ПОМІРКУЙТЕ
Сформулюйте гіпотезу, яка б пояснювала різні заряди ядер і відносні атомні маси атомів у різних хімічних елементів.
Я думаю, що атомні ядра складаються з різної кількості позитивно заряджених та нейтральних частинок, і саме комбінація їхньої кількості визначає унікальний заряд та масу кожного окремого хімічного елемента.
Проаналізуйте інформацію з таблиці 5. Чим відрізняються субатомні частинки (тобто частинки, з яких складаються атоми)?
Субатомні частинки відрізняються за своїм електричним зарядом (протони мають заряд +1, електрони — -1, а нейтрони є нейтральними) та за своєю масою (протони й нейтрони мають масу приблизно 1 а. о. м., тоді як маса електрона є мізерною і становить лише 0,00055 а. о. м.).
Якщо із частинок в ядрі атома лише протони мають заряд, то чим зумовлений заряд ядра?
Заряд ядра зумовлений виключно кількістю протонів у його складі, оскільки нейтрони не мають електричного заряду і не впливають на загальну величину заряду.
А чому атоми — нейтральні частинки?
Атоми є електронейтральними частинками, тому що число негативно заряджених електронів в їхній оболонці точно дорівнює числу позитивно заряджених протонів у ядрі.
ПОМІРКУЙТЕ
Зважаючи на масу субатомних частинок, чим, на вашу думку, буде зумовлена маса атома?
На мою думку, маса атома зумовлена сумою мас протонів і нейтронів у його ядрі, оскільки саме в ядрі зосереджено близько 99,97 % усієї маси атома, а маса електронів є настільки малою, що нею зазвичай нехтують.
Проаналізуйте малюнок 24.2. Моделі скількох атомів на ньому зображено?
На малюнку 24.2 зображено моделі чотирьох атомів, які позначені літерами А, Б, В та Г.
ПОМІРКУЙТЕ
Чи можна, на вашу думку, позначати нукліди так само, як і хімічні елементи?
На мою думку, позначати нукліди лише символом хімічного елемента недостатньо, оскільки для їх ідентифікації необхідно додатково вказувати масове число та заряд ядра (протонне число).
ПОМІРКУЙТЕ
Запропонуйте математичну модель визначення числа субатомних частинок в атомі певного хімічного елемента за відомим масовим числом.
Число протонів ($Z$) та електронів дорівнює порядковому номеру елемента в Періодичній системі, а число нейтронів ($N$) обчислюється за формулою $N = A-Z$, де $A$ — масове число.
ПОМІРКУЙТЕ
Скільки, на вашу думку, різних атомів може існувати в природі?
На мою думку, у природі може існувати близько 300 різних атомів (природних нуклідів), хоча загалом науці відомо понад 3000 їх різновидів разом зі штучно отриманими.
Чи можна впевнено стверджувати: «оскільки відомо 118 хімічних елементів, то в природі існує 118 різновидів атомів»?
Таке твердження є помилковим, оскільки більшість хімічних елементів мають по кілька ізотопів, що є різними за складом ядра різновидами атомів одного й того самого елемента.
ПОМІРКУЙТЕ
Грецькою мовою ізос означає «рівний, однаковий, подібний», а топос означає «місце». Що, на вашу думку, означає термін «ізотоп»?
На мою думку, термін «ізотоп» означає різні форми одного й того самого хімічного елемента, які мають однакове число протонів, але різну кількість нейтронів. Виходячи з походження слова, де «ізос» — рівний, а «топос» — місце, я думаю, це вказує на те, що такі атоми займають одну й ту саму клітинку в Періодичній системі, попри різницю в масі.
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
299. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про дослідження науковців і науковець, які зробили важливі відкриття в історії атомної теорії (Дж. Дальтон, Дж. Дж. Томсон, Е. Резерфорд, Н. Бор тощо, про одного на власний вибір). Підготуйте доповідь.
