Izotopy i średnia masa atomowa

Co określa liczba atomowa?

Popatrz na fragment układu okresowego dotyczącego wodoru. Jakie informacje możesz z niego odczytać?

Zapoznaj się z opisem fragmentu układu okresowego dotyczącego wodoru. Dowiedz się, jakie informacje można z niego odczytać.

R1Agw4ac2i2Bp

Ilustracja ukazuje w szarym prostokącie symbol wodoru - H z podpisem wodór oraz jego liczbę atomową, która wynosi 1 i masę atomową - 1,008. To prostokąt wzięty z układu okresowego pierwiastków. — Wodór jest pierwiastkiem o liczbie atomowej równej 1.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Liczba atomowa danego pierwiastka informuje nas o:

miejscu danego pierwiastka w układzie okresowym;
ilości protonów w jądrze;
ilości elektronów w chmurze elektronowej atomu pierwiastka.

Ważne!

Pamiętaj jednak, że z układu okresowego nie odczytasz, ile neutronów ma dany atom, ponieważ o przynależności atomu do danego pierwiastka decyduje liczba protonów w jądrze atomowym (liczba atomowa). W definicji pierwiastka nie ma określonej liczby neutronów, dlatego też atomy danego pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów w jądrze.

Ważne!

Liczba masowa jest sumą nukleonów, czyli sumą protonów i neutronów w jądrze atomu.

Masa atomowa (względna) wyrażana jest w jednostce zwanej unitem. Unit ( $u$ ) równoważny jest $\frac{1}{12}$ masy atomu węgla ${}^{12}C$ . Wartość $1 u$ odpowiada $1,66 \cdot 10^{- 24} g$ .

Czy wszystkie atomy wodoru są tak samo zbudowane?

W przypadku wodoru występują trzy rodzaje atomów; $99,974 %$ atomów wodoru posiada w jądrze tylko $1 proton$ – ich liczba masowa wynosi $1$ . Za pomocą symboli zapisujemy ten atom jako ${}_{1}^{1}H$ , czasami dla atomów tej odmiany wodoru stosuje się nazwę prot. Natomiast $0,016 %$ atomów wodoru ma w jądrze $1 proton$ i $1 neutron$ – ich liczba masowa wynosi $2$ . Atomy te nazywa się „ciężkim wodorem” lub deuterem. Mają one nawet swój symbol chemiczny $D$ , ale stosuje się też zapis ${}_{1}^{2}H$ lub wodór– $2$ . Śladowe ilości atomów wodoru mają w jądrze $1 proton$ i $2 neutrony$ – ich liczba masowa wynosi $3$ . Atomy te nazywa się trytem, a ich symbol chemiczny to $T$ lub stosuje się zapis ${}_{1}^{3}H$ , wodór– $3$ . Na ilustracji poniżej przedstawiono rodzaje atomu wodoru.

R1CFCnB7zif2s

Na ilustracji znajdują się trzy atomy wodoru: proton o liczbie masowej i liczbie atomowej równej 1 - to żółte koło z czarną kropką w środku, deuter o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 - to żółte koło z czarną i białą kropką w środku, symbolizującymi proton i neutron. Ostatni jest tryt o liczbie masowej 3 i liczbie atomowej 1 - to żółte koło z jedną czarną i dwiema białymi kropkami w środku, czyli z jednym protonem i dwoma neutronami. — Rodzaje atomu wodoru
Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie www.pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Atomy, które mają taką samą liczbę protonów w jądrze, ale różną liczbę neutronów, nazywamy izotopami. Nazwa ta pochodzi z greckiego (izo „taki sam”, topos „miejsce”), ponieważ atomy izotopów zajmują to samo miejsce w układzie okresowym.

Izotop	${}_{1}^{1}H$	${}_{1}^{2}H$	${}_{1}^{3}H$
Nazwa	Prot	Deuter	Tryt
Symbol	$H$	$D$	$T$

Jakimi właściwościami różnią się izotopy danego pierwiastka?

Izotopy tego samego pierwiastka mają zbliżone własności fizyczne. Jednak im większa jest różnica mas atomowych izotopów (co ma miejsce np. w przypadku wodoru), tym większe mogą być różnice ich własności fizycznych. Izotopy nie różnią się właściwościami chemicznymi.

Należy pamiętać, że aby badać zmiany stanów skupienia czy gęstości, musi występować pewien zbiór atomów czy też izotopów. Niemożliwe jest badanie właściwości dla pojedynczego nuklidu.

Izotopy danego pierwiastka mogą się różnić:

temperaturą wrzenia;
temperaturą topenienia;
temperaturą sublimacji;
gęstością.

