Электрический заряд атома и иона¶

Заряд атома — суммарная электрическая величина, определяемая разностью между числом протонов в ядре и числом электронов в электронной оболочке. Атом, содержащий равное количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, электрически нейтрален. Если число электронов отклоняется от числа протонов, атом превращается в ион и приобретает положительный или отрицательный заряд. Заряд атома всегда кратен элементарному электрическому заряду — фундаментальной константе, равной приблизительно 1,602·10⁻¹⁹ кулона.

¶Природа заряда

Электрический заряд — фундаментальное свойство материи, определяющее интенсивность электромагнитного взаимодействия. В атоме носителями заряда выступают элементарные частицы двух типов:

• протон — частица ядра с зарядом +1 (в единицах элементарного заряда);
• электрон — частица оболочки с зарядом −1.

Нейтрон, также входящий в состав ядра, заряда не имеет. Поскольку число протонов в ядре определяет химический элемент (атомный номер Z), именно оно задаёт положительный «каркас» заряда, который в нейтральном атоме компенсируется электронами.

Заряд атома не следует путать с зарядом ядра: ядро всегда положительно и равно +Z, тогда как заряд всего атома зависит от состояния электронной оболочки и может быть положительным, отрицательным или нулевым.

¶Нейтральный атом

В невозбуждённом, химически свободном состоянии атом электрически нейтрален: число электронов равно числу протонов. Например, атом водорода содержит один протон и один электрон, атом углерода — шесть протонов и шесть электронов, атом железа — 26 протонов и 26 электронов. Нейтральность атома — устойчивое, но не абсолютное состояние: внешние воздействия легко нарушают баланс.

¶Ионизация и ионы

Процесс отрыва или присоединения электронов называется ионизацией. В результате образуются ионы:

Заряд иона указывают в виде надстрочного индекса: Na⁺, Ca²⁺, Cl⁻, O²⁻. Кратность заряда соответствует числу отданных или принятых электронов. Так, атом натрия, теряя один электрон, превращается в катион Na⁺; атом хлора, присоединяя один электрон, становится анионом Cl⁻.

Ионизация происходит при нагреве, облучении, в электрическом разряде, при растворении веществ в воде и в ходе химических реакций. Энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома, называется энергией ионизации и служит мерой «прочности» связи электрона с ядром.

¶Степень окисления

В химии заряд атома в составе соединения описывают через степень окисления — условный заряд, который атом имел бы, если бы все связи в молекуле были полностью ионными. Это формальная величина: в ковалентных соединениях реального переноса электронов не происходит, но степень окисления удобна для описания окислительно-восстановительных процессов. Например, в молекуле воды атом кислорода имеет степень окисления −2, а каждый атом водорода +1, что в сумме даёт ноль — молекула нейтральна.

¶Заряд и строение электронной оболочки

Заряд атома напрямую связан с распределением электронов по энергетическим уровням и орбиталям. Электроны заполняют оболочки в соответствии с принципом Паули и правилом Хунда. Наибольший вклад в химические свойства вносят электроны внешнего (валентного) уровня: именно они отрываются при ионизации и участвуют в образовании связей.

Атомы стремятся к устойчивой электронной конфигурации, чаще всего соответствующей заполненной внешней оболочке благородного газа. Металлы склонны отдавать электроны (образуя катионы), неметаллы — принимать их (образуя анионы). Это объясняет закономерности периодической системы: элементы одной группы проявляют сходные зарядовые характеристики в соединениях.

¶Методы определения

Заряд атома и иона устанавливают экспериментально и расчётно:

• спектроскопия — по линиям излучения и поглощения определяют состояние ионизации;
• масс-спектрометрия — разделяет частицы по отношению массы к заряду;
• электрохимические методы — измеряют перенос заряда в растворах и расплавах;
• квантово-химические расчёты — оценивают распределение электронной плотности.

В физике высоких энергий и астрофизике состояние ионизации вещества (плазмы) служит ключевым параметром: например, в звёздных атмосферах и межзвёздной среде вещество существует преимущественно в виде ионов и свободных электронов.

¶Значение

Представление о заряде атома лежит в основе понимания химической связи, электропроводности, электролиза, работы гальванических элементов и полупроводниковых приборов. Ионизация определяет свойства плазмы, поведение веществ в растворах, процессы горения и биологическое действие излучения. Понимание зарядовых состояний атомов необходимо в материаловедении, аналитической химии, ядерной физике и электронике.

Источники: учебники по общей и неорганической химии, курсы атомной физики, справочные данные по фундаментальным физическим константам, материалы по масс-спектрометрии и спектроскопии.