Ернест Резерфорд зробив фундаментальний внесок у науку, провівши експеримент із розсіювання альфа-частинок крізь тонку золоту фольгу. Його дослідження спростувало модель «пудингу з родзинками» Томсона, оскільки Резерфорд виявив, що більшість частинок проходять крізь фольгу, але деякі відхиляються на великі кути. Це дозволило йому довести наявність у центрі атома маленького, щільного та позитивно зарядженого ядра, де зосереджена майже вся маса атома. На основі цих висновків він запропонував планетарну модель атома, яка стала основою для сучасної атомної теорії.
300. Із додаткових джерел дізнайтеся, які частинки називають елементарними та чому протони й нейтрони не вважають такими.
Елементарними називають фундаментальні частинки, які не мають внутрішньої структури і не складаються з інших, дрібніших компонентів. Протони й нейтрони не вважають елементарними частинками, оскільки було доведено, що вони складаються з іще дрібніших частинок — кварків. З-поміж частинок, що утворюють атом, справді елементарною на сучасному етапі розвитку науки вважають лише електрон.
301. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про «рекорди» нуклідів. У якого хімічного елемента відомо найбільше нуклідів, у якого — найбільше природних нуклідів? А в яких — найменше?
Рекордсменом за кількістю природних стабільних нуклідів є Станум (Олово), який має їх десять. Найбільшу загальну кількість нуклідів (враховуючи штучно отримані та радіоактивні) мають Ксенон і Цезій — науці відомо близько 40 ізотопів для кожного з них. Найменшу кількість природних нуклідів (лише по одному) мають так звані «мононуклідні» елементи, серед яких Флуор, Натрій, Алюміній та Аурум (Золото).
302. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про те, як дізналися про існування хімічних елементів, які не існують у природних речовинах. Який хімічний елемент, з-поміж таких, яких немає на Землі, було відкрито першим? Чи можуть бути відкриті ще нові хімічні елементи?
Про існування елементів, яких немає в природі, дізналися завдяки розвитку ядерної фізики та методів штучного синтезу в спеціальних прискорювачах і реакторах. Першим елементом, якого немає на Землі і який був отриманий штучним шляхом, став Технецій (порядковий номер 43). На мою думку, відкриття нових хімічних елементів цілком можливе, адже науковці продовжують працювати над синтезом надважких ядер, намагаючись досягти теоретично передбаченого «острова стабільності».
303. Порівняйте поняття, склавши для них діаграми Венна: а) «атом» і «хімічний елемент»; б) «електрон» і «протон»; в) «протон» і «нейтрон».
На мою думку, порівняння цих понять можна представити таким чином:
а) «Атом» і «хімічний елемент»:
- Спільне: обидва поняття є фундаментальними одиницями в хімії та стосуються будови речовини.
- Унікальне для атома: це конкретна найменша електронейтральна частинка речовини, що має певну масу та розмір.
- Унікальне для хімічного елемента: це абстрактне поняття, що позначає сукупність (тип) атомів з однаковим зарядом ядра.
б) «Електрон» і «протон»:
- Спільне: це субатомні заряджені частинки, що входять до складу атома. В нейтральному атомі їхня кількість однакова.
- Унікальне для електрона: має негативний заряд (–1), мізерно малу масу, перебуває в електронній оболонці.
- Унікальне для протона: має позитивний заряд (+1), масу приблизно 1 а.о.м., розташований у ядрі.
в) «Протон» і «нейтрон»:
- Спільне: це нуклони, вони мають масу приблизно 1 а.о.м. та зосереджені в ядрі атома.
- Унікальне для протона: заряджений позитивно (+1), його кількість визначає порядковий номер елемента.
- Унікальне для нейтрона: не має електричного заряду (0), його кількість разом із протонами визначає масове число нукліда.
304. Атом Карбону містить 6 електронів. Чому дорівнює заряд: а) атома Карбону; б) ядра атома Карбону?
ВІДОМО:
Кількість електронів у атомі Карбону ($e^-$) = 6
ОБЧИСЛИТИ:
а) заряд атома Карбону;
б) заряд ядра атома Карбону.
