Страница 168 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

46.1 [1211] Укажите, какая часть атома несёт положительный заряд, а какая — отрицательный.

46.1 [1211]
Согласно современным представлениям о строении атома, он состоит из центрального ядра и электронной оболочки.
Часть атома, которая несёт положительный заряд, — это атомное ядро. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный электрический заряд, в то время как нейтроны электрически нейтральны. Поэтому весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре.
Часть атома, которая несёт отрицательный заряд, — это электроны, составляющие электронную оболочку. Электроны — это элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, которые движутся вокруг ядра.
В нейтральном атоме суммарный положительный заряд ядра равен суммарному отрицательному заряду электронов, поэтому атом в целом является электрически нейтральным.

Ответ: положительный заряд несёт атомное ядро, а отрицательный заряд — электроны (электронная оболочка).

46.2 [1213] Вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов.

Сколько протонов имеет ядро атома кислорода?

Дано:

Число электронов в атоме кислорода: $N_e = 8$

Найти:

Число протонов в ядре атома кислорода: $N_p$

Решение:

Атом в своем нормальном состоянии является электрически нейтральным. Это означает, что его суммарный электрический заряд равен нулю. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него.

Заряд ядра определяется числом протонов в нем ($N_p$), так как каждый протон имеет положительный заряд, равный по модулю элементарному заряду $e$. Суммарный заряд ядра равен $Q_{ядра} = N_p \cdot e$.

Суммарный заряд всех электронов ($N_e$) равен $Q_{электронов} = -N_e \cdot e$, так как каждый электрон несет отрицательный заряд $-e$.

Условие электронейтральности атома выглядит следующим образом:
$Q_{ядра} + Q_{электронов} = 0$
$N_p \cdot e - N_e \cdot e = 0$

Из этого уравнения следует, что число протонов в ядре должно быть равно числу электронов в атоме:
$N_p = N_e$

Согласно условию задачи, вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов, то есть $N_e = 8$. Следовательно, число протонов в ядре также равно 8.
$N_p = 8$

Ответ: ядро атома кислорода имеет 8 протонов.

46.3 [1218] На рисунке VII-1 схематически изображены атом и ион водорода. На каком рисунке (а или б) изображён ион? Какой заряд представляет собой этот ион?

Рис. VII-1

Решение

Атом является электрически нейтральной частицей. Это означает, что положительный заряд ядра, состоящего из протонов, полностью компенсируется отрицательным зарядом электронов, движущихся вокруг ядра. Атом водорода в своем нормальном, нейтральном состоянии состоит из одного протона в ядре (положительный заряд) и одного электрона (отрицательный заряд), вращающегося вокруг него. Эта модель соответствует рисунку б), где показан и положительный центр (ядро), и отрицательный электрон на орбите. Суммарный заряд такой системы равен нулю.

Ион — это атом или группа атомов, которые приобрели электрический заряд в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. На рисунке а) изображена частица, состоящая только из положительно заряженного ядра, при этом электрон отсутствует. Это означает, что исходный нейтральный атом водорода потерял свой единственный электрон. Следовательно, на рисунке а) изображён ион водорода.

Поскольку этот ион образовался в результате потери электрона, который имеет отрицательный заряд, в составе частицы остался только протон, обладающий положительным зарядом. Таким образом, ион на рисунке а) представляет собой положительный заряд. Такой ион называют положительным ионом водорода или протоном ($H^+$).

Ответ: ион изображён на рисунке а); этот ион представляет собой положительный заряд.

46.4 [1221] На рисунке VII-2, а схематически изображён атом гелия. Что изображено на рисунке VII-2, б?

a)

б)

Рис. VII-2

а) На рисунке VII-2, а показана планетарная модель атома. В центре находится ядро, содержащее две частицы с положительным зарядом (протоны) и две частицы без заряда (нейтроны). Суммарный заряд ядра равен $+2e$, где $e$ — элементарный заряд. Вокруг ядра по орбите движутся два электрона, суммарный заряд которых составляет $-2e$. Общий заряд системы равен нулю ($+2e - 2e = 0$), следовательно, это электрически нейтральный атом. Атом, в ядре которого находится два протона, является атомом гелия ($He$), что совпадает с условием задачи.

Ответ: На рисунке VII-2, а изображен нейтральный атом гелия.

б) На рисунке VII-2, б показана частица с таким же ядром, как и у атома гелия (два протона и два нейтрона). Заряд ядра составляет $+2e$. Однако вокруг ядра движется только один электрон с зарядом $-e$. В результате суммарный заряд частицы является положительным: $+2e + (-e) = +1e$. Атом, потерявший один или несколько электронов, превращается в положительный ион. Следовательно, на рисунке изображен однократно ионизированный атом гелия, то есть положительный ион гелия.

