W jaki sposób atomy tego samego pierwiastka chemicznego mogą się różnić między sobą?

Atomy określonego pierwiastka chemicznegopierwiastek chemicznypierwiastka chemicznego mają jednakowy ładunek jądra atomowego (identyczną liczbę protonów) oraz taką samą liczbę poruszających się wokół jądra atomowego elektronów. Jednak, jak się okazuje, atomy te mogą różnić się masą. Przyczyną tego zjawiska jest możliwość występowania w jądrach atomów określonego pierwiastka różnej liczby neutronów. Te atomy, które mają w jądrach atomowych więcej neutronów, mają większą masę.

Atomy danego pierwiastka chemicznego, które zawierają jednakową liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów w jądrze atomowym, to tzw. izotopyizotopy izotopy (z języka greckiego: izo = taki sam, topos = miejsce).

Azot posiada ponad 16 izotopów. Przeanalizujmy dwa z nich. W jądrze atomowym jednego z izotopów azotu znajduje się siedem, a w jądrze atomowym drugiego — osiem neutronów. Każdy z tych izotopów ma taką samą liczbę protonów, którą można odczytać z układu okresowego.

RCXnXL5G9px3b

Ilustracja przedstawia zbliżenie fragmentu układu okresowego z wyróżnieniem pola zawierającego symbol N i liczbę atomową 7.

W opisie izotopów poszczególnych pierwiastków chemicznych istotna jest informacja dotycząca liczby neutronów, które zawierają. Informację o liczbie neutronów można pozyskać, znając liczbę nukleonów, a więc liczbę masową (A) oraz liczbę protonów – liczbę atomową (Z). Jak już ustaliliśmy, izotopy danego pierwiastka różnią się liczbami masowymi, ale mają takie same liczby atomowe. Dlatego w opisie budowy atomu oraz w nazwach określonych izotopów wykorzystuje się głównie liczbę masową. Liczba atomowa w symbolicznym zapisie budowy izotopu oraz w jego nazwie najczęściej jest pomijana (można ją znaleźć w układzie okresowym).

Aby wskazać na to, jaki izotop rozpatrujemy, podajemy jego nazwę lub zapis symboliczny. Nazwę izotopu tworzymy z nazwy odpowiedniego pierwiastka chemicznego, dodając do niej łącznik „-” i liczbę masową interesującego nas izotopu:

W symbolicznym zapisie izotopu najczęściej podajemy symbol pierwiastka, a w lewym górnym rogu tego symbolu umieszczamy liczbę masową:

Czasem zdarza się jednak, że w symbolicznym zapisie izotopu uwzględnia się także liczbę atomową:

Czy izotopy można znaleźć w przyrodzie?

Dany pierwiastek chemiczny może mieć nawet kilkadziesiąt izotopów. Jednak najczęściej nie wszystkie te izotopy są trwałe (stabilne) i nie wszystkie występują naturalnie na Ziemi. Część z nich to izotopy nietrwałe, czyli takie, które ulegają odpowiednim przemianom, określanych mianem przemian promieniotwórczychprzemiana promieniotwórczaprzemian promieniotwórczych. W ich wyniku mogą powstać izotopy tego samego bądź innego pierwiastka. Samym zaś przemianom towarzyszy emisja promieniowania. Izotopy nietrwałe nazywane są często izotopami promieniotwórczymi. Znane są pierwiastki chemiczne, które w ogóle nie mają izotopów trwałych (np. pluton).

Pierwiastki chemiczne występują w przyrodzie zazwyczaj jako mieszanina izotopów o określonym składzie procentowym. Skład ten jest stały i nie zależy ani od położenia geograficznego, ani od rodzaju minerału, z którego pozyskano określony pierwiastek chemiczny.

Znane są również pierwiastki, które występują w przyrodzie w postaci jednego izotopu (jednego rodzaju atomów). Sytuacja taka ma miejsce np. w przypadku sodu i fluoru.

Na Ziemi występują pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej do 92 włącznie (oprócz technetu i prometu). Z kolei pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej do 83 są trwałe. Z uwagi na brak w środowisku naturalnym technetu i prometu, na Ziemi istnieje 81 pierwiastków chemicznych o trwałych izotopach.

RY5SeFDjuPKRP

Aplikacja stanowi nieco uproszczoną wersję znanej z poprzednich lekcji aplikacji z układem okresowym pierwiastków. Nie ma w niej możliwości przełączania trybów wyświetlania, a zestaw informacji na temat pierwiastka dostępny po kliknięciu wybranego pola układu jest uboższy i dotyczy procentowego udziału izotopów trwałych danego pierwiastka w zasobach naszej planety. Sam układ okresowy w wersji ogólnej oprócz typowych informacji, czyli nazwy, symbolu i liczby atomowej zawiera też dane o liczbie izotopów trwałych każdego pierwiastka. Pierwsze 83 pierwiastki są zaznaczone kolorem zielonym z uwagi na to, że tylko one (z wyłączeniem dwóch: technetu i prometu) posiadają trwałe izotopy. Pierwiastki o liczbach atomowych od 1 do 92, wyłączając technet (43) i promet (61), są obramowane ciemnoczerwoną ramką. W ten sposób wyróżniono pierwiastki występujące na Ziemi.

