Страница 135 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие элементарные частицы составляют ядро атома? Как определить заряд ядра атома, количество протонов в ядре, количество нейтронов, массовое число элемента?

Какие элементарные частицы составляют ядро атома?
Ядро атома состоит из двух типов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Протоны — это частицы, обладающие положительным электрическим зарядом. Нейтроны не имеют электрического заряда, то есть они нейтральны. Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, вместе называют нуклонами.
Ответ: Ядро атома составляют протоны и нейтроны.

Как определить заряд ядра атома?
Заряд ядра атома является положительным и определяется суммарным зарядом всех протонов, входящих в его состав. Заряд одного протона равен по модулю элементарному заряду $e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ Кл. Чтобы определить заряд ядра ($q_{ядра}$), необходимо умножить количество протонов в ядре ($Z$) на элементарный заряд ($e$): $q_{ядра} = Z \cdot e$
Ответ: Заряд ядра атома равен произведению количества протонов в ядре на величину элементарного заряда.

Как определить количество протонов в ядре?
Количество протонов в ядре является его важнейшей характеристикой, так как именно оно определяет, какому химическому элементу принадлежит атом. Количество протонов ($Z$) в ядре атома равно порядковому (атомному) номеру этого элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
Ответ: Количество протонов в ядре равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева.

Как определить количество нейтронов?
Количество нейтронов ($N$) в ядре можно найти, зная массовое число атома ($A$) и количество протонов ($Z$). Число нейтронов вычисляется как разность между массовым числом и числом протонов: $N = A - Z$ Атомы одного и того же элемента всегда имеют одинаковое число протонов, но могут иметь разное число нейтронов. Такие разновидности атомов называются изотопами.
Ответ: Количество нейтронов равно разности между массовым числом и количеством протонов.

Как определить массовое число элемента?
Массовое число ($A$) — это общее количество нуклонов (то есть протонов и нейтронов вместе) в ядре атома. Оно определяется как сумма числа протонов ($Z$) и числа нейтронов ($N$): $A = Z + N$ Массовое число — это целое число, которое приблизительно равно массе атома, выраженной в атомных единицах массы. В обозначении изотопа массовое число пишется верхним индексом перед символом элемента (например, $^{12}\text{C}$, $^{235}\text{U}$).
Ответ: Массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов в ядре.

2. Сравните между собой элементарные частицы, т. е. найдите общее и различия между протоном и нейтроном, протоном и электроном.

между протоном и нейтроном

Протон и нейтрон — это частицы, которые вместе образуют ядро атома и называются нуклонами. Их сравнение выявляет как фундаментальные сходства, так и ключевые различия.

Общее:

• Обе частицы являются нуклонами, то есть составляют атомное ядро.
• Они имеют очень близкие по значению массы. Масса протона $m_p \approx 1,6726 \times 10^{-27}$ кг, а масса нейтрона $m_n \approx 1,6749 \times 10^{-27}$ кг.
• И протон, и нейтрон относятся к классу адронов (точнее, барионов) и являются составными частицами, состоящими из трех кварков.
• Обе частицы участвуют в сильном ядерном взаимодействии, которое удерживает их вместе в ядре.
• Спин обеих частиц одинаков и равен $1/2$.

Различия:

• Электрический заряд: Протон обладает положительным элементарным зарядом $+e$ (приблизительно $+1,602 \times 10^{-19}$ Кл), в то время как нейтрон электрически нейтрален (заряд равен 0).
• Масса: Нейтрон незначительно тяжелее протона ($m_n > m_p$).
• Стабильность: В свободном состоянии протон является стабильной частицей. Свободный нейтрон, напротив, нестабилен и распадается с периодом полураспада около 15 минут на протон, электрон и электронное антинейтрино. В составе стабильных ядер нейтрон стабилен.
• Кварковый состав: Протон состоит из двух верхних (u) и одного нижнего (d) кварка (схема uud), а нейтрон — из одного верхнего (u) и двух нижних (d) кварков (схема udd).

