Водород и всё-всё-всё – ч. 2.1: нуклиды (атомный номер и избыток нейтронов)⁠⁠

Итак, рассмотрим основные характеристики нуклидов.

Как известно, ядро атома образуют два типа частиц: протоны (p или p⁺) и нейтроны (n или n⁰). Соответственно, нам понадобится два базовых показателя, характеризующих состав ядра атома: число протонов (Z) и число нейтронов (N). Почему число нейтронов обозначается символом N, думаю, понятно, а вот по поводу символа Z поговорим отдельно.

Те, кто знаком с обозначениями числовых множеств, сразу же признает в Z обозначение множества целых чисел ℤ – и будет совершенно прав. Как символ ℤ происходит от нем. Zahlen (/ˈtsaːlən/, цален) – "номера", "числа", так и символ Z означает Zahl – "номер", т.е. буквально "номер, под которым элемент значится в периодической таблице". Это обозначение появилось ещё тогда, когда о строении ядра ничего не было известно, а элементы в таблице просто упорядочивались по атомному весу. И только после 1915 года, когда выяснилось, что номер элемента совпадает с зарядом ядра атома, термин расширили до Atomzahl, оставив обозначение прежним: Z. Теперь мы также знаем, что заряд ядра атома равен числу протонов в ядре, поэтому все эти термины являются синонимами:

– порядковый номер;

– атомный номер;

– атомное число;

– зарядовое число;

– число протонов.

(также атомному номеру равно число электронов в нейтральном атоме).

Здесь необходимо заметить, что на практике число нейтронов N обычно не используется для описания нуклида, а вторым по важности после атомного номера Z является массовое число A – суммарное количество протонов и нейтронов: A = Z + N. Для символа здесь также использовано немецкое слово: Atomgewicht – т.е. буквально "атомный вес". Такой выбор термина вполне оправдан, т.к. массовое число приблизительно равно атомной массе нуклида (выраженной в атомных единицах массы).

Мы перечислили уже три характеристики нуклида, а вы пока ещё не услышали для себя ничего нового. Введём четвёртую характеристику: избыток нейтронов. Вполне логично, что если у нас имеется сумма числа протонов и нейтронов, то должна быть и разность: D = N – Z. Символ D здесь обозначает difference number. Исторически этот показатель также называют изотопическим числом (isotopic number) и альтернативно обозначают символом I.

Итак, у нас имеется четыре характеристики нуклида:

– число протонов Z

– число нейтронов N

– массовое число A = Z + N

– избыток нейтронов D = N – Z

Образуем из них символ нуклида.

Атомный номер Z, по сути, является синонимом символа элемента и факультативно указывается в левом нижнем углу:

То есть выражения "водород", "первый элемент", H и ₁H все обозначают одно и то же – химический элемент водород. Сам по себе атомный номер никакой дополнительной смысловой нагрузки не несёт и часто опускается (т.к. символа элемента вполне достаточно).

А вот массовое число A уже характеризует конкретный нуклид и именно оно обычно и участвует в описании нуклида в тексте. Массовое число указывается в левом верхнем углу самостоятельно:

либо вместе с атомным номером:

Последний вариант обозначения является так называемой стандартной AZE-нотацией: массовое число A – атомный номер Z – символ элемента E. Приведём несколько примеров для первых элементов таблицы:

Но чаще в тексте нуклид указывается только с массовым числом, причём возможны следующие комбинации: углерод-12, C-12, ¹²C – всё это обозначает самый распространённый нуклид углерода.

Итак, символ элемента (E) и массовое число (A) фактически однозначно определяют нуклид.

Число нейтронов N обычно самостоятельно не указывается, а присутствует в описании символа нуклида только вместе с атомным номером Z (и массовым числом A):

Это так называемый полный символ нуклида:

Как вы можете убедиться, сумма двух нижних индексов (Z + N) равна верхнему левому индексу (A).

А как же четвёртый показатель – избыток нейтронов D? Дело в том, что он, по сути, является избыточным и ничего нового к описанию нуклида уже не добавляет, поэтому не используется практически никогда. Вы вряд ли сегодня найдёте о нём много информации (а также о его синониме: изотопическом числе I – если только вы не знакомы с англоязычной литературой столетней давности: примерно тогда этот термин и был введён). Тем не менее (т.к. у нас имеется ещё одно вакантное место для индекса) в учебных целях вы можете указать его в верхнем правом углу:

Впоследствии это нам ещё пригодится. Если вы рассчитаете избыток нейтронов для приведённой выше цепочки нуклидов, то получите:

Как вы можете заметить, в двух случаях (¹H и ³He) избыток нейтронов отрицателен и равен (–1). У трёх нуклидов число протонов и нейтронов одинаково и избыток нейтронов равен 0: ²H, ⁴He, ⁶Li – это нуклиды с чётным массовым числом, равным удвоенному атомному номеру: A = 2Z. Также нам встречаются нуклиды с положительным избытком нейтронов, равным 1: ³H, ⁷Li, ⁹Be – у них в ядре нейтронов на 1 больше, чем протонов.

