Биология. В 3-х томах. Т. 1

В состав атома входят протоны, нейтроны и электроны (табл. П.1.1). Массы протонов и нейтронов равны и в сумме составляют массу атомного ядра. Масса электронов во много раз меньше, чем масса протонов и нейтронов, поэтому под массой атома подразумевают только массу его ядра.

Таблица П.1.1. Положение в атоме, масса и заряд протонов, нейтронов и электронов

Нейтрон состоит из одного протона и одного электрона, поэтому он электрически нейтрален, т. е. его заряд равен нулю.

Атом электрически нейтрален, потому что число протонов в его ядре равно числу электронов, движущихся вокруг ядра.

Число протонов в ядре атома называется атомным номером данного элемента. Он также равен числу электронов этого атома. Сумма числа протонов и числа нейтронов данного атома называется его массовым числом.

Атомы одного и того же элемента существуют в разных формах, называемых изотопами, которые отличаются друг от друга массовым числом (разд. П.1.3). Атомной массой называют среднюю массу данного атома; обычно под этим понимается средняя величина для природной смеси его изотопов. Хлор, например, представляет собой смесь изотопов с массовыми числами 35 и 37; соотношение этих изотопов таково, что у встречающегося в природе хлора атомная масса равна 35,5.

В настоящее время известно свыше 100 элементов. Их можно расположить в порядке возрастания атомных номеров, как это сделано в табл. П.1.2. Электроны размещаются вокруг ядра, заполняя ряд электронных оболочек (табл. П.1.2). В первой электронной оболочке (ближайшей к ядру и потому наименьшей) могут удерживаться два электрона, во второй — до восьми, в третьей — до 18 и в четвертой — до 32.

Таблица П.1.2. Первые 20 элементов (в порядке возрастания атомных номеров)[34]

У более крупных атомов число электронных оболочек больше четырех, но мы здесь о них говорить не будем. На рис. П.1.1 представлено размещение электронов в электронных оболочках первых 12 элементов.

Рис. П.1.1. Размещение электронов в электронных оболочках первых 12 элементов. (Ядро показано только у атома водорода.)

Любой элемент, у которого внешняя электронная оболочка заполнена целиком, практически нереакционноспособен. По этой причине гелий и неон (табл. П.1.2) настолько инертны, что крайне редко вступают в соединение с другими атомами. Поэтому их называют благородными газами.

Все прочие элементы стремятся заполнить свои электронные оболочки, вступая в реакцию с другими элементами. Когда два атома реагируют друг с другом, образуя соединение, между ними может возникнуть либо ионная, либо ковалентная связь.

П.1.1.2. Ионные связи

При возникновении ионных связей электроны передаются от одного атома к другому. Рассмотрим реакцию между натрием и хлором (рис. П.1.2, А). Атом натрия, теряя электрон, получает положительный заряд +1 (его ядро, содержащее 11 положительно заряженных протонов, окружено теперь 10 отрицательно заряженными электронами). Атом хлора, приобретая электрон, получает отрицательный заряд -1. У обоих атомов внешние электронные оболочки оказываются заполненными и, следовательно, стабильными.

Рис. П.1.2. А Образование хлорида натрия. Б. Образование хлорида кальция. В. Образование молекул хлора (два одинаковых атома связаны ковалентной связью). Г. Формула метана. Д. Формула этена. Для наглядности электроны, принадлежащие разным атомам, обозначены разными значками (крестиком, черными и белыми кружками). В действительности все электроны одинаковы. На рис. В, Г и Д показаны только внешние электронные оболочки

Такие заряженные частицы уже не являются настоящими атомами. Их называют ионами. Ион натрия обозначают Na⁺, а ион хлора (хлорид-ион) — С1^-. Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Соединение, образовавшееся в результате реакции между натрием и хлором, называют хлоридом натрия (формула: NaCl), но молекул NaCl не существует. Вместо молекул кристаллическая решетка хлорида натрия состоит из ионов натрия и хлорид-ионов в равных соотношениях (ионная формула: Na⁺Cl^-). Подобные соединения, образовавшиеся в результате переноса электронов, называются ионными соединениями. Образуются они главным образом тогда, когда металлы реагируют с неметаллами. Металл образует катион, а неметалл-анион. Все соли представляют собой ионные соединения.

Другим типичным примером ионного соединения может служить хлорид кальция (СаС1₂) (рис. П.1.2, Б). В этом случае атом кальция теряет два электрона, а каждый атом хлора приобретает по одному. Ион кальция обозначают поэтому Са⁺⁺ или Са²⁺.