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

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

O atomach pierwiastka, które zawierają jednakową liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów w jądrze, mówi się, że są izotopamiizotopyizotopami.

Pierwiastkiem, który ma kilka izotopów, jest azot. W jądrze jednego z nich znajduje się siedem, a w jądrze drugiego – osiem neutronów. Każdy z tych izotopów ma taką samą liczbę protonów, którą można odczytać z układu okresowego.

R1MCmaf3XrVbU1

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

Liczba atomowa azotu wynosi 7 i tyle też protonów znajduje się w jądrach wszystkich atomów tego pierwiastka. W przypadku opisanych powyżej izotopów suma protonów i neutronów będzie różna.

Istotna w opisie izotopów jest informacja dotycząca liczby neutronów, które one zawierają. Dlatego do ich opisu wykorzystuje się głównie liczbę masową, dostarczającą informacji na temat liczby tych cząstek. Liczba atomowa najczęściej jest pomijana z uwagi na to, że można ją znaleźć w układzie okresowym.

Izotopy prezentuje się na dwa sposoby: liczbę masową umieszcza się w górnym indeksie z lewej strony symbolu pierwiastka bądź też po myślniku za nazwą pierwiastka, np.: ${}^{\text{14}}\text{N}$ lub azot‑14.

2. Czy izotopy można znaleźć w przyrodzie?

Pierwiastki chemiczne występujące w przyrodzie są mieszaniną izotopów o stałym składzie procentowym. Mogą one składać się z jednego, kilku lub więcej izotopów.

Niektóre izotopy pierwiastków są trwałe, inne zaś nie. Nietrwałe ulegają przemianom, w których mogą powstać izotopy tego samego bądź innego pierwiastka. Tej przemianie towarzyszy emisja promieniowania.
Na Ziemi można spotkać pierwiastki o liczbie atomowej do 92 włącznie (oprócz technetu i prometu). Pierwiastki o liczbie atomowej do 83 są trwałe. Z uwagi na brak w środowisku naturalnym technetu i prometu na Ziemi istnieje 81 pierwiastków, które mają trwałe izotopy.

RpB95KTGC8EDO

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/D14log14V

3. Ile izotopów wodoru występuje w przyrodzie?

Izotopy o jednakowej liczbie atomowej należą do tego samego pierwiastka. Zasadniczo wykazują one jednakowe właściwości, a jedynym wyjątkiem są izotopy wodoru. Wodór występujący w przyrodzie jest mieszaniną głównie dwóch trwałych izotopów: ${}^{\text{1}}\text{H}$ (99,985%) i ${}^{\text{2}}\text{H}$ (0,015%). Oznacza to, że na 100 000 atomów wodoru 99 985 atomów to izotopy ${}^{\text{1}}\text{H}$, a 15 atomów – izotopy ${}^{\text{2}}\text{H}$. Istnieje jeszcze trzeci, nietrwały izotop ${}^{\text{3}}\text{H}$. Występuje on w śladowych ilościach. Izotopy wodoru jako jedyne w świecie pierwiastków otrzymały swoje nazwy: prot, deuter i tryt.

Symbol izotopu wodoru
${}^{\text{1}}\text{H}$ lub wodór‑1
Nazwa izotopu wodoru – prot
Model izotopu wodoru

R1B7rCDsCqvJO1

Ilustracja przedstawia uproszczony model budowy atomu wodoru z protonem w jądrze. Rysunek ma postać dużego czerwonego koła symbolizującego powłokę elektronową z jedną rozmytą ciemniejszą plamą oznaczającą elektron. W samym środku tego koła znajduje się białe koło symbolizujące proton. Taki najprostszy, najczęściej spotykany izotop wodoru nosi nazwę Prot.

Symbol izotopu wodoru
${}^{\text{2}}\text{H}$ lub wodór‑2
Nazwa izotopu wodoru – deuter
Model izotopu wodoru

R1FBpRk53P7nr1

Ilustracja przedstawia uproszczony model budowy atomu wodoru z protonem i neutronem w jądrze. Rysunek ma postać dużego czerwonego koła symbolizującego powłokę elektronową z jedną rozmytą ciemniejszą plamą oznaczającą elektron. W samym środku tego koła znajdują się przylegające do siebie białe koło symbolizujące proton oraz niebieskie koło symbolizujące neutron. Taki izotop wodoru nosi nazwę Deuter.