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Оскільки будь-який атом є електронейтральним, число протонів у його ядрі дорівнює числу електронів в оболонці. Якщо атом має 6 електронів, то в його ядрі міститься 6 протонів.
а) Загальний заряд атома дорівнює нулю, оскільки позитивний заряд протонів компенсується негативним зарядом електронів ($+6 + (-6) = 0$).
б) Заряд ядра зумовлений лише протонами, кожен з яких має заряд +1. Отже, заряд ядра Карбону становить +6.
Відповідь: а) 0; б) +6.
305. Запишіть позначення нукліда, якщо ядро атома містить: а) 2 протони й 1 нейтрон; б) 8 протонів і 9 нейтронів; в) 15 протонів і 16 нейтронів; г) 35 протонів і 45 нейтронів; д) 25 протонів і 30 нейтронів; е) 89 протонів і 117 нейтронів.
а) $^3_2\text{He}$ (Г Helium-3)
б) $^{17}_{8}\text{O}$ (Oxygen-17)
в) $^{31}_{15}\text{P}$ (Phosphorus-31)
г) $^{80}_{35}\text{Br}$ (Bromine-80)
д) $^{55}_{25}\text{Mn}$ (Manganese-55)
е) $^{206}_{89}\text{Ac}$ (Actinium-206)
306. Визначте склад атомів таких нуклідів: $^{17}\text{O}$, $^{14}\text{C}$, $^{137}\text{Cs}$, $^{60}\text{Co}$, $^{130}\text{I}$, $^{65}\text{Zn}$.
Склад атомів визначається кількістю протонів ($p$), електронів ($e$) та нейтронів ($n$):
- $^{17}\text{O}$ (Оксиген): $p = 8, e = 8, n = 17-8 = 9$.
- $^{14}\text{C}$ (Карбон): $p = 6, e = 6, n = 14-6 = 8$.
- $^{137}\text{Cs}$ (Цезій): $p = 55, e = 55, n = 137-55 = 82$.
- $^{60}\text{Co}$ (Кобальт): $p = 27, e = 27, n = 60-27 = 33$.
- $^{130}\text{I}$ (Йод): $p = 53, e = 53, n = 130-53 = 77$.
- $^{65}\text{Zn}$ (Цинк): $p = 30, e = 30, n = 65-30 = 35$.
307. Чим відрізняються за складом ядра атомів нуклідів: а) Літію $^6\text{Li}$ і $^7\text{Li}$; б) Урану $^{235}\text{U}$ і $^{239}\text{U}$?
а) Ядра нуклідів Літію мають однакове число протонів (3), але відрізняються числом нейтронів: у $^6\text{Li}$ міститься 3 нейтрони ($6-3 = 3$), а в $^7\text{Li}$ — 4 нейтрони ($7-3 = 4$).
б) Ядра нуклідів Урану мають однакове число протонів (92), але відрізняються числом нейтронів: у $^{235}\text{U}$ міститься 143 нейтрони ($235-92 = 143$), а в $^{239}\text{U}$ — 147 нейтронів ($239-92 = 147$).
308. Визначте нуклід: а) Натрію, який містить таке саме число нейтронів, що й нуклід $^{24}\text{Mg}$; б) Оксигену, який містить таке саме число нейтронів, що й нуклід $^{13}\text{C}$.
ВІДОМО:
а) Нуклід $^{24}\text{Mg}$ ($Z=12, A=24$); елемент Натрій ($Z=11$).
б) Нуклід $^{13}\text{C}$ ($Z=6, A=13$); елемент Оксиген ($Z=8$).
ОБЧИСЛИТИ:
а) Масове число $A$ для нукліда Натрію.
б) Масове число $A$ для нукліда Оксигену.
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
а) Кількість нейтронів у $^{24}\text{Mg}$: $N = A – Z = 24 – 12 = 12$. Для нукліда Натрію з такою ж кількістю нейтронів масове число буде: $A = Z + N = 11 + 12 = 23$. Це нуклід $^{23}\text{Na}$.
