Przykłady atomów, pierwiastków i izotopów

O atomach najlepiej myśleć jako o najmniejszych, niepodzielnych kawałkach zwykłej materii. W rzeczywistości ich nazwa pochodzi od greckiego słowa „nie można wyciąć”. Atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów, chociaż najmniejszy i najprostszy rodzaj, atom wodoru, nie zawiera neutronów.

Pierwiastek to materia składająca się z jednego rodzaju atomu. Kiedy patrzysz na układ okresowy pierwiastków, każde pudełko, które widzisz, jest zajęte przez substancję o unikalnym układzie protonów i neutronów. W szczególnym przypadku obecności tylko jednego atomu pierwiastka definicje „atom” i „pierwiastek” są identyczne. Alternatywnie możesz mieć 10, 100 lub 1 000 000 ton materii składającej się tylko z jednego pierwiastka, o ile każdy atom w tej gigantycznej masie jest identyczny. Innymi słowy, gdy przedstawisz atom i pierwiastek i powiedziano, że tylko jeden jest mikroskopijny, wiesz, który jest przykładem elementu (chociaż nie wszystkie skupiska pojedynczego elementu są oczywiście na tyle duże, aby można je było zobaczyć gołym okiem lub nawet konwencjonalnym mikroskop).

Przykłady atomów, o których na pewno słyszałeś – chyba że właśnie wylądowałeś tutaj z innej planety, lub być może w równoległym wszechświecie, w którym same atomy są niespotykane – zawierają wodór, tlen i węgiel, jako absolutne minimum. Wodór i tlen to dwa atomy w wodzie, przy czym wzór chemiczny wody to H₂O ponieważ jeden cząsteczka wody zawiera dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Zauważ, że woda, chociaż nie może stracić żadnego ze swoich atomów składowych i nadal być wodą, nie jest pierwiastkiem, ponieważ nie wszystkie jej atomy są identyczne. Zamiast tego jest to złożony. (Więcej o tej nomenklaturze wkrótce.)

Każdy atom może zawierać trzy różne składniki: protony, neutrony i elektrony. W rzeczywistości każdy atom oprócz atomu wodoru zawiera co najmniej jeden z nich; wodór składa się z jednego protonu i jednego elektronu, ale nie zawiera neutronów. Protony i neutrony mają prawie taką samą masę, przy czym proton wynosi 1,6726231 x 10^-27 kg, a elektronu 1,6749286 x 10^-27 kg. Elektrony są jeszcze mniejsze do tego stopnia, że ​​ich łączną masę można pominąć dla celów praktycznych przy obliczaniu masy danego atomu. Jeden elektron ma masę 9.1093897 x 10^-31 kg.

Atomy w swojej postaci pierwiastkowej zawierają równą liczbę protonów i elektronów. Proton niesie mały dodatni ładunek elektryczny, oznaczony jako +1, podczas gdy elektron ma ładunek -1. Neutrony nie mają ładunku, więc zwykły atom nie ma ładunku netto, ponieważ dodatni ładunek protonu i ujemny ładunek elektronu znoszą się nawzajem. Niektóre atomy mają jednak nierówną liczbę protonów i elektronów, a zatem niosą ładunek netto (np. -2 lub +3); te atomy nazywają się jony.

Fizycznie atomy są ułożone mniej więcej jak Układ Słoneczny, z mniejszymi kawałkami materii wirującymi wokół znacznie masywniejszego środka. Jednak w astronomii siła grawitacji jest tym, co sprawia, że ​​planety krążą wokół Słońca; w atomach jest to siła elektrostatyczna. Protony i neutrony atomu gromadzą się razem, tworząc centrum zwane jądrem. Ponieważ jądro zawiera tylko składniki dodatnie i nie niosące ładunku, jest naładowane dodatnio. W międzyczasie elektrony istnieją w chmurze wokół jądra, przyciągane przez jego ładunek dodatni. Nie można dokładnie określić położenia elektronu w dowolnym momencie, ale prawdopodobieństwo jego przebywania w określonym miejscu w przestrzeni można obliczyć z dużą dokładnością. Ta niepewność stanowi podstawę fizyki kwantowej, rozwijającej się dziedziny, która przeszła z teorii do szeregu ważnych zastosowań w inżynierii i technologii komputerowej.

