Biológia szakos hallgatóknak I

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan állnak össze az elemek, először az elemek legkisebb alkotóeleméről, az atomról kell beszélnünk. Az atom az anyag legkisebb egysége, amely megtartja az elem összes kémiai tulajdonságát. Például egy aranyatom rendelkezik az arany összes tulajdonságával, azaz szobahőmérsékleten szilárd fém. Az aranyérme egyszerűen nagyon sok aranyatomból áll, amelyet érme alakúra formáztak, és kis mennyiségben tartalmaz más, szennyeződésnek nevezett elemeket. Az aranyatomokat nem lehet kisebbekre bontani úgy, hogy közben megmaradjanak az arany tulajdonságai.

Az atom két területből áll: az atommagból, amely az atom közepén van, és protonokat és neutronokat tartalmaz, valamint az atom legkülső régiójából, amely az elektronokat az atommag körül keringve tartja, ahogyan azt az 1. ábra szemlélteti. Az atomok protonokat, elektronokat és neutronokat tartalmaznak, más szubatomi részecskék mellett. Az egyetlen kivétel a hidrogén (H), amely egy protonból és egy elektronból áll, neutronok nélkül.

1. ábra. Az elemek, mint például az itt ábrázolt hélium, atomokból állnak. Az atomok protonokból és neutronokból állnak, amelyek az atommagban helyezkednek el, az elektronok pedig az atommagot körülvevő pályákon.

A protonok és a neutronok tömege megközelítőleg azonos, körülbelül 1,67 × 10-24 gramm. A tudósok ezt a tömegmennyiséget önkényesen egy atomi tömegegységként (amu) vagy egy daltonként határozzák meg, amint azt az 1. táblázat mutatja. Bár tömegük hasonló, a protonok és a neutronok elektromos töltésükben különböznek egymástól. A proton pozitív töltésű, míg a neutron töltés nélküli. Ezért az atomban lévő neutronok száma jelentősen hozzájárul az atom tömegéhez, de nem a töltéséhez. Az elektronok tömege sokkal kisebb, mint a protonoké: mindössze 9,11 × 10-28 gramm, azaz az atomtömegegység 1/1800-ának megfelelő tömegűek. Ezért nem járulnak hozzá nagymértékben egy elem teljes atomtömegéhez. Ezért az atomtömeg vizsgálatakor szokás figyelmen kívül hagyni az elektronok tömegét, és az atom tömegét csak a protonok és neutronok száma alapján számítják ki. Bár az elektronok nem járulnak hozzá jelentősen a tömeghez, az atom töltéséhez nagymértékben hozzájárulnak, mivel minden elektron negatív töltése megegyezik a proton pozitív töltésével. A töltés nélküli, semleges atomokban az atommag körül keringő elektronok száma megegyezik az atommagban lévő protonok számával. Ezekben az atomokban a pozitív és negatív töltések kioltják egymást, így az atomnak nincs nettó töltése.

A protonok, neutronok és elektronok méretét figyelembe véve az atom térfogatának nagy része – több mint 99 százaléka – valójában üres tér. Ennyi üres tér mellett felmerülhet a kérdés, hogy az úgynevezett szilárd tárgyak miért nem mennek át egymáson. Azért nem, mert az atomokat körülvevő elektronok negatív töltésűek, a negatív töltések pedig taszítják egymást.

Atommagszám és tömeg

Az egyes elemek atomjai jellegzetes számú protont és elektront tartalmaznak. A protonok száma határozza meg az elem atomi számát, és az egyik elemet a másiktól való megkülönböztetésére szolgál. A neutronok száma változó, ami izotópokat eredményez, amelyek ugyanannak az atomnak különböző formái, amelyek csak a neutronok számában különböznek. A protonok és a neutronok száma együttesen határozza meg egy elem tömegszámát, amint azt a 2. ábra szemlélteti. Vegyük észre, hogy az elektronok kis tömeg-hozzájárulását figyelmen kívül hagyjuk a tömegszám kiszámításakor. A tömegnek ez a közelítő meghatározása könnyen kiszámítható, hogy hány neutronja van egy elemnek, ha egyszerűen kivonjuk a tömegszámból a protonok számát. Mivel egy elem izotópjai kissé eltérő tömegszámmal rendelkeznek, a tudósok meghatározzák az atomtömeget is, amely a természetesen előforduló izotópok tömegszámának számított átlaga. Az így kapott szám gyakran tartalmaz egy törtet. Például a klór (Cl) atomtömege 35,45, mert a klór több izotópból áll, némelyik (a többség) 35 atomtömegű (17 proton és 18 neutron), némelyik 37 atomtömegű (17 proton és 20 neutron).

GYakorlati kérdés

A szén atomszáma hat, és két stabil izotópja van, amelyek tömegszáma tizenkettő, illetve tizenhárom. Atomtömege 12,11.

2. ábra. A szén-12 és a szén-13

Hány neutronja van a szén-12-nek és a szén-13-nak?

Válasz megjelenítése

A szén-12-nek hat neutronja van. A szén-13-nak hét neutronja van.