Biologia dla Maturzystów I
Aby zrozumieć, jak pierwiastki łączą się ze sobą, musimy najpierw omówić najmniejszy składnik lub budulec pierwiastka, atom. Atom jest najmniejszą jednostką materii, która zachowuje wszystkie właściwości chemiczne pierwiastka. Na przykład, jeden atom złota posiada wszystkie właściwości złota w tym, że jest stałym metalem w temperaturze pokojowej. Złota moneta to po prostu bardzo duża liczba atomów złota uformowanych w kształt monety i zawierających niewielkie ilości innych pierwiastków zwanych zanieczyszczeniami. Atomy złota nie mogą być rozbite na nic mniejszego, zachowując przy tym właściwości złota.
An atom składa się z dwóch regionów: jądra, które znajduje się w centrum atomu i zawiera protony i neutrony, oraz najbardziej zewnętrznego regionu atomu, który utrzymuje elektrony na orbicie wokół jądra, jak pokazano na rysunku 1. Atomy zawierają protony, elektrony i neutrony, wśród innych cząstek subatomowych. Jedynym wyjątkiem jest wodór (H), który jest zbudowany z jednego protonu i jednego elektronu bez neutronów.
Rysunek 1. Pierwiastki, takie jak przedstawiony tu hel, zbudowane są z atomów. Atomy składają się z protonów i neutronów znajdujących się w jądrze, z elektronami na orbitalach otaczających jądro.
Protony i neutrony mają w przybliżeniu taką samą masę, około 1,67 × 10-24 grama. Naukowcy arbitralnie określają tę ilość masy jako jedną atomową jednostkę masy (amu) lub jeden dalton, jak pokazano w tabeli 1. Chociaż protony i neutrony mają podobną masę, różnią się ładunkiem elektrycznym. Proton jest naładowany dodatnio, podczas gdy neutron jest nienaładowany. Dlatego liczba neutronów w atomie ma znaczący wpływ na jego masę, ale nie na jego ładunek. Elektrony mają znacznie mniejszą masę niż protony, ważą tylko 9,11 × 10-28 grama, czyli około 1/1800 jednostki masy atomowej. W związku z tym nie wnoszą one wiele do całkowitej masy atomowej pierwiastka. Dlatego też, rozważając masę atomową, zwyczajowo ignoruje się masę elektronów i oblicza masę atomu na podstawie liczby samych protonów i neutronów. Chociaż elektrony nie mają znaczącego wpływu na masę, to jednak w znacznym stopniu przyczyniają się do ładunku atomu, ponieważ każdy elektron ma ładunek ujemny równy ładunkowi dodatniemu protonu. W nienaładowanych, neutralnych atomach, liczba elektronów krążących wokół jądra jest równa liczbie protonów w jądrze. W tych atomach ładunki dodatnie i ujemne znoszą się wzajemnie, prowadząc do atomu bez ładunku netto.
Obliczając rozmiary protonów, neutronów i elektronów, większość objętości atomu – większa niż 99 procent – jest w rzeczywistości pustą przestrzenią. Z całą tą pustą przestrzenią można by zapytać, dlaczego tak zwane obiekty stałe nie przechodzą przez siebie nawzajem. Powodem jest to, że elektrony otaczające wszystkie atomy są naładowane ujemnie, a ładunki ujemne odpychają się wzajemnie.
| Tabela 1. Protony, neutrony, i elektrony | |||
|---|---|---|---|
| Naładunek | Masa (amu) | Lokalizacja | |
| Proton | +1 | 1 | jądro |
| Neutron | 0 | 1 | jądro |
| Elektron | -1 | 0 | orbitale |
Liczba atomowa i masa
Atomy każdego pierwiastka zawierają charakterystyczną liczbę protonów i elektronów. Liczba protonów określa liczbę atomową pierwiastka i jest używana do odróżnienia jednego pierwiastka od drugiego. Liczba neutronów jest zmienna, co prowadzi do powstania izotopów, czyli różnych form tego samego atomu, różniących się jedynie liczbą posiadanych neutronów. Liczba protonów i liczba neutronów łącznie określają liczbę masową pierwiastka, jak pokazano na rysunku 2. Zauważmy, że niewielki wkład masy pochodzący od elektronów nie jest brany pod uwagę przy obliczaniu liczby masowej. Takie przybliżenie masy może być wykorzystane do łatwego obliczenia liczby neutronów, poprzez proste odjęcie liczby protonów od liczby masowej. Ponieważ izotopy danego pierwiastka będą miały nieco inne liczby masowe, naukowcy określają również masę atomową, która jest obliczoną średnią liczby masowej dla jego naturalnie występujących izotopów. Często otrzymana liczba zawiera ułamek. Na przykład, masa atomowa chloru (Cl) jest 35.45 ponieważ chlor składa się z kilku izotopów, niektóre (większość) z masą atomową 35 (17 protonów i 18 neutronów) i niektóre z masą atomową 37 (17 protonów i 20 neutronów).
Practice Question
Węgiel ma liczbę atomową sześć, i dwa stabilne izotopy z liczbami masowymi dwunastu i trzynastu, odpowiednio. Jego masa atomowa wynosi 12,11.
Rysunek 2. Węgiel-12 i węgiel-13
Ile neutronów mają odpowiednio węgiel-12 i węgiel-13?
.