б) Кількість нейтронів у $^{13}\text{C}$: $N = A-Z = 13-6 = 7$. Для нукліда Оксигену з такою ж кількістю нейтронів масове число буде: $A = Z + N = 8 + 7 = 15$. Це нуклід $^{15}\text{O}$.
Відповідь: а) $^{23}\text{Na}$; б) $^{15}\text{O}$.
309. Із наведеного переліку виберіть: а) ізотопи; б) нукліди з однаковим нейтронним числом; в) нукліди з однаковим нуклонним числом. (Перелік: $^{16}_8\text{O}, ^{14}_6\text{C}, ^{14}_7\text{N}, ^{12}_6\text{C}, ^{15}_7\text{N}, ^{15}_8\text{O}$)
а) Ізотопами є нукліди Карбону ($^{14}_6\text{C}$ і $^{12}_6\text{C}$), Нітрогену ($^{14}_7\text{N}$ і $^{15}_7\text{N}$) та Оксигену ($^{16}_8\text{O}$ і $^{15}_8\text{O}$).
б) Нукліди з однаковим нейтронним числом $N=8$: $^{16}_8\text{O}$ ($16-8=8$), $^{14}_6\text{C}$ ($14-6=8$) та $^{15}_7\text{N}$ ($15-7=8$); з числом $N=7$: $^{14}_7\text{N}$ ($14-7=7$) та $^{15}_8\text{O}$ ($15-8=7$).
в) Нукліди з однаковим нуклонним числом $A=14$: $^{14}_6\text{C}$ і $^{14}_7\text{N}$; з числом $A=15$: $^{15}_7\text{N}$ і $^{15}_8\text{O}$.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)
310. Проаналізуйте малюнок і схарактеризуйте відмінності нуклідів Гідрогену. Чому вони отримали такі назви?
На малюнку зображені три нукліди Гідрогену, які відрізняються кількістю нейтронів у ядрі: Протій не має нейтронів, Дейтерій містить один нейтрон, а Тритій — два нейтрони. Свої назви вони отримали від грецьких слів «протос» (перший), «дейтерос» (другий) та «тритос» (третій), що вказує на їхні відносні маси — 1, 2 та 3 відповідно.
311. Масові числа нуклідів — цілі числа. Проте для більшості хімічних елементів відносні атомні маси є дробовими числами… Сформулюйте гіпотезу, яка пояснювала б цей факт. Знайдіть у додаткових джерелах інформацію, яка б підтверджувала або спростовувала вашу гіпотезу.
На мою думку, дробові значення відносних атомних мас зумовлені тим, що більшість хімічних елементів у природі існують у вигляді суміші декількох ізотопів із різними масовими числами. Додаткові джерела підтверджують цю гіпотезу: атомна маса, вказана в періодичній системі, є середнім значенням мас усіх природних ізотопів елемента з урахуванням їхньої поширеності. Наприклад, Хлор має масу 35,453, оскільки складається з ізотопів $^{35}\text{Cl}$ (близько 75%) та $^{37}\text{Cl}$ (близько 25%).
312. Чи можливо, на вашу думку, за значенням відносної атомної маси хімічних елементів передбачити нукліди, якими представлений цей елемент у природі? Якщо відносна атомна маса Бору дорівнює 10,81, то які існують природні нукліди Бору?
Я думаю, що за відносною атомною масою можна передбачити основні стабільні ізотопи, округливши дробове значення до найближчих цілих чисел. Оскільки атомна маса Бору становить 10,81, це означає, що в природі існують нукліди Бор-10 ($^{10}\text{B}$) та Бор-11 ($^{11}\text{B}$). Значення 10,81 ближче до 11, тому я можу зробити висновок, що ізотопу Бор-11 у природі значно більше.
313. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про види радіоактивного випромінювання та його вплив на живі організми.