Izotopy wodoru różnią się liczbą nukleonów. Różnica mas pomiędzy izotopami wodoru jest bardzo duża – atom deuteru ma masę dwukrotnie większą od masy atomu protu, a tryt – aż trzykrotnie. Wpływ zmiany masy atomowej na właściwości tych izotopów zamieszczono w tabeli poniżej.

Izotop	Symbol	Temperatura topnienia $X_{2}$ $[K]$	Temperatura wrzenia $X_{2}$ $[K]$
Prot	$H$	$13,957$	$20,39$
Deuter	$D$	$18,73$	$23,67$
Tryt	$T$	$20,62$	$25,04$

Cząsteczki ciężkiej wody ( $D_{2} O$ ) mają masę cząsteczkową większą o $2 u$ od cząsteczek wody $H_{2} O$ , co powoduje jej większą gęstość. Dzięki tej właściwości można oddzielać wodę ciężką od „zwykłej” poprzez wirowanie.

Parametr	$D_{2} O$	$HDO$	$H_{2} O$
Temperatura krzepnięcia $[° C]$	$3,82$	$2,04$	$0,00$
Temperatura wrzenia $[° C]$	$101,42$	$100,74$	$100$
Gęstość $[\frac{g}{{cm}^{3}}]$ ( $25 ° C$ , $1000 hPa$ )	$1,104$	$1,051$	$0,997$
$pH$ [w $25 ° C$ ]	$7,41$	$7,27$	$7,00$

Ciężka woda występuje naturalnie w przyrodzie. W normalnej wodzie znajduje się ok. $115 ppm$ wody ciężkiej. W tych stężeniach jest nieszkodliwa dla organizmów, jednak badania eksperymentalne wykazały, że wysokie stężenia $D_{2} O$ mogą prowadzić do bezpłodności, a nawet śmierci organizmów żywych.

Ciekawostka

Większość pierwiastków ma kilka izotopów, ale istnieją również takie, które mają tylko jeden stabilny izotop.

R1WQ0bcrxVKaL1

Mapa myśli pt. „Pierwiastki posiadające jeden stabilny izotop”

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

Zapoznaj się z filmem edukacyjnym i odpowiedz pytania:

R1UwNk0vj5oZ1

RbJm9DO2SPy63

R1GUCsmBHBdlV

R1DpGHPijnXkO

Film edukacyjny pt. „Czy wszystkie atomy tego samego pierwiastka są identyczne?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Symulacja 1

Przeanalizuj symulację dotyczącą atomów przykładowych pierwiastków. Spróbuj policzyć liczbę izotopów poszczególnych pierwiastów, jakie uda Ci się zidentyfkować

R1cxSsp6RdUoc

Symulacja interaktywna pt. „Skład izotopowy pierwiastków”.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Pamiętaj, że atomy tego samego pierwiastka mają zawsze jednakową liczbę atomową - zawierają zawsze taką samą liczbę protonów. Mogą natomiast mieć różną liczbę masową, ponieważ mogą zawierać różną liczbę neutronów w swoim jądrze.

Liczba atomowa (Z) określa liczbę protonów w jądrze.

Liczba masowa (A) określa łączną liczbę protonów i neutronów w jądrze.

Liczbę atomową zapisujemy w indeksie dolnym przy symbolu pierwiastka, natomiast liczbę masową w indeksie górnym.

Przykład:

${}_{2}^{3}{He}$

Liczba atomowa $Z = 2$ czyli atom helu zawiera w swoim jądrze $2$ protony.

Liczba masowa $A = 3$ czyli atom helu zawiera w swoim jądrze $1$ neutron, ponieważ $3 - 2 = 1$

W symulacji przedstawiono, jak określić skład izotopowy pierwiastków. Najpierw podano definicję izotopu oraz odpowiednio liczby atomowej i liczby masowej.

Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka chemicznego, które mają jednakową liczbę atomową oraz różną liczbę masową. Izotopy zajmują to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków chemicznych.

Liczba atomowa informuje nas o: miejscu danego pierwiastka w układzie okresowym; ilości protonów w jądrze, ilości elektronów w chmurze elektronowej atomu pierwiastka.

Liczba masowa jest sumą nukleonów, czyli sumą protonów i neutronów w jądrze atomu.

Polecenie 2

R1Fk1I769Vuka

Trwałe izotopy cynku to ${}^{64}{Zn}$ , ${}^{66}{Zn}$ , ${}^{67}{Zn}$ , ${}^{68}{Zn}$ i ${}^{70}{Zn}$ .

Izotop ${}^{64}{Zn}$ zawiera $30$ protonów i $34$ neutrony.

Izotop ${}^{66}{Zn}$ zawiera $30$ protonów i $36$ neutronów.

Izotop ${}^{67}{Zn}$ zawiera $30$ protonów i $37$ neutronów.

Izotop ${}^{68}{Zn}$ zawiera $30$ protonów i $38$ neutronów.