Układ okresowy pierwiastków jest uniwersalnym środkiem zarówno dla naukowców, jak i początkujących studentów zapoznaj się z nazwami wszystkich różnych atomów wraz z podsumowaniem ich krytycznych nieruchomości. Można je znaleźć w każdym podręczniku do chemii oraz w niezliczonych miejscach w Internecie. Powinieneś mieć jeden pod ręką podczas przeglądania tej sekcji.

Układ okresowy zawiera nazwy i jedno- lub dwuliterowe skróty wszystkich 103 pierwiastków lub, jeśli wolisz, typów atomów. 92 z nich występuje naturalnie, podczas gdy najcięższe 11, o numerach od 93 do 103, zostały wyprodukowane tylko w warunkach laboratoryjnych. Liczba każdego pierwiastka w układzie okresowym odpowiada jego liczbie atomowej, a więc liczbie zawartych w nim protonów. Pudełko w tabeli odpowiadające pierwiastkowi zwykle pokazuje jego masę atomową – czyli całkowitą masę jego protonów, neutronów i elektronów – na dole pudełka, pod nazwą atomu. Ponieważ dla celów praktycznych jest to masa samych protonów i neutronów, a protony i neutrony mają bardzo zbliżone taką samą masę, możesz wywnioskować, ile neutronów ma atom, odejmując jego liczbę atomową (liczbę protonów) od masy atomowej i zaokrąglając poza. Na przykład sód (Na) jest numerem 11 w układzie okresowym i ma masę 22,99 jednostek masy atomowej (amu). Zaokrąglając to do 23, możesz obliczyć, że sód musi mieć 23 - 11 = 12 neutronów.

Z powyższego można wywnioskować, że atomy stają się cięższe, gdy porusza się od lewej do prawej i od góry do na dole tabeli, jak czytanie strony w książce, na której każde nowe słowo jest tylko trochę większe od poprzedniego słowo.

Pierwiastki mogą istnieć jako ciała stałe, ciecze lub gazy w swoim naturalnym stanie. Węgiel (C) jest przykładem ciała stałego; rtęć (Hg), występująca w „starych” termometrach, jest cieczą; a wodór (H) istnieje jako gaz. Można je pogrupować za pomocą układu okresowego pierwiastków w kategorie na podstawie ich właściwości fizycznych. Jednym z wygodnych sposobów podziału ich jest na metale i niemetale. Metale obejmują sześć podtypów, a niemetale tylko dwa. (Bor, arsen, krzem, german, antymon, tellur i astat są uważane za metaloidy.)

Układ okresowy zawiera 18 kolumn, choć nie każda możliwa przestrzeń w każdej kolumnie jest zajęta. Pierwszy pełny wiersz – czyli pierwsza instancja wszystkich 18 kolumn zawierających pierwiastek – zaczyna się od elementu o numerze 19 (K lub potas) i kończy na numerze 36 (Kr lub krypton). Na pierwszy rzut oka wydaje się to niezręczne, ale zapewnia, że ​​atomy o podobnych właściwościach pod względem ich zachowanie wiązania i inne zmienne pozostają w łatwo identyfikowanych wierszach, kolumnach lub innych grupach w obrębie stół.

Izotopy to różne atomy, które mają tę samą liczbę atomową, a zatem są tym samym pierwiastkiem, ale mają różną liczbę neutronów. Dlatego różnią się one masą atomową. Więcej informacji na temat izotopów znajduje się w kolejnej sekcji.

Zachowanie wiązania jest jednym z wielu kryteriów, według których można oddzielić atomy. Na przykład sześć naturalnie występujących pierwiastków w kolumnie 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) nazywa się Gazy szlachetne ponieważ zasadniczo nie reagują z innymi elementami; przypomina to, jak w dawnych czasach członkowie klas szlacheckich nie mieszali się ze zwykłym ludem.