Ответ: На рисунке VII-2, б изображен положительный ион гелия ($He^+$).

46.5 [1220] Известно, что литий имеет три электрона. С учётом этого начертите схемы положительно и отрицательно заряженных ионов лития с массовым числом 6; гелия (имеющего два электрона).

Дано:

Число электронов в нейтральном атоме лития (Li): $N_e = 3$.
Массовое число изотопа лития: $A_{Li} = 6$.
Число электронов в нейтральном атоме гелия (He): $N_e = 2$.

Найти:

Начертить схемы (описать состав) для:
- положительно заряженного иона лития ($Li^+$)
- отрицательно заряженного иона лития ($Li^-$)
- атома гелия (He)

Решение:

Для описания схемы атома или иона необходимо определить количество протонов ($p^+$), нейтронов ($n^0$) и электронов ($e^-$). Число протонов ($Z$) в ядре определяет химический элемент. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Массовое число ($A$) - это общее число протонов и нейтронов в ядре: $A = Z + N$.

Схема положительно заряженного иона лития с массовым числом 6

Из условия известно, что нейтральный атом лития имеет 3 электрона, следовательно, число протонов в его ядре также равно 3 ($Z_{Li} = 3$).
Число нейтронов ($N$) для изотопа лития с массовым числом $A=6$ находим по формуле $N = A - Z$:
$N = 6 - 3 = 3$ нейтрона.
Ядро данного изотопа лития содержит 3 протона и 3 нейтрона.
Положительный ион ($Li^+$) образуется, когда нейтральный атом теряет один электрон. Количество электронов в ионе $Li^+$: $3 - 1 = 2$ электрона.
Таким образом, схема иона $^6_3Li^+$: ядро (3 протона, 3 нейтрона) и 2 электрона на электронной оболочке.

Ответ: Схема положительно заряженного иона лития ($^6_3Li^+$) включает ядро, состоящее из 3 протонов и 3 нейтронов, и электронную оболочку, на которой находятся 2 электрона.

Схема отрицательно заряженного иона лития с массовым числом 6

Состав ядра этого иона такой же, как и у нейтрального атома: 3 протона и 3 нейтрона.
Отрицательный ион ($Li^-$) образуется, когда нейтральный атом присоединяет один электрон.
Количество электронов в ионе $Li^-$: $3 + 1 = 4$ электрона.
Таким образом, схема иона $^6_3Li^-$: ядро (3 протона, 3 нейтрона) и 4 электрона на электронной оболочке.

Ответ: Схема отрицательно заряженного иона лития ($^6_3Li^-$) включает ядро, состоящее из 3 протонов и 3 нейтронов, и электронную оболочку, на которой находятся 4 электрона.

Схема гелия

В условии указано, что гелий имеет 2 электрона. Это соответствует нейтральному атому гелия, у которого число протонов в ядре равно числу электронов: $Z_{He} = 2$.
В задаче не указан конкретный изотоп гелия. Будем рассматривать самый распространенный изотоп — гелий-4 ($^4He$), у которого массовое число $A = 4$.
Число нейтронов в ядре гелия-4: $N = A - Z = 4 - 2 = 2$ нейтрона.
Таким образом, схема атома $^4_2He$: ядро (2 протона, 2 нейтрона) и 2 электрона на электронной оболочке.

Ответ: Схема нейтрального атома гелия ($^4_2He$) включает ядро, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов, и электронную оболочку, на которой находятся 2 электрона.

46.6 [1227] Какое изменение произошло с атомом кислорода, если он превратился в положительно заряженный ион?

Решение

Атом в своем обычном, нейтральном состоянии является электрически незаряженным. Это связано с тем, что число положительно заряженных частиц (протонов) в его ядре равно числу отрицательно заряженных частиц (электронов) на электронных оболочках. Суммарный заряд такого атома равен нулю.

Ион — это заряженная частица, которая образуется из атома в результате потери или присоединения электронов. Процесс образования иона называется ионизацией.

Если атом превращается в положительно заряженный ион (также называемый катионом), это означает, что он потерял один или несколько электронов. В этом случае число протонов в ядре (которое не изменяется) становится больше, чем число оставшихся электронов. Возникает избыток положительного заряда, который и определяет заряд иона.

Таким образом, для превращения нейтрального атома кислорода в положительно заряженный ион, атом должен был отдать один или несколько своих электронов. Например, при потере одного электрона ($e^{-}$) образуется ион $O^{+}$:

$O \rightarrow O^{+} + e^{-}$

Ответ: атом кислорода потерял один или несколько электронов.

