Izotopy i nuklidy

1. Pierwiastki są określone przez liczbę protonów

Chociaż nie jestem hazardzistą, to mogę chyba śmiało założyć, że wiesz już, że atomy składają się z tych samych cząsteczek elementarnych, czyli elektronów, protonów i neutronów. Co jednak sprawia, że jeden atom różni się od drugiego? Wydawałoby się, że jest to liczba elektronów, ale to jednak liczba protonów jest niczym numer PESEL, na podstawie którego zidentyfikujemy dany atom. Przykładowo :

  • atom, który ma sześć protonów w jądrze to musi być węgiel (C)
  • atom, który ma trzydzieści jeden protonów w jądrze to musi być gal (Ga)
  • atom, który ma siedemdziesiąt dziewięć protonów w jądrze to musi być złoto (Au)

A czemu to nie elektrony o tym decydują [1] ? Albo neutrony?

2. Dowód osobisty pierwiastka, czyli przypisujemy liczby A oraz Z

Zgodnie z ogólnie przyjętym schematem dany pierwiastek (o symbolu E) jest opisany przez liczbę masową (A) oraz liczbę atomową (Z). Jaki to ma piękny sens, że liczba atomowa nie ma symbolu A, prawda? Jak fantastycznie, że to się zupełnie przez to nie myli[2]. Na górze zwykle podaje się liczbę masową (o ogólnym, nieintuicyjnym symbolu A), a na dole liczbę atomową (o również dziwnym symbolu Z).

Ogólny schemat zapisywania pierwiastków w układzie okresowym.

Koniecznie musimy zobaczyć jak to wygląda na maturalnym układzie okresowym: 

Jak wyciągnąć maksimum informacji z maturalnego układu okresowego?

Dla wapnia powiedzielibyśmy, że liczba masowa wynosi 40, a zatem musisz zaokrąglić do całości podaną w układzie okresowym masę atomową. Dlaczego ta liczba nie jest całkowita, dowiemy się już za chwilę.

Pamiętajmy, że na masę całego atomu składają się zarówno elektrony, protony jak i neutrony. Na szczęście dla nas, elektrony mają tak malutką masę, że można to zaniedbać i przyjąć, że masa atomu to suma protonów i neutronów. Czyli mówiąc pod kątem bardziej praktycznym : liczba masowa = protony + neutrony[3].

Zadanie 1 :  Podaj liczby A oraz Z , a także liczbę elektronów, neutronów i protonów dla : glinu, chloru oraz jonów Mg2+  ,  N3ー

Zaczynamy od glinu (Al) oraz chloru (Cl). Liczbę masową ogarniamy z masy atomowej zaokrąglając ją do liczby całkowitej. Jeśli chcemy obliczyć liczbę neutronów to wystarczy skorzystać z tego, że liczba masowa (czyli de facto masa atomu) jest równa liczbie protonów (p+) i neutronów (n0). Zwróć uwagę, że liczba elektronów (e) jest równa liczbie protonów, a więc ładunki ujemne = ładunki dodatnie, ponieważ cały atom ma być obojętny (ma mieć ładunek równy zero).

Co znajdziemy w jądrze glinu i chloru?

Kiedy z atomu zabierzemy elektrony lub też je dodamy do atomu, to powstaną nam jony, dla których też musimy umieć ustalić te nasze ,,atomowe parametry”. Dla treningu  zapiszę wszystkie szukane liczby zarówno dla atomu jak i jego jonu. Spójrzmy :

Jak postępować w przypadku jonów? Zwróć uwagę na to, że liczby A i Z pozostają niezmienione.

Zauważ, że w przypadku jonów jedyne co się zmienia to liczba elektronów. Liczba masowa się nie zmienia, ponieważ jak ustaliliśmy, elektrony mają malutką masę. Musi jednak zostać zaburzona równowaga pomiędzy elektronami i protonami, ponieważ mamy mieć ładunek dodatni (dla kationu) lub ujemny (dla anionu).

3. Izotopy, czyli kiedy liczba neutronów ma znaczenie

Ustaliliśmy już, że wszystkie atomy danego pierwiastka mają tyle samo protonów, jednak niekoniecznie mają tyle samo neutronów (a czym się różni właściwie atom od pierwiastka[4] ?). To z kolei oznacza, że atomy danego pierwiastka niekoniecznie mają taką samą masę! I to jest dopiero szok, jak to w ogóle możliwe?!