Разберём все три случая.

1. Отрицательный избыток нейтронов у стабильных нуклидов встречается всего дважды, и оба эти нуклида мы уже перечислили. Это лёгкий нуклид водорода – протий ¹H (его ядром является протон) и лёгкий нуклид гелия ³He (его ядро называется гелион – заметьте, именно ядро). Все остальные стабильные нуклиды имеют нулевой или положительный избыток нейтронов (и чем ближе к концу таблицы, тем более положительный).

2. Нулевой избыток нейтронов встречается у стабильных нуклидов до кальция включительно. Знать такие нуклиды может быть очень полезно, т.к. это позволяет быстро в уме оценить атомную массу элемента (конечно, тем, кому такие навыки в принципе могут пригодиться).

Разберём несколько практических задач. Во-первых, среди четырёх основных органообразующих элементов – CHON ("чён") – три элемента (кроме водорода) представлены в природе в основном стабильными нуклидами с нулевым избытком нейтронов: ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O. Если в школе вы выучили хотя бы первые три периода таблицы на память (как считалочку), то вам не составит труда вспомнить атомный номер элемента Z, посчитать его массовое число A = 2Z и определить атомную массу:

Z = 6, A = 2·6 = 12 – для углерода ₆C

Z = 7, A = 2·7 = 14 – для азота ₇N

Z = 8, A = 2·6 = 16 – для кислорода ₈O

Конечно, всё это очень простые, элементарные вещи, но теперь вы можете объяснить, почему у этих элементов такие красивые круглые (и чётные!) атомные массы.

Но где всё это в принципе может пригодиться? Ну, например, вы хотите посчитать среднюю молекулярную массу воздуха. Вы прекрасно помните, что воздух состоит из азота N₂ (80%) и кислорода O₂ (20%). Даже если вы забудете про кислород, а возьмёте 100% азота , ваша оценка уже будет очень близкой к реальности:

M(возд.) = M(N₂) = 2·14 = 28 г/моль.

Добавив кислород, вы получите:

M(возд.) = 0.8·2·14 + 0.2·2·16 = 28.8 г/моль

Это уже очень хорошая оценка (учёт аргона и углекислого газа сильно её не изменит).

Но для чего же нам может понадобиться средняя молекулярная масса воздуха? Например, с её помощью вы сможете оценить, где будет скапливаться газ, идущий из открытой, но незажжённой горелки.

Для этого нам потребуется молярная масса природного газа – метана CH₄:

M(CH₄) = 12 + 4∙1 = 16 г/моль

и сжиженного газа – пропана C₃H₈:

M(C₃H₈) = 3∙12 + 8∙1 = 44 г/моль.

Всё это мы уже умеем считать в уме.

Как видно из расчётов, метан (идущий по централизованной трубе) почти в 2 раза легче воздуха и быстро выветривается через открытую форточку (а если форточка закрыта, то через вентиляцию). Пропан же (привезённый в баллоне) в 1.5 раза тяжелее воздуха и никуда не выветривается, а скапливается слоем внизу комнаты и быстро вспыхивает от искры непредусмотрительно нажатого настенного выключателя (к тому же взрывоопасность пропана в 2 раза выше, чем у метана, и ему нужна меньшая концентрация для взрыва). Насколько эта информация может быть полезна? – Думаю, может. Например, она может вам подсказать, что вентиляция на кухне всегда должна быть открыта и исправна. И тогда всё будет в порядке.

3. Мы уже освежили в памяти довольно большой объём информации, но рассмотрим кратко последний пункт и вспомним про элементы с положительным избытком нейтронов (таких элементов в периодической таблице большинство).

Из полного списка шести органообразующих элементов – CHONPS ("чёнпс") – два последних (фосфор и сера) по этому признаку отличаются. Фосфор ₁₅P – единственный из списка, имеющий положительный избыток нейтронов D = 1 (нуклид ³¹P), а сера ₁₆S присоединяется к углероду, азоту и кислороду и представлена в основном нуклидом ³²S с нулевым избытком нейтронов.

На этом пока всё. Продолжим в следующей части, где мы разберём типы нуклидов и узнаем, что же это за зверь такой – изодиаферы, а также познакомимся с зеркальными ядрами и ядерными изомерами.