Exempel på atomer, element och isotoper

Atomer anses bäst som de minsta odelbara bitarna av vanlig materia. Faktum är att deras namn härstammar från grekiska för "kan inte klippas." Atomer består av protoner, neutroner och elektroner, även om den minsta och enklaste typen, väteatomen, inte innehåller några neutroner.

Ett element är materia som består av en enda typ av atom. När du tittar på elementens periodiska system är varje ruta du ser upptagen av ett ämne med ett unikt arrangemang av protoner och neutroner. I det speciella fallet att endast en enda atom av ett element är närvarande, är definitionen av "atom" och "element" identiska. Alternativt kan du ha 10 eller 100 eller 1 000 000 ton materia som bara består av ett enda element, så länge varje atom i den jätte massan är identisk. Sagt något annorlunda, när de presenteras med en atom och ett element och får höra att bara en är mikroskopisk, vet du vilket är ett exempel på en element (även om inte alla aggregeringar av ett enda element naturligtvis är tillräckligt stora för att ses med blotta ögat eller till och med en konventionell mikroskop).

Exempel på atomer som du nästan är säker på att du har hört talas om - såvida du inte precis landade här från en annan planet, eller kanske i ett parallellt universum där atomer själva är okända - inkluderar väte, syre och kol, på ett absolut minimum. Väte och syre är de två atomerna i vatten, med den kemiska formeln för vatten är H₂O för en molekyl vatten innehåller två väteatomer och en syreatom. Observera att vatten, även om det inte kan förlora några av dess ingående atomer och fortfarande är vatten, inte är ett element, eftersom inte alla dess atomer är identiska. Istället är det en förening. (Mer om denna nomenklatur snart.)

Varje atom kan innehålla tre olika komponenter: protoner, neutroner och elektroner. Faktum är att varje atom förutom väteatomen innehåller minst en av vardera; väte består av en proton och en elektron, men har inga neutroner. Protoner och neutroner har nästan samma massa, med en protons massa 1,6726231 x 10^-27 kg och den hos en elektron är 1,6749286 x 10^-27 kg. Elektroner är fortfarande tunnare, så mycket att deras sammanlagda massa kan försummas för praktiska ändamål när man beräknar massan för en given atom. En elektron har en massa av 9.1093897 x 10^-31 kg.

Atomer i sin elementära form innehåller lika många protoner och elektroner. En proton bär en liten positiv elektrisk laddning, betecknad +1, medan en elektron har en laddning på -1. Neutroner har ingen laddning, så en vanlig atom har ingen nettoladdning eftersom protonens positiva laddning och elektronens negativa laddning avbryter varandra. Vissa atomer har dock olika antal protoner och elektroner och har således en nettoladdning (t.ex. -2 eller +3); dessa atomer kallas joner.

Fysiskt är atomer ordnade ungefär som solsystemet, med mindre bitar av material som snurrar runt det mycket mer massiva centrumet. I astronomi är dock gravitationskraften som håller planeterna roterande runt solen; i atomer är det en elektrostatisk kraft. Protonerna och neutronerna i en atom klumpas samman för att bilda centrum, kallad kärnan. Eftersom kärnan endast innehåller positiva och icke-laddningsbärande komponenter är den positivt laddad. Elektronerna finns emellertid i ett moln runt kärnan, dras till den av dess positiva laddning. Positionen för en elektron när som helst kan inte vara exakt känd, men dess sannolikhet att vara på en viss plats i rymden kan beräknas med hög noggrannhet. Denna osäkerhet utgör grunden för kvantfysik, ett växande fält som har flyttat från det teoretiska till ett antal viktiga tillämpningar inom teknik och datateknik.

Elementens periodiska system är ett universellt medel för forskare och nybörjare bli bekant med namnen på alla de olika atomerna, tillsammans med en sammanfattning av deras kritiska egenskaper. Dessa finns i varje kemibok och på obegränsade platser online. Du bör ha en praktisk som referens när du konsulterar detta avsnitt.

Det periodiska systemet innehåller namnen och förkortningarna på en eller två bokstäver för alla 103 element, eller om du föredrar, atomtyper. 92 av dessa förekommer naturligt, medan de tyngsta 11, numrerade 93 till 103, har producerats endast under laboratorieförhållanden. Varje elements nummer i det periodiska systemet motsvarar dess atomnummer och därmed antalet protoner som det innehåller. Rutan i tabellen som motsvarar ett element visar vanligtvis sin atommassa - det vill säga den totala massan av dess protoner, neutroner och elektroner - på botten av rutan, under atomens namn. Eftersom det för praktiska ändamål uppgår till massan av protonerna och neutronerna ensamma, och eftersom protoner och neutroner har mycket nära samma massa kan du dra slutsatsen hur många neutroner en atom har genom att subtrahera dess atomnummer (antalet protoner) från atommassan och avrundning av. Till exempel är natrium (Na) nummer 11 i det periodiska systemet och har en massa av 22,99 atommasseenheter (amu). Om du avrundar detta till 23 kan du sedan beräkna att natrium måste ha 23 - 11 = 12 neutroner.

Av allt ovanstående kan du samla att atomer blir tyngre när man rör sig från vänster till höger och från topp till längst ner i tabellen, som att läsa en sida i boken där varje nytt ord bara är lite större än föregående ord.