Przykładowo taki węgiel ma sześć protonów, ale może zawierać różną liczbę neutronów, na przykład 6, 7 czy 8. Wszystkie rodzaje atomów węgla istnieją i każdy z nich ma inną masę. Zobacz jednak, że nieważne którą wersję węgla byśmy wzięli, masa każdego atomu byłaby całkowita (odpowiednio 12, 13 czy 14), a przecież kiedy zerkniemy do układu okresowego to widzimy, że liczba masowa wynosi 12,01 , a więc całkowita to ona nie jest. Pewnie już powoli domyślasz się o co tutaj chodzi.

Spójrzmy na te izotopy węgla i przypiszmy im wartości, niczym policjanci spisujący dane z  dowodu osobistego : 

Izotopy węgla. Izotopy różnią się liczbą neutronów, a przez to i masą.

Wyobraźmy sobie to w ten sposób. Kiedy rzucę hasło ,,pomidor” to wiadomo o co chodzi. Są jednak różne pomidory, o różnej masie. Mamy na przykład klasyczne pomidory oraz ich mniejsze odpowiedniki − pomidory koktajlowe (a jeszcze są pomidory malinowe − maliny pomidorowe, o co w tym wszystkim chodzi ?!). Załóżmy, że na świecie jest 80% pomidorów klasycznych oraz 20% koktajlowych i że ktoś je wsypał do dużego worka i wymieszał.

Ile waży Pomidor koktajlowy - sprawdź kalorie i wagę, obejrzyj zdjęcia
Pomidor koktajlowy o mniejszej masie (powiedzmy 50 g)
Pomidor Babinicz – bardzo plenna odmiana o dorodnych, kulistych owocach -  Rynek Rolny
Zwykły pomidor o większej masie (powiedzmy 200 g)                           


Teraz zanurzamy tam miskę i wyciągamy losowo dziesięć pomidorów. Statystycznie mamy szansę trafić na osiem zwykłych pomidorów oraz dwa małe pomidory. Czyli masa pomidorów, które wyciągnęliśmy z worka wyniesie 8 • 200 + 2 • 50 = 1700 g, czyli średnio jeden pomidor waży 1700 / 10 = 170 g. Ale uwaga − pomidor o takiej masie (170 g) nie istnieje sam w sobie, jest to tylko średnia wartość. Na jej podstawie mogę obliczyć masę dowolnej ilości pomidorów, którą wezmę z worka. Bo jak bym wziął takich pomidorów 20, to ich masa powinna wynosić 20 • 170 = 3400 g.

I właśnie ta masa uśredniona (170 g) to jest ta, która jest podana w układzie okresowym. I dlatego też, nie musi być ona liczbą całkowitą! Czyli na średnią masę atomową składają się wszystkie izotopy, z których każdy z nich charakteryzuje się jakąś zawartością procentową (częstością z jaką występuje)[5] . A maturalne obliczenia z tym związane znajdziesz tutaj.

4. Musisz znać izotopy wodoru

Akurat dla wodoru jest tak, że musisz dodatkowo znać nazwy jego najważniejszych izotopów. Poza tym wodór − 1[6] jest także dobrym przykładem pytania egzaminacyjnego, bo ma zero neutronów. 

Wszystkie izotopy wodoru, zwróć uwagę na liczbę Z każdego z nich

5. Właściwości fizyczne i chemiczne izotopów

Izotopy tego samego pierwiastka z reguły mają podobne właściwości fizyczne i chemiczne. Dopiero kiedy ta różnica mas atomowych izotopów jest większa, to mogą się pojawić różnice w tych właściwościach.  Izotopy danego pierwiastka mogą mieć zatem inną gęstość, temperaturę wrzenia czy topnienia, ale z reguły nie ma wielkich różnic. Co ważne, izotopy tak samo zachowują się w reakcjach chemicznych, dlatego jednym z zastosowań izotopów jest śledzenie reakcji organicznych. 

To tak jakby jeden atom tlenu (18O) dostał kulką od paintballa i dzięki temu się ,,świeci” przez co wiadomo, gdzie on się cały czas znajduje. Pomaga to chemikom w badaniu mechanizmów reakcji.

Reakcja przebiega tak samo, ale trzeba już znać wędrówkę atomów − gdzie wstawić tlen−18 ? Teoretycznie są trzy różne możliwości, ale tylko jedna jest prawidłowa. Na razie jeszcze nie musisz wiedzieć która, to dopiero wyjaśnimy w chemii organicznej. 

