Z czego zbudowany jest atom
Atom nie jest pełną kulką. Ma bardzo małe, ciężkie centrum i dużo pustej przestrzeni wokół niego.
W środku znajduje się jądro, a w nim dwa rodzaje cząstek: protony i neutrony. Wokół jądra poruszają się elektrony.
| Cząstka | Gdzie jest | Ładunek | Masa |
|---|---|---|---|
| proton | w jądrze | dodatni (+) | 1 u |
| neutron | w jądrze | brak (0) | 1 u |
| elektron | wokół jądra | ujemny (−) | około 2000 razy mniejsza |
Dwa wnioski z tej tabeli warto od razu zapamiętać.
Cała masa atomu jest praktycznie w jądrze. Elektron waży tak mało, że przy liczeniu masy atomu po prostu go pomijamy.
Atom jako całość jest obojętny elektrycznie. Protonów i elektronów jest tyle samo, więc plusy równoważą minusy.
Warto jeszcze uświadomić sobie proporcje. Gdyby powiększyć atom do rozmiarów stadionu piłkarskiego, jądro byłoby ziarnkiem maku leżącym na środku murawy. Cała reszta to przestrzeń, w której poruszają się elektrony.
Dwie liczby, które opisują atom
W układzie okresowym przy każdym pierwiastku stoją dwie ważne liczby.
Liczba atomowa Z — liczba protonów w jądrze. To ona decyduje, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Każdy atom o 6 protonach to węgiel, o 8 protonach — tlen. Nie ma od tego wyjątków. W atomie obojętnym Z mówi też, ile jest elektronów.
Liczba masowa A — suma protonów i neutronów, czyli to, co faktycznie waży.
Stąd trzy rachunki, które trzeba umieć:
- protony = Z
- elektrony = Z (w atomie obojętnym)
- neutrony = A − Z
Pełny zapis atomu wygląda tak: ²³₁₁Na — na górze liczba masowa, na dole liczba atomowa. Czytamy: sód o liczbie masowej 23 i liczbie atomowej 11, czyli 11 protonów, 11 elektronów i 23 − 11 = 12 neutronów.
Elektrony na powłokach
Elektrony nie krążą byle jak — rozmieszczone są na kolejnych warstwach, zwanych powłokami. Oznaczamy je literami K, L, M, N, licząc od jądra.
Na każdej powłoce mieści się ograniczona liczba elektronów: na K najwyżej 2, na L najwyżej 8, na M najwyżej 18.
Rozmieszczenie zapisujemy po przecinku. Sód ma 11 elektronów, więc: 2, 8, 1 — dwa na K, osiem na L i jeden na M.
Ten ostatni elektron, z warstwy zewnętrznej, jest najważniejszy — to elektron walencyjny i to on decyduje o zachowaniu chemicznym atomu.
Izotopy
Do tej pory mówiliśmy, jakby wszystkie atomy jednego pierwiastka były identyczne. Nie są.
Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów.
Skoro liczba protonów jest ta sama, to nadal jest ten sam pierwiastek. Ale skoro neutronów jest inna liczba, to atomy różnią się masą.
Najprostszy przykład to wodór, który ma trzy izotopy:
| Nazwa | Protony | Neutrony | Liczba masowa A |
|---|---|---|---|
| prot (zwykły wodór) | 1 | 0 | 1 |
| deuter | 1 | 1 | 2 |
| tryt | 1 | 2 | 3 |
Drugi ważny przykład to chlor. W przyrodzie występują dwa jego izotopy: chlor-35 (18 neutronów) i chlor-37 (20 neutronów).
Najważniejsza konsekwencja: izotopy jednego pierwiastka zachowują się chemicznie tak samo. Dlaczego? Bo o chemii decydują elektrony, a tych jest tyle samo. Neutrony nie mają ładunku i w reakcjach nie biorą udziału. Różnica dotyczy wyłącznie masy.
Izotopy mają konkretne zastosowania: węgiel-14 służy do datowania znalezisk archeologicznych, jod-131 do badania i leczenia tarczycy, a uran-235 jest paliwem w elektrowniach jądrowych.
Skąd się bierze masa 35,5
Spójrz na chlor w układzie okresowym: masa atomowa 35,5 u. To dziwna liczba — przecież protony i neutrony ważą po 1 u, więc żaden pojedynczy atom nie może ważyć pół unita. Nie istnieje atom chloru o masie 35,5.
Wyjaśnienie: w układzie okresowym podana jest średnia masa wszystkich izotopów danego pierwiastka występujących w przyrodzie.