Ответ: Главное сходство протона и нейтрона в том, что они являются нуклонами с почти одинаковой массой, участвующими в сильном взаимодействии. Ключевое различие заключается в их электрическом заряде (протон положителен, нейтрон нейтрален) и стабильности в свободном состоянии (протон стабилен, нейтрон нет).

между протоном и электроном

Протон и электрон являются фундаментальными составляющими любого атома, но относятся к разным классам частиц и обладают кардинально различными свойствами.

Общее:

• Обе частицы являются неотъемлемыми компонентами атома.
• Модуль (абсолютная величина) их электрического заряда одинаков и равен элементарному заряду $e \approx 1,602 \times 10^{-19}$ Кл.
• Обе частицы являются стабильными.
• Спин обеих частиц равен $1/2$.

Различия:

• Масса: Протон значительно (примерно в 1836 раз) тяжелее электрона. Масса протона $m_p \approx 1,6726 \times 10^{-27}$ кг, а масса электрона $m_e \approx 9,109 \times 10^{-31}$ кг. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре, состоящем из протонов и нейтронов.
• Знак заряда: Протон имеет положительный заряд ($+e$), а электрон — отрицательный ($-e$).
• Расположение в атоме: Протоны находятся в центре атома, образуя ядро, а электроны движутся вокруг ядра по орбиталям (в электронных оболочках).
• Класс и структура частиц: Протон — это составная частица, адрон (барион), состоящий из кварков. Электрон же, согласно Стандартной модели, является фундаментальной (бесструктурной) частицей и относится к классу лептонов.
• Типы взаимодействий: Протон участвует во всех четырех фундаментальных взаимодействиях: сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Электрон не участвует в сильном взаимодействии.

Ответ: Основное сходство протона и электрона — равенство модуля их заряда. Главные различия заключаются в знаке заряда, колоссальной разнице в массе, расположении в атоме, а также в их природе: протон — тяжелый, составной адрон в ядре, а электрон — легкий, фундаментальный лептон на оболочках.

3. Что называют изотопами? Запишите обозначения изотопов водорода, хлора и калия.

Что называют изотопами?

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер ($Z$), то есть одинаковое число протонов в ядре, но при этом разное массовое число ($A$). Различие в массовых числах обусловлено разным количеством нейтронов в ядре. Так как изотопы одного элемента имеют одинаковое количество протонов и, в случае нейтральных атомов, электронов, они занимают одно и то же место (одну и ту же клетку) в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, отсюда и происходит их название (от греч. isos — равный, одинаковый и topos — место). Химические свойства изотопов одного элемента практически идентичны, но их физические свойства (например, масса, плотность, температура кипения и плавления) могут незначительно отличаться.

Ответ: Изотопы — это атомы одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре.

Запишите обозначения изотопов водорода, хлора и калия.

Стандартное обозначение изотопа имеет вид $ ^{A}_{Z}X $, где $X$ — символ химического элемента, $Z$ — атомный номер (число протонов), а $A$ — массовое число (сумма протонов и нейтронов). Часто атомный номер $Z$ опускают, так как он однозначно определяется символом элемента $X$.

Изотопы водорода (H, Z=1):

• Протий (стабильный, самый распространенный изотоп): $ ^{1}_{1}H $
• Дейтерий (стабильный, "тяжелый водород"): $ ^{2}_{1}H $ или $D$
• Тритий (радиоактивный): $ ^{3}_{1}H $ или $T$

Изотопы хлора (Cl, Z=17):

В природе хлор встречается в виде смеси двух стабильных изотопов:

• Хлор-35: $ ^{35}_{17}Cl $
• Хлор-37: $ ^{37}_{17}Cl $

Изотопы калия (K, Z=19):

Природный калий состоит из трех изотопов:

• Калий-39 (стабильный, самый распространенный): $ ^{39}_{19}K $
• Калий-40 (радиоактивный, но долгоживущий): $ ^{40}_{19}K $
• Калий-41 (стабильный): $ ^{41}_{19}K $

Ответ: Обозначения наиболее распространенных изотопов:
Водород: $ ^{1}_{1}H $, $ ^{2}_{1}H $, $ ^{3}_{1}H $.
Хлор: $ ^{35}_{17}Cl $, $ ^{37}_{17}Cl $.
Калий: $ ^{39}_{19}K $, $ ^{40}_{19}K $, $ ^{41}_{19}K $.