Symbol izotopu wodoru
${}^{\text{3}}\text{H}$ lub wodór‑3
Nazwa izotopu wodoru – tryt
Model izotopu wodoru

RWplflDmZTMjO1

Ilustracja przedstawia uproszczony model budowy atomu wodoru z protonem i dwoma neutronami w jądrze. Rysunek ma postać dużego czerwonego koła symbolizującego powłokę elektronową z jedną rozmytą ciemniejszą plamą oznaczającą elektron. W samym środku tego koła znajdują się przylegające do siebie białe koło symbolizujące proton oraz dwa niebieskie koła symbolizujące neutrony. Taki nietrwały izotop wodoru nosi nazwę Tryt.

Łatwo zauważyć, że izotopy wodoru różnią się liczbą nukleonów. Z tego powodu istnieje między nimi duża różnica mas, np. atom deuteru ma masę dwukrotnie większą od masy atomu protu, a tryt – aż trzykrotnie. Zjawisko to wpływa na właściwości tych izotopów: prot, deuter i tryt mają odmienne właściwości.

Ciekawostka

Ciężka woda
Woda składa się z wodoru i tlenu. Zawarty w niej wodór ma charakterystyczny dla siebie skład izotopowy. Obok protu, w bardzo małych ilościach, występuje w wodzie także deuter. Możliwe jest uzyskanie wody składającej się z tlenu i tylko jednego izotopu wodoru – deuteru. Taką wodę określa się mianem wody ciężkiej. Różni się ona pod względem właściwości fizycznych od wody spotykanej w przyrodzie. Ma większą gęstość oraz wyższą temperaturę wrzenia i topnienia.

Porównanie właściwości fizycznych wody „zwykłej” i ciężkiej

Rodzaj wody	Temperatura topnienia [°C]	Temperatura wrzenia [°C]	Gęstość w temperaturze 298K [g/cmIndeks górny 33]
zwykła (zbudowana z tlenu i wodoru – mieszaniny izotopów o ustalonym składzie)	0,00	99,974	0,998
woda ciężka (zbudowana z tlenu i deuteru)	3,81	101,42	1,1044

Z uwagi na różną gęstość ta sama masa wody ciężkiej i „zwykłej” ma inną objętość. 100 g wody zwykłej zajmuje objętość około 100 cmIndeks górny 3³, podczas gdy ta sama masa wody ciężkiej mieści się w około 90,5 cmIndeks górny 3³.

R1FhECKQxpzmE1

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 Woda zwykła wypełniona jest do objętości 100 centymetrów sześciennych. Po prawej stronie zlewka podpisana Woda ciężka wypełniona jest do nieco ponad 90 centymetrów sześciennych.

4. Gdzie człowiek wykorzystuje izotopy?

Izotopy znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach życia człowieka: w medycynie, badaniach naukowych, energetyce, przemyśle, a nawet w gospodarstwie domowym.

R1T7H5Nv6JkwF1

Zastosowanie izotopów

Zastosowanie izotopów

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D14log14V

5. Jakie masy mają izotopy?

Z uwagi na ogromne różnice między masą elektronu a masą nukleonów (protonu i neutronu) o masie atomu decyduje przede wszystkim liczba obecnych w nim protonów i neutronów. Prawie cała masa atomu jest skupiona w jego jądrze.

Masa protonu jest w przybliżeniu równa masie neutronu i wynosi 1 u (1 u = 1,66 Indeks górny .^. 10Indeks górny -24^-24 g), dlatego tyle, ile nukleonów zawiera jądro atomowe, wyniesie w przybliżeniu jego masa atomowa wyrażona w unitach. Można powiedzieć, że suma mas protonów i neutronów, czyli liczba masowa, jest liczbowo równa masie atomowej wyrażonej w atomowych jednostkach masy [u].

R1PGjhnDOK93i1

Ilustracja przedstawia schemat wyjaśniający zagadnienie masy atomowej. Rozpoczyna go informacja, że masa elektronu wynosi jedną tysiąc osiemset trzydziestą siódmą masy protonu i neutronu i z tego powodu masa atomu jest tak naprawdę skupiona w jego jądrze. Z tego wynika, że masa atomowa podawana w tak zwanych unitach to liczba protonów w jądrze pomnożona przez masę protonu plus liczba neutronów w jądrze pomnożona przez masę neutronu. Następnie pojawia się spostrzeżenie, że masa protonu jest równa masie neutronu i że wynosi ona jeden unit. To wszystko prowadzi do wniosku, że masa atomowa podawana w unitach wynosi tyle, co liczba protonów w jądrze razy jeden unit plus liczba neutronów w jądrze razy jeden unit. Prosta operacja wyprowadzenia wspólnych elementów obydwu iloczynów przed nawias prowadzi do wniosku: masa atomowa podawana w unitach jest liczbowo równa liczbie masowej danego pierwiastka.