Основними видами радіоактивного випромінювання є альфа-випромінювання (потік ядер гелію), бета-випромінювання (потік швидких електронів або позитронів) та гамма-випромінювання (електромагнітні хвилі високої енергії). Радіоактивне випромінювання іонізує молекули в клітинах живих організмів, що призводить до руйнування хімічних зв’язків, пошкодження структури ДНК, виникнення мутацій, розвитку променевої хвороби або онкологічних захворювань.
314. Ґрунтуючись на значенні відносної атомної маси хімічних елементів, спрогнозуйте, у вигляді яких нуклідів існують у природі: а) Літій; б) Бор; в) Фосфор; г) Купрум.
Спираючись на значення відносних атомних мас, я можу спрогнозувати існування таких природних нуклідів: а) Літій ($A_r = 6,94$) існує у вигляді нуклідів $^{6}\text{Li}$ та $^{7}\text{Li}$; б) Бор ($A_r = 10,81$) представлений нуклідами $^{10}\text{B}$ та $^{11}\text{B}$; в) Фосфор ($A_r = 30,97$) існує переважно у вигляді одного стабільного нукліда $^{31}\text{P}$; г) Купрум ($A_r = 63,55$) складається з нуклідів $^{63}\text{Cu}$ та $^{65}\text{Cu}$.
315. Як ви вважаєте, чому в Періодичній таблиці для більшості хімічних елементів відносні атомні маси є дробовими числами, а для радіоактивних елементів — цілими числами?
На мою думку, дробові значення відносних атомних мас більшості елементів зумовлені тим, що вони є середнім арифметичним мас усіх природних ізотопів цього елемента з урахуванням їхньої поширеності. Для радіоактивних елементів, які не мають стабільних ізотопів або отримані штучно, у таблиці зазвичай наводять масове число найбільш стабільного або довгоживучого ізотопа, яке завжди є цілим числом.
316. У молекулі води можуть міститися різні нукліди Гідрогену ($^{1}\text{H}, ^{2}\text{H}, ^{3}\text{H}$) та Оксигену ($^{16}\text{O}, ^{17}\text{O}, ^{18}\text{O}$). Скільки різних молекул може утворитися із цих нуклідів: а) за складом; б) за масою?
ВІДОМО:
Нукліди Гідрогену: $^{1}\text{H}, ^{2}\text{H}, ^{3}\text{H}$
Нукліди Оксигену: $^{16}\text{O}, ^{17}\text{O}, ^{18}\text{O}$
Склад молекули води: $\text{H}_2\text{O}$
ОБЧИСЛИТИ:
а) Кількість молекул, різних за ізотопним складом.
б) Кількість молекул, різних за масою.
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
а) З трьох нуклідів Гідрогену можна утворити 6 варіантів пар $\text{H}_2$: (1,1), (1,2), (1,3), (2,2), (2,3), (3,3). Кожна з цих пар може поєднуватися з одним із 3 нуклідів Оксигену. Отже, загальна кількість молекул за складом дорівнює $6 \times 3 = 18$.
б) Можливі маси пар Гідрогену: 2, 3, 4, 5, 6. Маси Оксигену: 16, 17, 18. Сумарна маса молекули може набувати значень:
- від $2 + 16 = 18$
- до $6 + 18 = 24$ Усі проміжні цілі значення (19, 20, 21, 22, 23) також можливі. Таким чином, існує 7 різних значень маси молекул.
Відповідь: а) 18 молекул; б) 7 молекул.
317. Проаналізуйте твердження та визначте, яке з них найкраще пояснює таку дію важкої води.
На мою думку, найкраще пояснює дію важкої води останнє твердження: «Молекули важкої води мають більшу масу, тому хімічні реакції за її участі відбуваються повільніше». Це уповільнення критично важливих біохімічних процесів у клітинах призводить до порушення життєдіяльності організму.
318. Проаналізуйте різні моделі атомів на с. 236 і схарактеризуйте, чим вони відрізняються одна від одної.
