,0017%), а тритий (3T) вообще в обычном водороде не встречается.) В этом случае пользуются средневзвешенным, которое учитывает распространенность изотопов, встречающихся в природе. Поэтому в табл. 3.2 атомная масса водорода не является целым числом — она равна 1,0079 а.е.м.
Многие элементы имеют несколько изотопов. Более подробно об этом вы узнаете в главе 5, «Ядерная химия, которая поразит ваше воображение».
Следите за ионами
Поскольку атом нейтрален, в этой книге часто подчеркивается, что в атомах количество протонов равно количеству электронов. Однако иногда у атома появляется электрический заряд. Например, в хлориде натрия (т. е. в поваренной соли) атом натрия заряжен положительно, а атом хлора — отрицательно. Атомы (или группы атомов), у которых количество протонов не равно количеству электронов, называются ионами.
В нейтральном атоме натрия содержится 11 протонов и 11 электронов, что означает 11 положительных и 11 отрицательных зарядов. Имея одинаковое количество отрицательных и положительных зарядов, атом натрия считается нейтральным и обозначается как Na. Однако в ионе натрия положительных зарядов на один больше, чем отрицательных, и ион натрия обозначается как Na+ (знак «плюс» означает, что общий заряд является положительным).
Подобное неравенство положительных и отрицательных зарядов может быть в одном из двух случаев: либо атом получает протон (положительный заряд), либо теряет электрон (отрицательный заряд). Какой же из этих процессов может произойти с большей вероятностью? Согласно правилу атом получает или теряет электроны очень легко, в то время как получать или терять протоны крайне сложно.
Таким образом, атомы становятся ионами, принимая или отдавая электроны. Ионы, имеющие положительный заряд, называются катионами. Будем рассуждать следующим образом. Ион Na+ образуется в результате потери одного электрона. Поскольку в ионе натрия не хватает электрона, протонов в нем больше, чем электронов, или положительных зарядов больше, чем отрицательных. А это означает, что теперь он называется катионом Na+. Подобным же образом, катион Mg2+ образуется, когда нейтральный атом магния отдает два электрона.
Теперь поговорим об атоме хлора, входящем в состав хлорида натрия. Нейтральный атом хлора, принимая электрон, становится отрицательно заряженным. Поскольку в нем неравное количество протонов и электронов, теперь он является ионом и обозначается как Cl-. А так как отрицательно заряженные ионы называются анионами, то сейчас он называется анионом Cl-. (Более подробная информация об ионах, катионах и анионах приведена в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи».)
Чтобы возбудить ваш читательский аппетит, приведем некоторые сведения, касающиеся ионов.
* Электронные конфигурации и диаграммы энергетических уровней можно записывать также для ионов. Электронной конфигурацией для нейтрального атома натрия является 1s22s22p63s1. У катиона натрия отсутствует один валентный электрон, который в нейтральном атоме находился на самом дальнем от ядра, незавершенном энергетическом уровне (в данном случае это 3 s-электрон). Электронную конфигурацию Na+ можно записать следующей формулой: 1s22s22p6.
S Электронная конфигурация иона хлора (Cl-) выглядит так: 1s22s22p63s23p6. Она имеет такой же вид, как у нейтрального атома аргона. Если у двух химических разновидностей одна и та же электронная конфигурация, то они называются изоэлектронными. Не правда ли, чтобы понять химию, нужно изучить абсолютно незнакомый язык?
* В этом разделе речь шла об одноатомных ионах. Однако существуют и многоатомные ионы. Ион аммония NH4+ является многоатомным, а если говорить конкретно — многоатомным катионом. Нитрат-ион NO3- также является многоатомным ионом, или многоатомным анионом.
* Ионы обычно входят в состав класса соединений, называемых солями. Соли, растворяясь в воде, образуют растворы, которые проводят электричество. Вещество, растворенное в воде и проводящее электричество, называется электролитом. Примером электролита может служить поваренная соль — хлорид натрия. С другой стороны, раствор, полученный при растворении в воде сахара (сахарозы), электричество не проводит. Таким образом, сахароза является неэлектролитом. Зная о том, является соответствующее вещество электролитом или нет, можно судить о типе связи в соединении. В электролите соединение, скорее всего, имеет ионную связь (см. главу 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи»). Соединение, являющееся неэлектролитом, имеет ковален-тную связь (см. главу 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски»).