4. Рассчитайте число нейтронов в ядрах атомов: $^{15}\text{N}$, $^{19}\text{F}$, $^{27}\text{Al}$, $^{37}\text{Cl}$, $^{108}\text{Ag}$.

Дано:

Атомы химических элементов: $^{15}N$, $^{19}F$, $^{27}Al$, $^{37}Cl$, $^{108}Ag$.

Найти:

Число нейтронов ($N$) в ядре каждого атома.

Решение:

Число нейтронов $N$ в ядре атома определяется по формуле: $N = A - Z$.

Здесь $A$ — это массовое число, которое равно сумме протонов и нейтронов в ядре. В обозначении изотопа $^{A}X$ оно указывается верхним левым индексом. $Z$ — это зарядовое число, равное числу протонов в ядре. Оно соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.

$^{15}N$

Для атома азота-15 массовое число $A = 15$. Порядковый номер азота (N) в периодической системе $Z = 7$.
Число нейтронов: $N = 15 - 7 = 8$.

Ответ: 8.

$^{19}F$

Для атома фтора-19 массовое число $A = 19$. Порядковый номер фтора (F) в периодической системе $Z = 9$.
Число нейтронов: $N = 19 - 9 = 10$.

Ответ: 10.

$^{27}Al$

Для атома алюминия-27 массовое число $A = 27$. Порядковый номер алюминия (Al) в периодической системе $Z = 13$.
Число нейтронов: $N = 27 - 13 = 14$.

Ответ: 14.

$^{37}Cl$

Для атома хлора-37 массовое число $A = 37$. Порядковый номер хлора (Cl) в периодической системе $Z = 17$.
Число нейтронов: $N = 37 - 17 = 20$.

Ответ: 20.

$^{108}Ag$

Для атома серебра-108 массовое число $A = 108$. Порядковый номер серебра (Ag) в периодической системе $Z = 47$.
Число нейтронов: $N = 108 - 47 = 61$.

Ответ: 61.

5. Вместо символа X запишите соответствующее число или символ химического элемента: $ _{x}^{24}\text{Mg}$, $ _{24}^{52}\text{X}$, $ _{x}^{40}\text{K}$, $ _{19}^{40}\text{X}$.

$_{X}^{24}\text{Mg}$

В стандартном обозначении изотопа химического элемента $_Z^A\text{E}$, верхний левый индекс $A$ обозначает массовое число (сумму протонов и нейтронов в ядре), а нижний левый индекс $Z$ — зарядовое число (количество протонов), которое соответствует порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева.
В данном случае, $X$ — это зарядовое число $Z$ для элемента Магний (Mg). По таблице Менделеева находим, что порядковый номер магния равен 12.
Следовательно, $X=12$.

Ответ: 12.

$_{24}^{52}\text{X}$

Здесь символ $X$ обозначает химический элемент (E). Нам известно его зарядовое число $Z=24$.
Элемент с порядковым номером 24 в периодической таблице — это Хром. Его химический символ — Cr.
Следовательно, $X = \text{Cr}$.

Ответ: Cr.

$_{X}\text{K}$

Символ $X$ находится на месте зарядового числа $Z$ для химического элемента Калий (K). Массовое число не указано, но оно и не требуется для определения зарядового числа.
Порядковый номер калия в периодической таблице равен 19.
Следовательно, $X=19$.

Ответ: 19.

$_{14}\text{X}$

Символ $X$ обозначает химический элемент (E), зарядовое число которого $Z=14$.
Элемент с порядковым номером 14 в периодической таблице — это Кремний. Его химический символ — Si.
Следовательно, $X = \text{Si}$.

Ответ: Si.

6. Определите, сколько различных молекул хлороводорода можно составить из природного изотопа водорода $^1\text{H}$ и двух природных изотопов хлора — $^{35}\text{Cl}$ и $^{37}\text{Cl}$. Рассчитайте их относительные молекулярные массы.