Модель Вільяма Томсона представляє атом як суцільний згусток позитивної матерії з рівномірно вкрапленими електронами. У моделі Джозефа Томсона електрони вже розміщені в одній площині та утворюють концентричні кільця. Модель Хантаро Нагаоки принципово відрізняється тим, що електрони не знаходяться всередині позитивної кулі, а обертаються навколо неї ззовні, утворюючи кільце подібно до супутників Сатурна.
319. Проаналізуйте малюнок і опишіть сутність цього експерименту [Е. Резерфорда]. Проаналізуйте малюнок і поясніть міркування науковця, за якими він запропонував свою планетарну модель.
Суть експерименту полягала у бомбардуванні тонкої золотої фольги позитивно зарядженими α-частинками, щоб простежити траєкторію їхнього руху крізь атоми. Оскільки більшість частинок пройшла крізь фольгу без перешкод, а лише одиниці відхилилися на великі кути, Резерфорд дійшов висновку, що атом майже порожній. Він запропонував модель, де в центрі міститься крихітне позитивне ядро, в якому зосереджена майже вся маса, а навколо нього на великій відстані обертаються електрони.
ОБГОВОРІТЬ ПИТАННЯ
Яке значення золотої фольги й α-частинок для проведення цього експерименту?
Альфа-частинки були використані як інструмент для «зондування» внутрішньої структури атома завдяки їхньому позитивному заряду та масі. Золото обрали як матеріал для мішені, оскільки це надзвичайно пластичний метал, який можна розкатати до стану фольги товщиною в кілька сотень атомів.
Чому важливо було використовувати саме тонку золоту фольгу?
Тонка фольга була необхідна для того, щоб α-частинки проходили крізь мінімальну кількість шарів атомів і не застрягали в матеріалі. Це дало змогу зафіксувати відхилення частинок при взаємодії з конкретними ядрами атомів, а не просто їхнє повне поглинання товстим шаром металу.
Які результати експерименту були несподіваними?
Найбільш неочікуваним результатом стало відхилення деяких α-частинок на кути, більші за 90 градусів, і навіть їхнє повернення назад. Це суперечило тогочасній моделі «пудингу», згідно з якою позитивний заряд був розсіяний по всьому об’єму атома і не міг би так сильно відштовхнути швидку частинку.
Чому більшість α-частинок пройшли крізь фольгу без відхилення?
Більшість α-частинок пройшли крізь фольгу без перешкод, тому що атом складається переважно з порожнечі, а позитивно заряджене ядро займає в ньому надзвичайно малий об’єм.
Як можна пояснити той факт, що деякі α-частинки відхилялися під великими кутами або навіть поверталися назад?
Це пояснюється тим, що ці α-частинки підходили дуже близько до крихітного, але масивного позитивно зарядженого ядра або стикалися з ним. Оскільки α-частинки також мають позитивний заряд, вони відштовхувалися від ядра під дією кулонівських сил.
Чим планетарна модель атома Е. Резерфорда відрізняється від моделі Дж. Дж. Томсона? У чому її переваги?
Модель Томсона описувала атом як суцільну позитивно заряджену «краплю» з вкрапленнями електронів, тоді як Резерфорд довів існування в центрі атома малого щільного ядра, навколо якого обертаються електрони. Перевага планетарної моделі полягає в тому, що вона змогла пояснити результати дослідів із розсіюванням частинок, які суперечили моделі Томсона.
Як Е. Резерфорд міг перевірити достовірність отриманих даних?
На мою думку, Резерфорд міг перевірити достовірність даних шляхом проведення серії повторних експериментів, використання фольги з різних металів та зіставлення кількості відхилених частинок із математичними розрахунками.
Як результати цього експерименту пов’язані з явищами, які ми спостерігаємо у Всесвіті (наприклад, у зорях)?
Я думаю, що відкриття атомного ядра стало ключем до розуміння природи зір, оскільки саме в ядрах атомів відбуваються термоядерні реакції. Ці процеси є джерелом колосальної енергії, завдяки якій зорі світять і забезпечують існування життя у Всесвіті.