Korzystając z powyższych informacji i wzoru (masa atomowa [u] = liczba masowa Indeks górny .^. 1 u), łatwo można obliczyć, że masa atomowa protu (${}^{\text{1}}\text{H}$) wynosi 1 u, deuteru (${}^{\text{2}}\text{H}$) 2 u, natomiast trytu (${}^{\text{3}}\text{H}$) 3 u.

6. Średnia masa atomowa pierwiastków

Masa atomowa zapisana w układzie okresowym to masa atomowa uśredniona. Dlatego często przyjmuje wartości ułamkowe. Przy jej obliczaniu wzięto pod uwagę to, że pierwiastki chemiczne składają się z izotopów, a każdy izotop ma swój udział w masie atomowej danego pierwiastka.

Analogicznie jest w przypadku próby określenia średniej masy ciała uczniów w klasie na podstawie informacji, że 5% z nich waży 40 kg, następne 15% ma masę 60 kg, a pozostali, czyli 80% uczniów, ważą po 50 kg. Wówczas średnia masa wszystkich uczniów wynosiłaby 51 kg:

Wynik byłby taki, mimo że nikt z uczniów nie ma takiej masy ciała.
Podobnie jest z pierwiastkami chemicznymi – przy obliczaniu ich średnich mas atomowych bierze się pod uwagę skład izotopowy (skład procentowy) każdego z nich. Do obliczania średnich mas atomowych pierwiastków można posłużyć się następującym wzorem:

gdzie:
$\text{X\%}$ – procentowa zawartość izotopu.

Przy użyciu powyższego wzoru można obliczyć średnią masę atomową wodoru:

RZilHh72CrYcy1

Film rozpoczyna plansza z poleceniem: Wyznacz średnią masę atomową potasu, jeśli jest on mieszaniną następujących izotopów - K-39 w ilości 93,2581%, K-40 w ilości 0,0117% oraz K-41 w ilości 6,7302%. Pod tym napisem pojawia się wzór na średnią masę atomową pierwiastka z jego izotopów, a następnie wzór na średnią masę atomową pierwiastka K o trzech izotopach. Następnie pojawiają się pytania pomocnicze dotyczące masy wszystkich trzech izotopów potasu. Wraz z komentarzem znaki zapytania w równaniach masy trzech izotopów zostają zastąpione wartościami liczbowymi. Z ekranu znikają równania, a pozostają dane liczbowe wymagane do przeprowadzenia obliczeń. Następuje podstawienie danych do wzoru i podanie wyniku: średnia masa atomowa potasu jest równa 39,1347 unitów.

Film rozpoczyna plansza z poleceniem: Wyznacz średnią masę atomową potasu, jeśli jest on mieszaniną następujących izotopów - K-39 w ilości 93,2581%, K-40 w ilości 0,0117% oraz K-41 w ilości 6,7302%. Pod tym napisem pojawia się wzór na średnią masę atomową pierwiastka z jego izotopów, a następnie wzór na średnią masę atomową pierwiastka K o trzech izotopach. Następnie pojawiają się pytania pomocnicze dotyczące masy wszystkich trzech izotopów potasu. Wraz z komentarzem znaki zapytania w równaniach masy trzech izotopów zostają zastąpione wartościami liczbowymi. Z ekranu znikają równania, a pozostają dane liczbowe wymagane do przeprowadzenia obliczeń. Następuje podstawienie danych do wzoru i podanie wyniku: średnia masa atomowa potasu jest równa 39,1347 unitów.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RZilHh72CrYcy

Film rozpoczyna plansza z poleceniem: Wyznacz średnią masę atomową potasu, jeśli jest on mieszaniną następujących izotopów - K-39 w ilości 93,2581%, K-40 w ilości 0,0117% oraz K-41 w ilości 6,7302%. Pod tym napisem pojawia się wzór na średnią masę atomową pierwiastka z jego izotopów, a następnie wzór na średnią masę atomową pierwiastka K o trzech izotopach. Następnie pojawiają się pytania pomocnicze dotyczące masy wszystkich trzech izotopów potasu. Wraz z komentarzem znaki zapytania w równaniach masy trzech izotopów zostają zastąpione wartościami liczbowymi. Z ekranu znikają równania, a pozostają dane liczbowe wymagane do przeprowadzenia obliczeń. Następuje podstawienie danych do wzoru i podanie wyniku: średnia masa atomowa potasu jest równa 39,1347 unitów.

Podsumowanie

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

• Większość pierwiastków chemicznych występujących 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 one właściwościami.

• Izotopy mają zastosowanie między innymi 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 otrzymaną po uwzględnieniu jego składu izotopowego.

• Masa izotopu jest liczbowo w przybliżeniu równa jego liczbie masowej.

Słowniczek

Zadania