6. Nuklidy, czyli naprawdę wredne pojęcie

Nie wiem czemu, ale dla mnie to było na pewno jedno z trudniejszych pojęć. Nuklid to jądro atomowe, które ma jakąś określoną liczbę protonów i neutronów. Dwa nuklidy mogą być izotopami (różnią się liczbą neutronów), ale nie muszą! Czyli izotopy to nuklidy, ale niekoniecznie nuklidy są izotopami.

Jak to zwykle bywa, najlepiej popatrzeć na przykłady  :

Nuklidy, które są jednocześnie izotopami
Nuklidy, które NIE są jednocześnie izotopami
Nuklid nuklidowi nie równy…

Czyli, aby jakaś para była nuklidami, to musi mieć jedną wspólną liczbę… tak po chłopsku. 

Zamysł jest generalnie taki, że izotopy mają się skupiać na właściwościach chemicznych (bo grupują atomy tego samego pierwiastka, np. węgiel−12 , węgiel−13 itd.) , natomiast mówiąc nuklidy bardziej koncentrujemy się na jego właściwościach jądrowych (argon−40 czy potas−40 to inne pierwiastki !).  

7. Tylko nie pomyl nuklidu z nukleonami!

Tutaj łatwo o pomyłkę. Nukleony oznaczają łączną liczbę protonów i neutronów, czyli w sumie liczba nukleonów jest równa liczbie masowej. Na przykład dla wapnia liczba nukleonów to 40, a dla siarki 32.


[1] Elektrony nie mogą być naszym numerem PESEL, ponieważ są przecież jeszcze jony − kationy i aniony. Są to przecież jony tego samego pierwiastka, ale liczba elektronów jest różna (mniejsza lub większa). Numerem PESEL nie mogą być natomiast neutrony, bo w grę wchodzą jeszcze izotopy. 

[2] Głupie symbole A oraz Z mają oczywiście znaczenie, problem jest tylko taki, że pochodzą one z języka niemieckiego, którego raczej rzadko (a jeżeli już to z niechęcią) się uczymy.

A jest od słowa Atomgewicht [tłum. masa atomowa] , natomiast Z pochodzi od Zahl [tłum. numer]

[3] Może ja byłem jakiś słaby, nie wiem. Ale po pierwszych lekcjach chemii (w nieistniejącym już gimnazjum) zakodowałem wzór, że od liczby masowej trzeba odjąć protony, aby obliczyć neutrony. Nikt jednak wytłumaczenia nie podał, bo to wszystko w szkole jest zawsze zorientowane tylko na to, aby potrafić rozwiązać zadania. Musiało minąć parę lat zanim zrozumiałem czemu tak się właściwie robi. Macie/mieliście podobnie? Dla dzielnych czytelników, którzy czytają te dopiski, dorzucę jedną analogię :

To tak jakbyśmy nieśli reklamówkę pełną nektarynek (neutrony) i pomarańczy (protonów), a ktoś dosypałby Wam tam parę piłeczek pingpongowych (elektronów). Generalnie nic się nie zmieniło, nie czujemy różnicy i reklamówkę niesie nam się tak samo ,,ciężko” , bo te piłeczki są leciutkie. Dlatego też czy te elektrony będziemy zabierać czy dodawać, to będziemy przyjmować że masa atomu się nie zmienia.

[4] Pierwiastek to zbiór atomów o tej samej liczbie protonów (ponieważ jak już mówiliśmy, to protony identyfikują nam pierwiastek).

[5] Poniższy obrazek może Ci jeszcze dodatkowo pomóc ze zrozumieniem, o co tutaj chodzi na poziomie mikroskopowym. 

Jak wytłumaczyć fakt, że liczba masowa węgla jest równa 12,01?

[6] Jest jeszcze taka metoda zapisu (notacji, powiedzieliby humaniści), w której zapisujemy np. węgiel−14. Czternastka oznacza tutaj oczywiście liczbę masową, natomiast nie trzeba tak naprawdę zapisywać liczby protonów, ponieważ ona identyfikuje nam pierwiastek i odwrotnie. Zatem od razu wiadomo, że dla węgla liczba protonów wynosi 6 lub odwrotnie − pierwiastek o sześciu protonach to na pewno węgiel.

Leave a Reply

%d bloggers like this: