Atom zbudowany jest z cząstek elementarnych –protonów, neutronów i elektronów, które rozmieszczone są w: jądrze zbudowanym z protonów i neutronów. Jądra zwane inaczej nukleonami są niepodzielne w reakcjach chemicznych i z uwagi na dużą gęstość materii jest ciężkie. Elektrony z kolei są rozmieszczone w pewnej odległości od jądra na powłokach, które zbudowane z podpowłok, a te z orbitali.
Proton – masa – 1u – ładunek +1
Neutron –masa – 1u –ładunek – 0
Elektron -masa – ok 0u ( \(\frac{1}{2000}\) u) – ładunek (-1)
Dany, określony atom definiuje się za pomocą dwóch liczby:
Liczba atomowa –jest to ilość protonów w jądrze. Liczba ta definiuje pierwiastek; tzn. atom jakiego pierwiastka mamy. Wiedząc jednoznacznie jaka jest ta liczba jednoznacznie wiemy o jakim pierwiastku mówimy i vice –oznacza jak wiemy jaki pierwiastek mamy to wiemy o jakiej liczbie atomowej mówimy. Liczbę tę oznaczamy jako \(\mathbf{Z}\) .
Np jeżeli wiemy że mówimy o tlenie – czyli O to widzimy , że symbol w układzie okresowym jest \(\text{ }_{8}O\) czyli liczba atomowa tlenu jest 8 i każdy atom tlenu ma 8 protonów. W drugą stronę też można, tzn. Że atom posiadający 16 protonów to musi być siarka (bo jest to pierwiastek, którego liczba atomowa= 16)
Liczba masowa to masa jądra danego wyrażona w unitach i w praktyce z dość dobrym przybliżeniem jest równa ilości cząstek elementarnych znajdujących się w jądrze (protonów i neutronów). Liczba masowa ma symbol A (uwaga – te symbole są popieprzone, \(\mathbf{A}\) to liczba masowa nie atomowa, tak dla zmyłki) i jest może być różna dla jednego i tego samego rodzaju atomu, tzn. Może istnieć atom siarki zarówno o liczbie masowej 32 jak i 33. Liczba masowa dla określonego atomu może się różnić od tego co jest w układzie podane, jako masa atomowa. Liczba masowa jest zawsze większa od liczby atomowej.
Każde jądro, zapisane jest jako
\[\text{ }_{Z}^{A}E\]
Jednocześnie należy podkreślić, iż liczba atomowa \(Z\) jednoznacznie definiuje symbol pierwiastka \(E\) , a symbol pierwiastka \(E\) definiuje liczbę atomową \(Z\)
Np widząc \(\ \ _{\mathbf{16}}^{\mathbf{34}}\mathbf{S}\) jednoznacznie z tego symbolu zapisu można powiedzieć, iż ta siarka ma protonów \(p^{+} = Z = 16\) , a neutronów tyle, aby uzupełnić zgadzała się masa atomowa \(A\) przy określonej wartości uprzednio liczby atomowej \(Z\) więc \(\ n^{0} = A - Z = 34 - 16 = 18.\)
A jak to wygląda z ilością elektronów?
Dla elektroobojętnego atomu sumaryczny ładunek musi być równy 0. Protony są jednododatnie (o ładunku plus jeden), elektrony jednoujemne (o ładunku minus jeden),a że ładunek atomu, który jest elektrycznie obojętny ma być równy 0 więc ilość protonów musi być równa ilości elektronów
Czyli \(\ _{15}^{31}P\) to
\[p^{+} = 15\]
\[n^{0} = 31 - 15 = 16\]
\[e^{-} = p^{+} = 15\]
W przypadku jonów, czyli cząstek obdarzonych ładunkiem sumaryczny ładunek protonów i elektronów musi wynosić tyle co ładunek jonów. Na przykład dla jonu \(\ _{15}^{31}P^{3 -}\) mamy atom a w zasadzie jon fosforu o ładunku sumarycznym (3-). Jony ujemne zwane są anionami i ten anion ma 3 elektrony więcej niż liczba protonów, gdyż elektrony są ujemne, mają ładunek minus jeden, natomiast jon ma ładunek trójujemny, czyli elektronów musi być o trzy więcej. Nigdy nie ruszasz liczby protonów w jądrze –nie odejmujesz i nie dodajesz protonów z jądra danego pierwiastka, bo spowodowuje to, że będziesz miał inny atom / pierwiastek, gdyż ilość protonów definiuje liczbę atomową, a to, jaki to pierwiastek. Na przykład nie jest ważne czy mówimy o jonie dwudodatnim, trójujemnym czy atomie fosforu, Nie ważne jaki jon czy atom fosforu zawsze będzie miał tyle protonów, ile wynosi jego liczba atomowa.