Metale można podzielić na sześć typów (alkaliczne, ziem alkalicznych, przejściowe, potransformacyjne oraz aktynowce i lantanowce). Wszystkie one należą do odrębnych regionów w układzie okresowym. Większość pierwiastków to jakieś metale, ale wśród 17 niemetali znajdują się niektóre z lepiej znanych atomów, w tym tlen, azot, siarka i fosfor, z których wszystkie są niezbędne do życia.

Związek składa się z jednego lub więcej pierwiastków. Na przykład woda jest związkiem. Ale możesz też mieć jeden lub więcej pierwiastków lub związków rozpuszczonych w innym płynnym związku (zwykle wodzie), takim jak cukier rozpuszczony w wodzie. Jest to przykład rozwiązania, ponieważ cząsteczki substancji rozpuszczonej (rozpuszczone ciało stałe) nie wiążą się z cząsteczkami substancji rozpuszczonej (takiej jak woda, etanol lub cokolwiek innego).

Najmniejsza jednostka związku nazywana jest cząsteczką. Relacja atomów do pierwiastków odzwierciedla relacje między cząsteczkami i związkami. Jeśli masz kawałek czystego sodu, pierwiastek i zmniejszysz go do najmniejszego możliwego rozmiaru, pozostanie atom sodu. Jeśli masz kolekcję czystego chlorku sodu (sól kuchenna; NaCl) i zredukować go do najmniejszego, zachowując wszystkie jego właściwości fizyczne i chemiczne, pozostaje cząsteczka chlorku sodu.

10 najliczniejszych pierwiastków na Ziemi stanowi około 99 procent masy wszystkich pierwiastków występujących na całej planecie, w tym w atmosferze. Sam tlen (O) stanowi 46,6 procent masy Ziemi. Krzem (Si) stanowi 27,7 procent, aluminium (Al) 8,1 procent, a żelazo (Fe) 5,0 procent. Kolejne cztery najliczniejsze z nich występują jako elektrolity w ludzkim ciele: wapń (Ca) w stężeniu 3,6 procent, sód (Na) w stężeniu 2,8 procent, potas (K) w stężeniu 2,6 procent i magnez (Mg) w 2,1 procent.

Elementy znalezione w znacznych ilościach w widocznej formie lub elementy, które są po prostu znane, mogą być w pewnym sensie uważane za elementy główne. Kiedy patrzysz na czyste złoto, czy to malutki płatek, czy dużą cegłę (to ostatnie jest mało prawdopodobne!), patrzysz na pojedynczy element. Ten kawałek złota nadal byłby uważany za złoto, nawet gdyby pozostał tylko jeden atom. Z drugiej strony, jak zauważa NASA, złota moneta może zawierać około 20 000 000 000 000 000 000 000 (20 septylionów) atomów złota w zależności od rozmiaru monety.

Na izotop jest odmianą atomu, w taki sam sposób, w jaki Doberman Pinscher jest odmianą psa. Przypomnij sobie, że jedną ważną właściwością danego typu atomu jest to, że jego liczba atomowa, a co za tym idzie liczba zawartych w nim protonów, nie może się zmienić. Dlatego, jeśli atomy mają występować w wariantach, ta zmienność musi być wynikiem różnic w liczbie neutronów.

Większość pierwiastków ma jeden stabilny izotop, który jest formą, w której pierwiastek występuje najczęściej. Jednak niektóre pierwiastki występują naturalnie jako mieszanina izotopów. Na przykład żelazo (Fe) składa się z około 5,845% ⁵⁴Fe, 91,754 procent ⁵⁶Fe, 2,119 procent ⁵⁷Fe i 0,282 procent ⁵⁸Fe. Indeksy górne po lewej stronie skrótów pierwiastków wskazują liczbę protonów i neutronów. Ponieważ liczba atomowa żelaza wynosi 26, wymienione powyżej izotopy mają kolejno 28, 30, 31 i 32 neutrony.

Wszystkie izotopy danego atomu mają te same właściwości chemiczne, co oznacza, że ​​ich zachowanie wiązania jest takie samo. Ich właściwości fizyczne, takie jak ich masa, temperatura wrzenia i temperatura topnienia, są różne i służą do ich rozróżnienia.