Ale nie jest to zwykła średnia. Gdybyśmy policzyli po prostu (35 + 37) ÷ 2, wyszłoby 36. Trzeba uwzględnić, że jednego izotopu jest w przyrodzie więcej niż drugiego. Taką średnią nazywamy ważoną.
Zasada jest ta sama co przy liczeniu średniej ocen z różnymi wagami albo średniej ceny zakupów:
Średnia masa atomowa = (masa₁ × procent₁ + masa₂ × procent₂) ÷ 100
Przykłady rozwiązane krok po kroku
Przykład 1 — liczba cząstek w atomie
Ile protonów, elektronów i neutronów ma atom ³¹₁₅P?
Z = 15, więc protonów jest 15 i elektronów też 15. Neutrony = A − Z = 31 − 15 = 16 neutronów.
Przykład 2 — rozpoznanie pierwiastka
Atom ma 26 protonów i 30 neutronów. Jaki to pierwiastek?
O pierwiastku decyduje liczba protonów, czyli Z = 26. Szukamy w układzie okresowym kratki z liczbą 26 — to żelazo (Fe). Liczba masowa: A = 26 + 30 = 56.
Przykład 3 — średnia masa atomowa chloru
W przyrodzie 75% atomów chloru to chlor-35, a 25% to chlor-37. Oblicz średnią masę atomową chloru.
Podstawiamy do wzoru:
M = (35 × 75 + 37 × 25) ÷ 100 M = (2625 + 925) ÷ 100 M = 3550 ÷ 100 = 35,5 u
Dokładnie tyle, co w układzie okresowym. Zauważ, że wynik jest bliżej 35 niż 37 — bo lżejszego izotopu jest w przyrodzie trzy razy więcej.
Przykład 4 — średnia masa atomowa boru
Bor ma dwa izotopy: bor-10 stanowi 20% atomów, a bor-11 — 80%. Oblicz średnią masę atomową.
M = (10 × 20 + 11 × 80) ÷ 100 = (200 + 880) ÷ 100 = 10,8 u
Przykład 5 — rozumowanie bez liczenia
Miedź ma dwa izotopy: miedź-63 i miedź-65. Średnia masa atomowa miedzi to 63,5 u. Którego izotopu jest w przyrodzie więcej?
Wynik 63,5 leży znacznie bliżej 63 niż 65. Średnia ważona zawsze przesuwa się w stronę tego składnika, którego jest więcej — a więc więcej jest miedzi-63.
Trzy najczęstsze błędy
Mylenie, co odróżnia izotopy. Izotopy różnią się liczbą neutronów. Gdyby zmieniła się liczba protonów, byłby to już inny pierwiastek.
Liczenie zwykłej średniej zamiast ważonej. Dla chloru zwykła średnia daje 36 — wynik błędny. Zawsze trzeba uwzględnić procenty.
Doliczanie masy elektronów. Elektrony są tak lekkie, że przy liczeniu liczby masowej ich nie uwzględniamy. A = protony + neutrony, i nic więcej.
Sprawdź się
- Ile protonów, elektronów i neutronów ma atom ⁴⁰₂₀Ca?
- Czy atom o 8 protonach i 10 neutronach to izotop tlenu? Uzasadnij.
- Neon ma dwa izotopy: neon-20 (90% atomów) i neon-22 (10%). Oblicz średnią masę atomową neonu.
- Dlaczego oba izotopy chloru zachowują się chemicznie tak samo?
Rozwiązania. (1) 20 protonów, 20 elektronów, 40 − 20 = 20 neutronów. (2) Tak — o pierwiastku decyduje liczba protonów, a tlen ma ich 8. Ten atom ma A = 8 + 10 = 18, czyli jest to tlen-18. (3) M = (20 × 90 + 22 × 10) ÷ 100 = (1800 + 220) ÷ 100 = 20,2 u. (4) Bo mają tyle samo elektronów, a to elektrony decydują o właściwościach chemicznych. Różnią się tylko liczbą neutronów, czyli masą.
Do zapamiętania
- Atom ma jądro z protonami i neutronami oraz elektrony wokół niego; cała masa jest praktycznie w jądrze.
- Z = liczba protonów = liczba elektronów; A = protony + neutrony; neutrony = A − Z.
- Liczba protonów decyduje, jaki to pierwiastek — zawsze i bez wyjątków.
- Izotopy to atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów; chemicznie zachowują się tak samo, różnią się tylko masą.
- Masa atomowa w układzie okresowym to średnia ważona mas izotopów — dlatego bywa liczbą ułamkową.