Izotop ${}^{70}{Zn}$ zawiera $30$ protonów i $40$ neutronów..

Masa atomowa

Ważne!

Masa atomowa pierwiastka jest średnią masą atomową, która wynika z procentowej zawartości izotopów tworzących dany pierwiastek. Możemy ją obliczyć według wzoru:

$m_{a} = \frac{% m_{1} \cdot A_{1} + % m_{2} \cdot A_{2} + \dots}{100 %}$

Gdzie:

$m_{a}$ – masa atomowa pierwiastka;
$A_{1}$ , $A_{2}$ , $\dots$ – masy atomowe poszczególnych izotopów;
$% m_{1}$ , $% m_{2}$ , $\dots$ – procentowe zawartości poszczególnych izotopów.

Obliczanie masy atomowej pierwiastka na podstawie jego składu izotopowego

Polecenie 2

Oblicz masę atomową bromu naturalnego, wiedząc, że zawiera on $50,6 %$ izotopu ${}^{79}{Br}$ o masie atomowej $78,9183 u$ i $49,4 %$ izotopu ${}^{81}{Br}$ o masie atomowej $80,9163 u$ .

RKDAOlTvocxv2

ROkTGwlsCppmn

W przypadku bromu, będącego mieszaniną dwóch izotopów, masę atomową obliczamy w postaci średniej ważonej. Uwzględniamy więc procentowy udział poszczególnych izotopów:

$m_{a} = \frac{% m_{1} \cdot A_{1} + % m_{2} \cdot A_{2} + \dots}{100 %}$

$m_{a} = \frac{78,9183 u \cdot 50,6 % + 80,9163 u \cdot 49,4 %}{100 %}$

$m_{a} = 79,9053 u$

Masa atomowa bromu naturalnego wynosi $79,9053 u$ .

Obliczenia składu izotopowego pierwiastka

Polecenie 3

Korzystając z powyższego wzoru, obliczymy zawartość procentową dwóch izotopów chloru. Wiemy, że chlor ma dwa izotopy: ${}^{35}{Cl}$ i ${}^{37}{Cl}$ . Znamy również masę atomową chloru, która wynosi $35,5 u$ . Masa ta bliższa jest wartości masy izotopu ${}^{35}{Cl}$ . Przyczyną jest znacznie większy udział tego izotopu w naturalnym chlorze, wynoszący ok. $75 %$ . Masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną mas atomowych jego izotopów oraz uwzględnia rozpowszechnienie izotopów pierwiastka. Załóż, że masa atomowa izotopów jest równa ich liczbie masowej. Czy wiesz, jak zapisać to równanie?

R1KH6AnKJEAHc

RnCq0NyB18FbI

Łączna zawartość procentowa obu izotopów wynosi $100 %$ . Jeśli zawartość izotopu $35$ oznaczymy jako $x$ , zawartość izotopu $37$ będzie wynosić ( $100 % - x$ ). Masa atomowa izotopu ${}^{35}{Cl}$ wynosi $35 u$ , natomiast izotopu ${}^{37}{Cl}$ wynosi $37 u$ .

$35,5 u = \frac{35 u \cdot x + 37 u \cdot (100 % - x)}{100 %}$

$3550 % = 35 x + 3700 % - 37 x$

$- 2 x = 3550 % - 3700 %$

$x = 75 %$

$100 - x = 25 %$

Zawartość procentowa izotopu ${}^{35}{Cl}$ wynosi $75 %$ , a izotopu ${}^{37}{Cl}$ wynosi $25 %$ .

RgOGU84CP2hf0

Ćwiczenie 1

Ćwiczenie 2

Określ liczbę protonów, elektronów i neutronów dla izotopu ${}^{48}{Ca}$ .

RS80LUdmDDopC

protony: $20$

elektrony: $20$

neutrony: $28$

Ćwiczenie 3

Tytan ( ${}^{48}{Ti}$ , łac. titanium) to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej $22$ . Za pomocą symulacji wskaż, ile izotopów posiada ten pierwiastek oraz podaj ich liczby masowe.

RmoaLQt5YggUH

RS10IMzfZH0kV

Występujący w przyrodzie tytan posiada pięć stabilnych izotopów: ${}^{46}{Ti}$ , ${}^{47}{Ti}$ , ${}^{48}{Ti}$ , ${}^{49}{Ti}$ oraz ${}^{50}{Ti}$ .

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Konfiguracja elektronowa dla atomu i jonu

Promieniotwórczość naturalna

Co określa liczba atomowa?

Czy wszystkie atomy wodoru są tak samo zbudowane?

Jakimi właściwościami różnią się izotopy danego pierwiastka?

Masa atomowa

Obliczanie masy atomowej pierwiastka na podstawie jego składu izotopowego

Obliczenia składu izotopowego pierwiastka

Notatnik