46.7 [н] Что произойдёт с нейтральным атомом какого-либо вещества, если отнять у него электрон; передать атому лишний электрон; лишить его всех электронов?

Нейтральный атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов, поэтому суммарный электрический заряд атома равен нулю. Обозначим число протонов (и электронов в нейтральном атоме) как $Z$. Заряд ядра равен $+Ze$, а суммарный заряд электронов $-Ze$, где $e$ — элементарный заряд.

отнять у него электрон

Если у нейтрального атома отнять один электрон, то число протонов в ядре ($Z$) станет больше, чем число оставшихся электронов ($Z-1$). В результате этого нарушения баланса зарядов атом приобретет положительный заряд, равный $q = +Ze - (Z-1)e = +Ze - Ze + e = +e$. Такой атом перестает быть нейтральным и превращается в положительно заряженный ион, который также называют катионом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией.

Ответ: атом превратится в положительно заряженный ион (катион).

передать атому лишний электрон

Если нейтральному атому передать один лишний электрон, то общее число электронов ($Z+1$) станет больше, чем число протонов в ядре ($Z$). Это приведет к возникновению избыточного отрицательного заряда, равного $q = +Ze - (Z+1)e = +Ze - Ze - e = -e$. В этом случае атом превратится в отрицательно заряженный ион, который называют анионом.

Ответ: атом превратится в отрицательно заряженный ион (анион).

лишить его всех электронов

Если у атома отнять все его электроны, то от атома останется только его ядро. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Таким образом, оставшаяся частица будет иметь значительный положительный заряд, равный суммарному заряду всех протонов в ядре, то есть $q = +Ze$. Эта частица является полностью ионизированным атомом, или, другими словами, "голым" ядром. Например, для атома водорода (1 протон, 1 электрон) такой частицей будет протон, а для атома гелия (2 протона, 2 нейтрона, 2 электрона) — альфа-частица.

Ответ: от атома останется только его положительно заряженное ядро.

46.8 [1228] Чем положительно заряженный ион газа отличается от молекулы газа?

Молекула любого вещества, в том числе и газа, в обычном состоянии является электрически нейтральной. Это означает, что суммарный положительный заряд протонов, входящих в состав ядер атомов этой молекулы, полностью компенсируется суммарным отрицательным зарядом всех ее электронов. В результате чистый электрический заряд молекулы равен нулю.

Положительно заряженный ион газа (катион) — это та же самая молекула, но потерявшая один или несколько своих электронов. Процесс потери электронов называется ионизацией. Ионизация может произойти под воздействием различных факторов: сильного нагрева, столкновения с частицами высокой энергии (например, при электрическом разряде в газе), поглощения ультрафиолетового или рентгеновского излучения.

Таким образом, ключевые отличия положительного иона от молекулы заключаются в следующем:

1. Электрический заряд. Это основное отличие. Молекула нейтральна, а ион имеет положительный заряд, поскольку количество протонов в нем превышает количество оставшихся электронов.
2. Количество электронов. У положительного иона недостаток электронов по сравнению с нейтральной молекулой. Величина положительного заряда иона (например, +1, +2) как раз и определяется количеством потерянных электронов.
3. Взаимодействие с электромагнитными полями. Будучи заряженной частицей, ион активно взаимодействует с электрическим полем (движется вдоль его силовых линий) и с магнитным полем (на него действует сила Лоренца, если он движется). Нейтральная молекула не испытывает такого силового воздействия.
4. Масса. Масса иона незначительно меньше массы исходной молекулы, так как электрон имеет массу ($m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}$ кг). Однако это различие пренебрежимо мало по сравнению с общей массой молекулы.
5. Химическая активность. Ионы, как правило, значительно более химически активны, чем нейтральные молекулы, из-за наличия заряда и стремления к восстановлению электронной стабильности.

Ответ: Положительно заряженный ион газа отличается от молекулы газа тем, что он имеет избыточный положительный электрический заряд из-за потери одного или нескольких электронов. Вследствие этого у иона, в отличие от нейтральной молекулы, нарушен баланс между количеством протонов и электронов.

46.9 [1226] Известно, что в состав атома лития с массовым числом 6 входят 3 протона. Сколько всего частиц в атоме лития? Назовите их.

Дано:

Атом лития ($_{3}^{6}\textrm{Li}$)

Массовое число: $A = 6$

Число протонов (зарядовое число): $Z = 3$

Найти:

Общее число частиц в атоме — ?

Названия этих частиц — ?

Решение:

Атом состоит из атомного ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов.