\[p^{+} = 15\]
\[n^{0} = 31 - 15 = 16\]
\[e^{-} = 15 + 3 = 18\]
Natomiast jęzeli będziemy mieć \(\ _{15}^{31}P^{3 +}\) - tu jest kation, on ma sumaryczny ładunek +3 czyli ma trzy elektrony mniej niż powinnien mieć elektroobojętny atom
\[p^{+} = 15\]
\[n^{0} = 31 - 15 = 16\]
\[e^{-} = 15 - 3 = 12\]
MODYFIKUJESZ PRZY JONACH TYLKO ILOŚĆ ELEKTRONÓW, NIE RUSZASZ NIGDY PROTONÓW.
Pojęcie – izotopy
Izotopy to jądra tego samego pierwiastka (mają tyle samo protonów), ale o innej liczbie masowej (a tym samym o różnej ilości neutronów w jądrze) np \(\ \ \ ^{32}S\) i \(\ ^{30}S\) są to izotopy.
Jedyne izotopy, które mają nazwy to izotopy wodoru
\(\ _{1}^{1}H\) zwany jest prot
\(\ _{1}^{2}H\) zwany jest deuter (D)
\(\ _{1}^{3}H\) zwany jest tryt (T)
Izotopy innych pierwiastków nazw nie mają, w literaturze albo podaje się symbol \(\ ^{32}S\) albo pisze się siarka – 32 i są to komplementarne zapisy tzn. oba jednoznacznie definiują izotop \(\ _{16}^{32}S\) .
Weźmy taki chlor. W układzie ma liczbę masową =35.45 u Czy to oznacza że chlor ma pół neutronu, albo lepiej 0.45 neutronu?? Dochodzi do absurdu, gdyż jak wiemy, cząstki elementarne są niepodzielne.
Ten pozorny absurd można wytłumaczyć rozpatrując analogię:
Kuba idzie na spacer z 3 psami. Ile średnio nóg mam stworzenie, które poszło na spacer?
\[\frac{łączna\ ilość\ nóg}{ilość\ stworzeń} = \frac{2 + 4·3}{1 + 3} = 3.5\]
Czy to znaczy, że jakieś stworzenie ma pół nogi? No niekoniecznie, bo to średnia jest.
I tak samo w układzie okresowym podawana jest ŚREDNIA liczba masa izotopów występujących w przyrodzie.
Wzór na średnią masę atomowa
\[\overline{A_{srednia}} = \frac{\left( A_{izo1}·\%_{izo1} + A_{izo2}·\%_{izo2} + \ldots\ \right)}{\%_{izo1} + \%_{izo2} + \ldots}\]
\[A_{izo_{n}} - masa\ atomowa\ izotopu\ n\]
\[\%_{izo_{n}} - zawartość\ procentowa\ (ilościowa,\ nie\ masowa)\ izotopu\ n\ \]
Zamiast \(\%_{izo_{n}}\) można używać dowolnej wartości proporcjonalnej do zawartości procentowej ilościowej (mole, ułamek molowy czy poprostu ilość)
Oczywiście zawartość procentowa wszystkich izotopów musi się sumować do 100%
\[\%_{izo1} + \%_{izo2} + \ldots = 100\%\]
Zadanie maturalne:, związane z średnią masą atomową
Chlor w przyrodzie występuje w postaci izotopów Cl- 35 i Cl-37
Oblicz jaka jest zawartość % jednego i drugiego izotopu, wiedząc ze średnia masa= 35.45 u.