Element kan finnas som fasta ämnen, flytande eller gaser i sitt ursprungliga tillstånd. Kol (C) är ett exempel på ett fast ämne; kvicksilver (Hg), som finns i "old-school" termometrar, är en vätska; och väte (H) existerar som en gas. De kan grupperas, med hjälp av det periodiska systemet, i kategorier på grundval av deras fysiska egenskaper. Ett bekvämt sätt att dela upp dem är i metaller och icke-metaller. Metaller innehåller sex undertyper, medan icke-metaller bara har två. (Bor, arsenik, kisel, germanium, antimon, tellur och astatin anses vara metalloider.)

Det periodiska systemet innehåller 18 kolumner, men inte alla möjliga utrymmen i varje kolumn är upptagen. Den första fullständiga raden - det vill säga den första instansen av alla 18 kolumner som innehåller ett element - börjar med element nummer 19 (K eller kalium) och slutar med nummer 36 (Kr eller krypton). Detta verkar besvärligt med en överblick, men det säkerställer att atomer med liknande egenskaper när det gäller deras bindningsbeteende och andra variabler finns kvar i lätt identifierbara rader, kolumner eller andra grupper inom tabell.

Isotoper är olika atomer som har samma atomnummer, och är därför samma element, men har olika antal neutroner. De varierar därför i sin atommassa. Mer information om isotoper visas i ett efterföljande avsnitt.

Bindningsbeteende är ett av olika kriterier genom vilka atomer kan separeras. Till exempel kallas de sex naturligt förekommande elementen i kolumn 18 (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) ädelgaser eftersom de i huvudsak inte är reaktiva med andra element; detta påminner om hur medlemmar av adelsklasserna i gamla tider inte blandade sig med vanligt folk.

Metaller kan delas in i sex typer (alkali, jordalkali, övergång, efterövergång och aktinoiderna och lantanoiderna). Dessa faller alla i olika regioner i det periodiska systemet. Majoriteten av elementen är metaller av något slag, men de 17 icke-metallerna innehåller några av de bättre kända atomerna, inklusive syre, kväve, svavel och fosfor, som alla är livsviktiga.

En förening är tillverkad av ett eller flera element. Till exempel är vatten en förening. Men du kan också ha ett eller flera element eller föreningar upplösta i en annan, flytande förening (vanligtvis vatten), som socker upplöst i vatten. Detta är ett exempel på en lösning eftersom molekylerna i det upplösta ämnet (det upplösta fasta ämnet) inte binder till molekylerna av upplöst ämne (såsom vatten, etanol eller vad har du).

Den minsta enheten i en förening kallas en molekyl. Förhållandet mellan atomer och element speglar förhållandet mellan molekyler och föreningar. Om du har en bit ren natrium, ett element, och reducerar det till sin minsta möjliga storlek, återstår det en natriumatom. Om du har en samling ren natriumklorid (bordssalt; NaCl) och reducera det till det minsta eftersom det kan ta samtidigt som du behåller alla dess fysiska och kemiska egenskaper, du har en natriumkloridmolekyl kvar.

De tio vanligaste elementen på jorden utgör cirka 99 procent av massan av alla element som finns över hela planeten, inklusive i atmosfären. Syre (O) ensam står för 46,6 procent av jordens massa. Kisel (Si) står för 27,7 procent, medan aluminium (Al) kontrollerar 8,1 procent och järn (Fe) 5,0 procent. De nästkommande fyra mest rikliga finns alla som elektrolyter i människokroppen: Kalcium (Ca) vid 3,6 procent, natrium (Na) vid 2,8 procent, kalium (K) vid 2,6 procent och magnesium (Mg) vid 2,1 procent.

Element som finns i stora mängder i synlig form, eller element som bara är beryktade, kan i någon mening betraktas som stora element. När du tittar på rent guld, vare sig det är en liten fling eller en stor tegelsten (den senare är osannolikt!), Tittar du på ett enda element. Denna guldbit skulle fortfarande betraktas som guld även om allt utom en enda atom kvarstod. Å andra sidan, som NASA noterar, kan ett guldmynt ha cirka 20.000.000.000.000.000.000.000 (20 septillion) guldatomer beroende på myntets storlek.

Ett isotop är en variant av en atom, på ungefär samma sätt som en Doberman Pinscher är en variant av en hund. En viktig egenskap hos en viss atomtyp, kommer du ihåg, är att dess atomnummer, och därmed antalet protoner som det innehåller, inte kan förändras. Därför, om atomer ska komma i varianter, måste denna variation vara resultatet av skillnader i neutronantal.

De flesta element har en enda stabil isotop, vilket är den form i vilken elementet oftast finns. Vissa element finns dock naturligt som en blandning av isotoper. Till exempel består järn (Fe) av cirka 5,845 procent av ⁵⁴Fe, 91,754 procent av ⁵⁶Fe, 2.119 procent av ⁵⁷Fe och 0,282 procent av ⁵⁸Fe. Superskripten till vänster om elementförkortningarna anger antalet protoner plus neutroner. Eftersom atomantalet på järn är 26 har de ovan nämnda isotoperna, i ordning, 28, 30, 31 och 32 neutroner.

Alla isotoper av en given atom har samma kemiska egenskaper, vilket innebär att deras bindningsbeteende är detsamma. Deras fysiska egenskaper, såsom deras massor, kokpunkter och smältpunkter, är olika och är de medel som används för att skilja mellan dem.