Biologi for studerende I

For at forstå, hvordan grundstoffer er sammensat, skal vi først diskutere den mindste komponent eller byggesten i et grundstof, nemlig atomet. Et atom er den mindste stofenhed, der bevarer alle et grundstofs kemiske egenskaber. For eksempel har et guldatom alle egenskaberne ved guld, idet det er et fast metal ved stuetemperatur. En guldmønt er simpelthen et meget stort antal guldatomer, der er støbt i form af en mønt og indeholder små mængder af andre grundstoffer, der kaldes urenheder. Guldatomer kan ikke nedbrydes til noget mindre og samtidig bevare guldets egenskaber.

Et atom består af to områder: atomkernen, som befinder sig i midten af atomet og indeholder protoner og neutroner, og det yderste område af atomet, som indeholder dets elektroner i kredsløb omkring atomkernen, som illustreret i figur 1. Atomer indeholder bl.a. protoner, elektroner og neutroner samt andre subatomare partikler. Den eneste undtagelse er brint (H), som består af en proton og en elektron uden neutroner.

Protoner og neutroner har omtrent samme masse, ca. 1,67 × 10-24 gram. Forskere definerer arbitrært denne mængde masse som en atomar masseenhed (amu) eller en Dalton, som vist i tabel 1. Selv om protoner og neutroner har samme masse, adskiller de sig fra hinanden ved deres elektriske ladning. En proton er positivt ladet, mens en neutron ikke er ladet. Derfor bidrager antallet af neutroner i et atom i væsentlig grad til dets masse, men ikke til dets ladning. Elektroner har en meget mindre masse end protoner, idet de kun vejer 9,11 × 10-28 gram eller ca. 1/1800 af en atomar masseenhed. Derfor bidrager de ikke meget til et grundstofs samlede atommasse. Når man overvejer atommassen, er det derfor almindeligt at se bort fra elektronernes masse og beregne atomets masse på grundlag af antallet af protoner og neutroner alene. Selv om elektronerne ikke bidrager væsentligt til massen, bidrager de i høj grad til atomets ladning, da hver elektron har en negativ ladning, der svarer til protonens positive ladning. I uladede, neutrale atomer er antallet af elektroner, der kredser om kernen, lig med antallet af protoner i kernen. I disse atomer ophæver de positive og negative ladninger hinanden, hvilket fører til et atom uden nettoladning.

Tager man højde for størrelsen af protoner, neutroner og elektroner, er det meste af et atoms volumen – mere end 99 procent – i virkeligheden tomt rum. Med alt dette tomme rum kan man spørge, hvorfor såkaldte faste genstande ikke bare passerer igennem hinanden. Grunden til, at de ikke gør det, er, at de elektroner, der omgiver alle atomer, er negativt ladede, og at negative ladninger frastøder hinanden.

Tabel 1. Protoner, neutroner, og elektroner Ladning Masse (amu) Lokalitet Proton +1 1 Nukleus Neutron 0 1 nukleus Elektron -1 0 orbitaler

Atomnummer og masse

Atomer af hvert grundstof indeholder et karakteristisk antal protoner og elektroner. Antallet af protoner bestemmer et grundstofs atomnummer og bruges til at skelne et grundstof fra et andet. Antallet af neutroner er variabelt, hvilket resulterer i isotoper, som er forskellige former af det samme atom, der kun varierer i det antal neutroner, de besidder. Tilsammen bestemmer antallet af protoner og antallet af neutroner et grundstofs massetal, som illustreret i figur 2. Bemærk, at der ved beregningen af massetallet ikke tages hensyn til det lille bidrag af masse fra elektroner. Denne tilnærmelse af massen kan bruges til nemt at beregne, hvor mange neutroner et grundstof har, ved blot at trække antallet af protoner fra massetallet. Da et grundstofs isotoper vil have lidt forskellige massetal, bestemmer forskerne også den atomare masse, som er det beregnede gennemsnit af massetallet for dets naturligt forekommende isotoper. Ofte indeholder det resulterende tal en brøkdel. For eksempel er atommassen for klor (Cl) 35,45, fordi klor er sammensat af flere isotoper, nogle (størstedelen) med atommasse 35 (17 protoner og 18 neutroner) og nogle med atommasse 37 (17 protoner og 20 neutroner).