Wpierw robimy tabelkę w której umieszczamy izotopy chloru, ich masy oraz zawartości procentowe
\[Cl - 35;\ \ \ \ \ A_{izo1} = 35;\ \ \ \ \ \ x\%\]
\[Cl - 37;\ \ \ \ \ \ \ \ \ A_{izo2} = 37;\ \ \ \ \ \ y\%\]
Zapisujemy równanie związane z tym, że zawartość wszystkich izotopów musi się sumować do 100%
\[x + y = 100\%\ (bo\ innych\ nie\ ma)\]
Oraz drugie związane z wzorem na średnią masę atomową.
\[A_{srednia} = \frac{\left( A_{izo1}·\%_{izo1} + A_{izo2}·\%_{izo2}·\ldots\ \right)}{\%_{izo1} + \%_{izo2} + \ldots}\]
Wstawiając wartości otrzymujemy
\[35.45 = \frac{(35·x + 37·y\ )}{x + y}\]
\[x + y = 100\% \rightarrow y = 100 - x\]
Kolejno łącząc równania ze sobą dostaniemy
\[35.45 = \frac{\left( 35·x + 37·(100 - x)\ \right)}{100}\]
\[3545 = 35x + 3700 - 37x\]
\[2x = 3700 - 3545\]
\[x = \frac{3700 - 3545}{2} = 77.5\%\]
\[y = 22.5\%\]
Czyli zawartość % Cl-35 jest 77.5%, a Cl-37 jest 22.5%
Zrób to samo zadanie z borem, wiedząc, że bor ma izotopy bor-10 i bor-11
Odp. bor 10 jest 20%
Brom występuje w przyrodzie w postaci mieszaniny dwóch izotopów o masach atomowych równych 78.92 u i 80.92 u. Średnia masa atomowa bromu jest równa 79.90 u. Pierwiastek ten w reakcjach utleniania i redukcji może pełnić funkcję zarówno utleniacza, jak i reduktora. Tworzy związki chemiczne, w których występują różne rodzaje wiązań.
Oblicz, jaki procent atomów bromu występujących w przyrodzie stanowią atomy o masie atomowej 78.92 u, a jaki procent – atomy o masie atomowej 80.92 u.
\[A_{srednia} = \frac{\left( A_{izo1}·\%_{izo1} + A_{izo2}·\%_{izo2}·\ldots\ \right)}{\%_{izo1} + \%_{izo2} + \ldots}\]
\[79.9 = \frac{(78.92·x + 80.92·y\ )}{x + y}\]
\(x + y = 100(\%)\) bo razem dają całość; )
\[79.9 = \frac{\left( 78.92·x + 80.92·(100 - x) \right)}{100}\]
\[x = 51\%\]
Neon występuje w przyrodzie w postaci 3 stabilnych izotopów zawierających 10,11 i12 neutronów w jądrze. Izotop neonu zawierający 11 neutronów występuje w przyrodzie w bardzo niewielkiej ilości, wynoszącej zaledwie 0.27%. Określ zawartości procentowe pozostałych dwóch izotopów neonu, jeżeli średnia masa atomowa neonu wynosi 20.18 u.
Nie znamy ilości protonów, bierzemy je z układu okresowego jako liczbę atomową neonu
\[p^{+} = 10\]
Możemy sobie teraz policzyć masy kolejnych izotopów jako sumę protonów i neutronów, co nam daje wyniki
\[Z = p^{+} + n^{0} = 10 + 10 = 20\]
Kolejno robimy tabelkę zawierającą izotopy, ich masy oraz ich zawartość procentową.
| \[izotop\] | \[masa\] | \[zawartość\] |
|---|---|---|
| \[Ne - 20\] | \[20\] | \[x\] |
| \[Ne - 21\] | \[21\] | \[0.27\%\] |
| \[Ne - 22\] | \[22\] | \[y\] |
Zapisujemy równanie na średnią masę atomową
\[A_{srednia} = \frac{\left( A_{izo1}·\%_{izo1} + A_{izo2}·\%_{izo2} + \ldots\ \right)}{\%_{izo1} + \%_{izo2} + \ldots}\]
\[20.18 = \frac{(20·x + 21·0.27\% + 22·y\ )}{100\%}\]
I równanie związane z bilansem zawartości procentowej
\[x + y + 0.27\% = 100\%\]
I dalej rozwiązujemy jak układ równań
\[\text{ }y = 98.73\% - x\]
\[20.18 = \frac{(20·x + 21·0.27\% + 22·y\ )}{100\%}\]
\[20.18 = \frac{\left( 20·x + 21·0.27 + 22·(98.73 - x\ \right)}{100}\]
\[x = 79.865\%\]