Дано:

Изотоп водорода: $ ^{1}H $

Изотопы хлора: $ ^{35}Cl $ и $ ^{37}Cl $

Относительная атомная масса $A_r(^{1}H) \approx 1$

Относительная атомная масса $A_r(^{35}Cl) \approx 35$

Относительная атомная масса $A_r(^{37}Cl) \approx 37$

Найти:

1. Количество различных молекул хлороводорода ($HCl$).

2. Относительные молекулярные массы ($M_r$) этих молекул.

Решение:

Молекула хлороводорода ($HCl$) состоит из одного атома водорода и одного атома хлора. По условию, для составления молекул доступны один изотоп водорода ($^{1}H$) и два изотопа хлора ($^{35}Cl$ и $^{37}Cl$).

Различные молекулы (изотопологи) можно получить, комбинируя доступные изотопы. Возможны следующие комбинации:

1. Атом водорода $^{1}H$ соединяется с атомом хлора $^{35}Cl$, образуя молекулу $ ^{1}H^{35}Cl $.

2. Атом водорода $^{1}H$ соединяется с атомом хлора $^{37}Cl$, образуя молекулу $ ^{1}H^{37}Cl $.

Таким образом, можно составить две различные по массе молекулы хлороводорода.

Далее рассчитаем относительные молекулярные массы ($M_r$) для каждой из этих молекул. Относительная молекулярная масса соединения равна сумме относительных атомных масс ($A_r$) составляющих его атомов. Для отдельных изотопов относительная атомная масса приблизительно равна их массовому числу (указано вверху слева от символа элемента).

Для молекулы $ ^{1}H^{35}Cl $:

$ M_r(^{1}H^{35}Cl) = A_r(^{1}H) + A_r(^{35}Cl) = 1 + 35 = 36 $

Для молекулы $ ^{1}H^{37}Cl $:

$ M_r(^{1}H^{37}Cl) = A_r(^{1}H) + A_r(^{37}Cl) = 1 + 37 = 38 $

Ответ: можно составить 2 различные молекулы хлороводорода: $ ^{1}H^{35}Cl $ и $ ^{1}H^{37}Cl $. Их относительные молекулярные массы равны 36 и 38 соответственно.

7. Относительная атомная масса брома, приведённая в таблице Д. И. Менделеева, равна 80. Однако изотопа с таким массовым числом не существует. В природе бром представлен изотопами $^\text{79}\text{Br}$ и $^\text{81}\text{Br}$. Рассчитайте число нейтронов в ядрах этих изотопов.

Дано:

Изотопы брома: $^{79}\text{Br}$ и $^{81}\text{Br}$

Найти:

Число нейтронов ($N$) в ядрах изотопов $^{79}\text{Br}$ и $^{81}\text{Br}$.

Решение:

Число нейтронов ($N$) в ядре атома вычисляется как разность между массовым числом ($A$) и зарядовым числом ($Z$), которое равно числу протонов в ядре.

Формула для расчета: $N = A - Z$.

Зарядовое число ($Z$) для химического элемента бром (Br) определяется по его порядковому номеру в периодической таблице Д. И. Менделеева. Для брома $Z = 35$. Число протонов одинаково для всех изотопов одного элемента.

Массовое число ($A$) для каждого изотопа указано в верхнем левом индексе у символа элемента.

1. Для изотопа $^{79}\text{Br}$:

Массовое число $A = 79$.

Число протонов $Z = 35$.

Число нейтронов $N_1 = A - Z = 79 - 35 = 44$.

2. Для изотопа $^{81}\text{Br}$:

Массовое число $A = 81$.

Число протонов $Z = 35$.

Число нейтронов $N_2 = A - Z = 81 - 35 = 46$.

Ответ: в ядре изотопа $^{79}\text{Br}$ содержится 44 нейтрона; в ядре изотопа $^{81}\text{Br}$ содержится 46 нейтронов.

8. Определите количество протонов, нейтронов и электронов в атомах следующих изотопов:

а) $ {}^{34}_{16}\text{S} $;

б) $ {}^{11}_{5}\text{B} $;

в) $ {}^{13}_{6}\text{C} $;

г) $ {}^{79}_{35}\text{Br} $;

д) $ {}^{3}_{1}\text{H} $.

