Biologi för studenter I

För att förstå hur grundämnen sätts samman måste vi först diskutera den minsta komponenten eller byggstenen i ett grundämne, atomen. En atom är den minsta materienhet som behåller alla kemiska egenskaper hos ett grundämne. Till exempel har en guldatom alla egenskaper hos guld genom att den är en fast metall vid rumstemperatur. Ett guldmynt är helt enkelt ett mycket stort antal guldatomer som är gjutna i form av ett mynt och som innehåller små mängder av andra grundämnen, så kallade föroreningar. Guldatomer kan inte brytas ner till något mindre samtidigt som de behåller guldets egenskaper.

En atom består av två områden: kärnan, som befinner sig i mitten av atomen och innehåller protoner och neutroner, och det yttersta området av atomen som håller sina elektroner i en omloppsbana runt kärnan, vilket illustreras i figur 1. Atomer innehåller protoner, elektroner och neutroner, bland andra subatomära partiklar. Det enda undantaget är väte (H), som består av en proton och en elektron utan neutroner.

Figur 1. Grundämnen, t.ex. helium som avbildas här, består av atomer. Atomer består av protoner och neutroner som befinner sig i kärnan, med elektroner i orbitaler som omger kärnan.

Protoner och neutroner har ungefär samma massa, cirka 1,67 × 10-24 gram. Forskare definierar godtyckligt denna mängd massa som en atommassenhet (amu) eller en dalton, enligt tabell 1. Även om protoner och neutroner är lika i massa skiljer de sig åt genom sin elektriska laddning. En proton är positivt laddad medan en neutron är oladdad. Därför bidrar antalet neutroner i en atom avsevärt till dess massa, men inte till dess laddning. Elektroner har en mycket mindre massa än protoner och väger endast 9,11 × 10-28 gram, eller ungefär 1/1800 av en atommasseenhet. Därför bidrar de inte mycket till ett grundämnes totala atommassa. När det gäller atommassa är det därför vanligt att ignorera massan av eventuella elektroner och beräkna atomens massa enbart utifrån antalet protoner och neutroner. Även om elektronerna inte bidrar till massan i någon större utsträckning, bidrar de i hög grad till atomens laddning, eftersom varje elektron har en negativ laddning som är lika stor som protonens positiva laddning. I oladdade, neutrala atomer är antalet elektroner som kretsar kring kärnan lika med antalet protoner i kärnan. I dessa atomer upphäver de positiva och negativa laddningarna varandra, vilket leder till en atom utan nettoladdning.

Med hänsyn till storleken på protoner, neutroner och elektroner är större delen av volymen i en atom – mer än 99 procent – i själva verket tomt utrymme. Med allt detta tomma utrymme kan man fråga sig varför så kallade fasta föremål inte bara passerar genom varandra. Anledningen till att de inte gör det är att de elektroner som omger alla atomer är negativt laddade och att negativa laddningar stöter bort varandra.

Atomnummer och massa

Atomerna i varje grundämne innehåller ett karakteristiskt antal protoner och elektroner. Antalet protoner bestämmer ett grundämnes atomnummer och används för att skilja ett grundämne från ett annat. Antalet neutroner är variabelt, vilket resulterar i isotoper, som är olika former av samma atom som endast varierar i det antal neutroner de har. Tillsammans bestämmer antalet protoner och antalet neutroner ett grundämnes masstal, vilket illustreras i figur 2. Observera att det lilla bidraget av massa från elektroner inte beaktas vid beräkningen av masstalet. Denna approximation av massan kan användas för att enkelt beräkna hur många neutroner ett grundämne har genom att helt enkelt subtrahera antalet protoner från masstalet. Eftersom ett grundämnes isotoper kommer att ha något olika masstal, bestämmer forskarna också atommassan, som är det beräknade medelvärdet av masstalet för dess naturligt förekommande isotoper. Ofta innehåller det resulterande talet en bråkdel. Till exempel är atommassan för klor (Cl) 35,45 eftersom klor består av flera isotoper, en del (majoriteten) med atommassa 35 (17 protoner och 18 neutroner) och en del med atommassa 37 (17 protoner och 20 neutroner).

Praktikfråga

Kol har atomnumret sex och två stabila isotoper med masstal på tolv respektive tretton. Dess atommassa är 12,11.

Figur 2. Kol-12 och kol-13

Hur många neutroner har kol-12 respektive kol-13?

Visa svar

Kol-12 har sex neutroner. Kol-13 har sju neutroner.