Aplikacja stanowi nieco uproszczoną wersję znanej z poprzednich lekcji aplikacji z układem okresowym pierwiastków. Nie ma w niej możliwości przełączania trybów wyświetlania, a zestaw informacji na temat pierwiastka dostępny po kliknięciu wybranego pola układu jest uboższy i dotyczy procentowego udziału izotopów trwałych danego pierwiastka w zasobach naszej planety. Sam układ okresowy w wersji ogólnej oprócz typowych informacji, czyli nazwy, symbolu i liczby atomowej zawiera też dane o liczbie izotopów trwałych każdego pierwiastka. Pierwsze 83 pierwiastki są zaznaczone kolorem zielonym z uwagi na to, że tylko one (z wyłączeniem dwóch: technetu i prometu) posiadają trwałe izotopy. Pierwiastki o liczbach atomowych od 1 do 92, wyłączając technet (43) i promet (61), są obramowane ciemnoczerwoną ramką. W ten sposób wyróżniono pierwiastki występujące na Ziemi.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DGI2R9Upp

Ile izotopów wodoru występuje w przyrodzie?

Wodór występujący w przyrodzie jest mieszaniną głównie dwóch trwałych izotopów: wodoru‑1 (99,985%) i wodoru‑2 (0,015%). Oznacza to, że na 100 000 atomów wodoru, aż 99 985 atomów to izotopy wodoru‑1, a tylko 15 atomów to izotopy wodoru‑2. W górnych warstwach atmosfery, w śladowych ilościach może występować również nietrwały izotop wodoru – wodór‑3. Wymienione izotopy wodoru jako jedyne w świecie izotopów pierwiastków chemicznych otrzymały swoje nazwy. Nazwy te to kolejno: prot, deuter i tryt.

Izotopy wodoru (tak jak izotopy innych pierwiastków chemicznych) różnią się liczbą nukleonów. Stąd istnieje między nimi duża różnica mas – np. atom deuteru ma masę dwukrotnie większą od masy atomu protu, a tryt aż trzykrotnie większą. Różnice w masach atomowych poszczególnych izotopów wodoru skutkują ich odmiennymi właściwościami fizycznymi. W poniższej tabeli zestawiono wybrane wielkości fizyczne, które opisują gazowy wodór. Jego  cząsteczki zostały utworzone kolejno z atomów protu ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{)}$, deuteru ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{)}$ i trytu ${\text{(T}}_{\text{2}}\text{)}$.

Indeks górny Źródło: W. Mizerski, Tablice Chemiczne, Adamantan, 2004 Indeks górny koniec^{Źródło: W. Mizerski, Tablice Chemiczne, Adamantan, 2004}

Ciekawostka

Zawarty w cząsteczkach wody, poza tlenem, wodór ma charakterystyczny dla siebie skład izotopowy. Obok protu, w bardzo małych ilościach, występuje w wodzie także deuter. Możliwe jest uzyskanie próbek wody składającej się z tlenu i tylko jednego izotopu wodoru – deuteru. Taką wodę określa się mianem wody ciężkiej i opisuje często wzorem ${\mathrm{D}}_{\text{2}}\mathrm{O}$. Różni się ona pod względem właściwości fizycznych od „zwykłej” wody utworzonej z protu i tlenu ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$. Ciężka woda ma m.in. większą gęstość oraz wyższe temperatury wrzenia i topnienia niż woda „zwykła”.

Porównanie wybranych właściwości fizycznych wody “zwykłej” ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$ i wody ciężkiej ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{O)}$.

Rodzaj wody	Gęstość w temperaturze 25°C, [g/cmIndeks górny 33]	Temperatura topnienia [°C]	Temperatura wrzenia [°C]
woda “zwykła” ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$ — zbudowana z protu i tlenu; może zawierać śladowe ilości wody ciężkiej	0,998	0,00	99,974
woda ciężka ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{O)}$ - zbudowana z deuteru i tlenu	1,1044	3,81	101,42

Z uwagi na różną gęstość, ta sama masa wody ciężkiej i „zwykłej” ma inną objętość.

RDT5eMpXPhQIZ1

Ilustracja zawiera rysunki dwóch zlewek wypełnionych przezroczystym płynem oraz zaopatrzonych w podziałki objętościowe wyskalowane z dokładnością do 10 centymetrów sześciennych. Po lewej stronie zlewka podpisana 100 gramów wody "zwykłej", wypełniona jest do objętości 100 centymetrów sześciennych. Po prawej stronie zlewka podpisana 100 gramów wody ciężkiej, wypełniona jest do nieco ponad 90 centymetrów sześciennych.

Gdzie człowiek wykorzystuje izotopy?

Izotopy znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach życia człowieka. Niektóre z nich wykorzystuje się w medycynie, badaniach naukowych, energetyce, przemyśle, a nawet w gospodarstwie domowym. Wybrane przykłady zastosowań izotopów omówiono na poniższej grafice interaktywnej. Zapoznaj się z nimi.

Podsumowanie

• Izotopy są to atomy tego samego pierwiastka chemicznego, które mają jednakową liczbę protonów oraz różną liczbę neutronów.

• Większość pierwiastków chemicznych, które występują w przyrodzie, stanowi mieszaninę izotopów o  stałym składzie.

• Izotopy wodoru to: prot (${}^{\text{1}}\text{H}$), deuter (${}^{\text{2}}\text{H}$) i tryt (${}^{\text{3}}\text{H}$). Różnią się właściwościami fizycznymi.

• Izotopy mają zastosowanie m.in. w medycynie (w obrazowaniu i leczeniu zmian nowotworowych), w przemyśle (do otrzymywania energii), w badaniach naukowych (do określania wieku materiałów pochodzenia organicznego oraz określania przebiegu przemian jednych substancji w drugie).

• Masa atomowa pierwiastka chemicznego jest średnią masą atomową obliczoną z uwzględnieniem jego składu izotopowego.

• Masa izotopu jest w przybliżeniu liczbowo równa jego liczbie masowej, ale wyraża się ją w jednostkach masy atomowej (unitach).

Słownik