Для определения количества протонов, нейтронов и электронов в атомах изотопов будем использовать обозначение $_{Z}^{A}\text{X}$, где $A$ — массовое число (сумма протонов и нейтронов), а $Z$ — порядковый номер элемента (количество протонов).

а) Для изотопа серы $_{16}^{34}\text{S}$.

Дано:
Массовое число $A = 34$
Порядковый номер $Z = 16$

Массовое число и порядковый номер являются безразмерными величинами, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:
Количество протонов $N_p$ - ?
Количество нейтронов $N_n$ - ?
Количество электронов $N_e$ - ?

Решение:
Количество протонов ($N_p$) в ядре атома равно его порядковому номеру $Z$.
$N_p = Z = 16$
Поскольку атом электронейтрален, количество электронов ($N_e$) равно количеству протонов.
$N_e = N_p = 16$
Количество нейтронов ($N_n$) в ядре находится как разность между массовым числом $A$ и порядковым номером $Z$.
$N_n = A - Z = 34 - 16 = 18$

Ответ: 16 протонов, 18 нейтронов, 16 электронов.

б) Для изотопа бора $_{5}^{11}\text{B}$.

Дано:
Массовое число $A = 11$
Порядковый номер $Z = 5$

Массовое число и порядковый номер являются безразмерными величинами, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:
Количество протонов $N_p$ - ?
Количество нейтронов $N_n$ - ?
Количество электронов $N_e$ - ?

Решение:
Количество протонов равно порядковому номеру $Z$.
$N_p = Z = 5$
Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов.
$N_e = N_p = 5$
Количество нейтронов равно разности массового числа $A$ и порядкового номера $Z$.
$N_n = A - Z = 11 - 5 = 6$

Ответ: 5 протонов, 6 нейтронов, 5 электронов.

в) Для изотопа углерода $_{6}^{13}\text{C}$.

Дано:
Массовое число $A = 13$
Порядковый номер $Z = 6$

Массовое число и порядковый номер являются безразмерными величинами, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:
Количество протонов $N_p$ - ?
Количество нейтронов $N_n$ - ?
Количество электронов $N_e$ - ?

Решение:
Количество протонов равно порядковому номеру $Z$.
$N_p = Z = 6$
Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов.
$N_e = N_p = 6$
Количество нейтронов равно разности массового числа $A$ и порядкового номера $Z$.
$N_n = A - Z = 13 - 6 = 7$

Ответ: 6 протонов, 7 нейтронов, 6 электронов.

г) Для изотопа брома $_{35}^{79}\text{Br}$.

Дано:
Массовое число $A = 79$
Порядковый номер $Z = 35$

Массовое число и порядковый номер являются безразмерными величинами, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:
Количество протонов $N_p$ - ?
Количество нейтронов $N_n$ - ?
Количество электронов $N_e$ - ?

Решение:
Количество протонов равно порядковому номеру $Z$.
$N_p = Z = 35$
Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов.
$N_e = N_p = 35$
Количество нейтронов равно разности массового числа $A$ и порядкового номера $Z$.
$N_n = A - Z = 79 - 35 = 44$

Ответ: 35 протонов, 44 нейтрона, 35 электронов.

д) Для изотопа водорода (трития) $_{1}^{3}\text{H}$.

Дано:
Массовое число $A = 3$
Порядковый номер $Z = 1$

Массовое число и порядковый номер являются безразмерными величинами, перевод в систему СИ не требуется.

Найти:
Количество протонов $N_p$ - ?
Количество нейтронов $N_n$ - ?
Количество электронов $N_e$ - ?

Решение:
Количество протонов равно порядковому номеру $Z$.
$N_p = Z = 1$
Количество электронов в нейтральном атоме равно количеству протонов.
$N_e = N_p = 1$
Количество нейтронов равно разности массового числа $A$ и порядкового номера $Z$.
$N_n = A - Z = 3 - 1 = 2$

Ответ: 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.