1. Найдем число нейтронов ($N$) в ядре.

Массовое число $A$ — это общее число протонов $Z$ и нейтронов $N$ в ядре:

$A = Z + N$

Отсюда можем выразить число нейтронов:

$N = A - Z$

Подставим известные из условия значения:

$N = 6 - 3 = 3$

Следовательно, в ядре атома лития находится 3 нейтрона.

2. Найдем число электронов.

Атом является электронейтральной частицей, поэтому суммарный положительный заряд протонов в ядре равен суммарному отрицательному заряду электронов. Так как заряд одного протона по модулю равен заряду одного электрона, то их количество в нейтральном атоме одинаково.

Число электронов = Число протонов = $Z = 3$

Значит, в атоме лития 3 электрона.

3. Найдем общее число частиц в атоме.

Общее число частиц в атоме равно сумме числа протонов, нейтронов и электронов.

Всего частиц = (число протонов) + (число нейтронов) + (число электронов)

Всего частиц = $3 + 3 + 3 = 9$

Таким образом, в состав атома лития с массовым числом 6 входят 3 протона, 3 нейтрона и 3 электрона. Общее количество частиц — 9.

Ответ: всего в атоме лития 9 частиц. Это 3 протона, 3 нейтрона и 3 электрона.

46.10 [1219] Что имеет большую массу: атом водорода или положительно заряженный ион водорода? Ответ обоснуйте.

Решение

Нейтральный атом водорода (в его самом распространенном изотопе, протии) состоит из ядра, содержащего один протон, и одного электрона, движущегося вокруг ядра. Масса атома водорода ($m_{атома}$) равна сумме масс составляющих его частиц — протона ($m_p$) и электрона ($m_e$). Вкладом энергии связи можно пренебречь.

$m_{атома} = m_p + m_e$

Положительно заряженный ион водорода ($H^+$) — это атом водорода, который потерял свой единственный электрон. Таким образом, ион водорода представляет собой только ядро, то есть один протон. Его масса ($m_{иона}$) равна массе протона:

$m_{иона} = m_p$

Сравнивая массы, мы видим, что масса атома водорода больше массы иона водорода на величину массы электрона ($m_e \approx 9.11 \cdot 10^{-31}$ кг). Так как электрон обладает массой, пусть и очень малой, масса атома водорода всегда будет больше массы его положительного иона.

Ответ: большую массу имеет атом водорода, так как в его состав, в отличие от положительно заряженного иона, входит электрон, обладающий массой.

46.11 [н] Атом водорода изображён на рисунке VII-1, б, а атом гелия — на рисунке VII-2, а. Во сколько раз различаются массовые числа этих атомов?

Выберите правильный ответ:

1) в 2 раза 3) в 4 раза

2) в 3 раза 4) в 5 раз

а)

б)

Рис. VII-1

а)

б)

Рис. VII-2

Для решения этой задачи необходимо определить массовые числа атома водорода (согласно рисунку VII-1, б) и атома гелия (согласно рисунку VII-2, а), а затем найти их отношение.

Дано:
Модель атома водорода (H) по рис. VII-1, б.
Модель атома гелия (He) по рис. VII-2, а.

Найти:
Во сколько раз различаются массовые числа, т.е. найти отношение $\frac{A_{He}}{A_H}$.

Решение:
Массовое число ($A$) атома равно сумме числа протонов ($Z$) и нейтронов ($N$) в его ядре: $A = Z + N$. Протоны на схемах обозначены знаком «+», а нейтроны — кружками без знака.

1. Определим массовое число для атома водорода, изображенного на рисунке VII-1, б.
Ядро этого атома состоит из одной частицы с положительным зарядом (одного протона) и не содержит нейтронов.
Число протонов $Z_H = 1$.
Число нейтронов $N_H = 0$.
Массовое число атома водорода: $A_H = Z_H + N_H = 1 + 0 = 1$.

2. Определим массовое число для атома гелия, изображенного на рисунке VII-2, а.
Ядро этого атома состоит из двух частиц с положительным зарядом (двух протонов) и двух нейтральных частиц (двух нейтронов).
Число протонов $Z_{He} = 2$.
Число нейтронов $N_{He} = 2$.
Массовое число атома гелия: $A_{He} = Z_{He} + N_{He} = 2 + 2 = 4$.

3. Найдем, во сколько раз различаются массовые числа этих атомов, вычислив их отношение:
$\frac{A_{He}}{A_H} = \frac{4}{1} = 4$.

Следовательно, массовое число атома гелия в 4 раза больше массового числа атома водорода. Этот результат соответствует варианту ответа под номером 3.

Ответ: 3) в 4 раза.