Biology for Majors I

Ymmärtääksemme, miten alkuaineet muodostuvat, meidän on ensin keskusteltava alkuaineen pienimmästä rakenneosasta, atomista. Atomi on pienin aineen yksikkö, joka säilyttää kaikki alkuaineen kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi yhdellä kulta-atomilla on kaikki kullan ominaisuudet siinä mielessä, että se on huoneenlämmössä kiinteä metalli. Kultakolikko on yksinkertaisesti hyvin suuri määrä kulta-atomeja, jotka on valettu kolikon muotoon ja jotka sisältävät pieniä määriä muita alkuaineita eli epäpuhtauksia. Kulta-atomeja ei voi pilkkoa mihinkään pienempään säilyttäen silti kullan ominaisuudet.

Atomi koostuu kahdesta alueesta: atomin keskellä olevasta ytimestä, joka sisältää protonit ja neutronit, ja atomin uloimmasta alueesta, joka pitää elektronit kiertoradalla ytimen ympärillä, kuten kuvassa 1 on esitetty. Atomit sisältävät protoneita, elektroneja ja neutroneita sekä muita subatomisia hiukkasia. Ainoa poikkeus on vety (H), joka koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista ilman neutroneita.

Kuvio 1. Elementit, kuten tässä kuvattu helium, koostuvat atomeista. Atomit koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka sijaitsevat ytimessä, ja elektroneista, jotka ovat ydintä ympäröivillä orbitaaleilla.

Protoneilla ja neutroneilla on suunnilleen sama massa, noin 1,67 × 10-24 grammaa. Tutkijat määrittelevät tämän massamäärän mielivaltaisesti yhdeksi atomimassayksiköksi (amu) tai yhdeksi daltoniksi, kuten taulukossa 1 on esitetty. Vaikka protonit ja neutronit ovat massaltaan samanlaisia, ne eroavat toisistaan sähkövaraukseltaan. Protonilla on positiivinen varaus, kun taas neutroni on varaukseton. Näin ollen atomin neutronien määrä vaikuttaa merkittävästi sen massaan, mutta ei sen varaukseen. Elektronien massa on paljon pienempi kuin protonien, sillä ne painavat vain 9,11 × 10-28 grammaa eli noin 1/1800 atomimassayksikköä. Näin ollen niiden osuus alkuaineen kokonaisatomimassasta on vähäinen. Siksi atomimassaa tarkasteltaessa on tapana jättää huomiotta kaikkien elektronien massa ja laskea atomin massa pelkästään protonien ja neutronien lukumäärän perusteella. Vaikka elektronit eivät vaikuta merkittävästi massaan, ne vaikuttavat suuresti atomin varaukseen, sillä jokaisella elektronilla on negatiivinen varaus, joka vastaa protonin positiivista varausta. Varautumattomissa, neutraaleissa atomeissa ydintä kiertävien elektronien määrä on yhtä suuri kuin ytimen sisällä olevien protonien määrä. Näissä atomeissa positiiviset ja negatiiviset varaukset kumoavat toisensa, jolloin atomilla ei ole nettovarausta.

Kun otetaan huomioon protonien, neutronien ja elektronien koko, suurin osa atomin tilavuudesta – yli 99 prosenttia – on itse asiassa tyhjää tilaa. Kun on näin paljon tyhjää tilaa, voidaan kysyä, miksi niin sanotut kiinteät kappaleet eivät vain kulje toistensa läpi. Syy siihen on se, että kaikkia atomeja ympäröivät elektronit ovat negatiivisesti varattuja, ja negatiiviset varaukset hylkivät toisiaan.

Atominumero ja -massa

Kaikkien alkuaineiden atomeissa on niille ominainen määrä protoneja ja elektroneja. Protonien lukumäärä määrittää alkuaineen järjestysluvun, ja sen avulla voidaan erottaa alkuaineet toisistaan. Neutronien määrä vaihtelee, jolloin syntyy isotooppeja, jotka ovat saman atomin eri muotoja, jotka eroavat toisistaan vain neutronien lukumäärän suhteen. Protonien ja neutronien lukumäärä yhdessä määrää alkuaineen massaluvun, kuten kuvassa 2 on esitetty. Huomaa, että elektronien pieni osuus massasta jätetään huomiotta massalukua laskettaessa. Tämän massan likiarvon avulla voidaan helposti laskea, kuinka monta neutronia alkuaineella on, vähentämällä protonien lukumäärä massaluvusta. Koska alkuaineen isotoopeilla on hieman erilaiset massaluvut, tutkijat määrittävät myös atomimassan, joka on alkuaineen luonnossa esiintyvien isotooppien massalukujen laskennallinen keskiarvo. Usein saatu luku sisältää murtoluvun. Esimerkiksi kloorin (Cl) atomimassa on 35,45, koska kloori koostuu useista isotoopeista, joista osalla (enemmistöllä) on atomimassa 35 (17 protonia ja 18 neutronia) ja osalla atomimassa 37 (17 protonia ja 20 neutronia).

Harjoituskysymys

Hiilellä (Cl) on atomiluku kuusi, ja sillä on kaksi stabiilia isotooppia, joiden massaluvut ovat kaksitoista (1,5) ja 13 (2,5). Sen atomimassa on 12,11.

Kuvio 2. Hiilen atomimassa. Hiili-12 ja hiili-13

Miten monta neutronia hiili-12:lla ja hiili-13:lla vastaavasti on?

Näytä vastaus

Hiilellä-12 on kuusi neutronia. Hiili-13:lla on seitsemän neutronia.