Atom, izotop i jon: trzy różne informacje

Potrzebne wiadomości: Ładunek elektryczny i zapis liczby całkowitej.

Trzy liczby, które warto rozdzielić

Proton ma ładunek +e, elektron −e, a neutron jest elektrycznie neutralny. Jądro zawiera protony i neutrony, natomiast elektrony tworzą stany związane wokół niego. Z tych prostych informacji można policzyć skład atomu i jonu, o ile nie pomylimy liczby cząstek z masą.

W zapisie ^{A}_{Z}X Z jest liczbą protonów, a A liczbą wszystkich nukleonów, czyli protonów i neutronów. Stąd N = A − Z. To Z ustala pierwiastek. Zmiana liczby neutronów daje inny izotop tego samego pierwiastka; zmiana liczby elektronów daje jon, bez koniecznej zmiany jądra.

Jak czytać zapis, zanim zaczniemy liczyć?

Spójrz na {}^{25}_{12}\mathrm{Mg}^{2+}. Symbol Mg oznacza magnez. Liczba 12 u dołu po lewej to liczba atomowa Z: w jądrze jest 12 protonów. Liczba 25 u góry po lewej to liczba masowa A: w jądrze jest łącznie 25 protonów i neutronów. Zapis 2+ po prawej opisuje ładunek całego jonu, równy +2e. To trzy różne informacje, więc nie należy dodawać ani odejmować wszystkich zapisanych liczb naraz.

Najpierw obliczamy neutrony: N=A-Z=25-12=13. Dopiero potem ustalamy elektrony. Słowo nukleon obejmuje proton i neutron; elektron nie jest nukleonem. Dlatego nie wchodzi do sumy A, choć ma niezerową masę.

Na wcześniejszym rysunku porównano atom i jon magnezu-24, z 12 neutronami. W zapisie powyżej oraz w pierwszym zadaniu występuje magnez-25, z 13 neutronami. W obu przypadkach Z = 12; to dwa izotopy tego samego pierwiastka.

Jak odczytać ładunek jonu?

Jeżeli atom ma nₑ elektronów, jego całkowity ładunek wynosi q = (Z − nₑ)e. Dodatni jon ma więc mniej elektronów niż protonów. Znak plus nie oznacza, że dołożono proton do jądra. Dla neutralnego atomu nₑ = Z.

Symbol e oznacza dodatnią wartość ładunku elementarnego. Elektron ma ładunek −e, a nie +e. Neutrony nie zmieniają bilansu ładunku, więc sumujemy tylko wkłady protonów i elektronów: q=Ze-n_e e=(Z-n_e)e. Dla jonu o ładunku +2e warunek brzmi Z-n_e=2, stąd n_e=Z-2. Dla ładunku −e otrzymujemy Z-n_e=-1, czyli n_e=Z+1.

Pomaga prosta reguła: jon dodatni, czyli kation, ma niedobór elektronów; jon ujemny, czyli anion, ma ich nadmiar. Porównujemy liczbę elektronów z liczbą protonów tego samego jądra. Samo zwiększenie lub zmniejszenie liczby neutronów nie naładuje obojętnego atomu.

Rozważmy ³⁵₁₇Cl⁻. Jądro ma 17 protonów i 18 neutronów. Ładunek −e wymaga 18 elektronów. Kontrola: (17 − 18)e = −e. Dla porównania ³⁷₁₇Cl⁻ ma nadal 17 protonów oraz 18 elektronów, ale 20 neutronów. Oba są izotopami chloru; identyczny ładunek jonów nie usuwa różnicy jąder.

Co naprawdę zmienia się między dwoma zapisami?

Porównując atom i jon, zacznij od Z, później sprawdź A, a na końcu ładunek. Zapisy ³⁵₁₇Cl i ³⁵₁₇Cl⁻ mają ten sam izotop chloru, lecz różnią się liczbą elektronów: odpowiednio 17 i 18. Zapisy ³⁵₁₇Cl⁻ i ³⁷₁₇Cl⁻ mają ten sam ładunek i tyle samo elektronów, ale przedstawiają różne izotopy. Natomiast jądra o tym samym A i różnym Z należą do różnych pierwiastków.

W zadaniu można dostać wyłącznie opis jądra, na przykład parę (Z, A). Taki zapis wystarcza do policzenia protonów i neutronów. Nie określa liczby elektronów wokół jądra, dopóki nie podano, czy rozpatrujemy obojętny atom, czy jon o znanym ładunku. Nie dopisuj obojętności, jeśli zadanie mówi tylko o jądrze.

Ten sam atom po jonizacji

Atom ²⁴₁₂Mg oddaje dwa elektrony. Przedtem miał 12 protonów, 12 neutronów i 12 elektronów; potem jon ma 10 elektronów oraz ładunek +2e. Dwa uwolnione elektrony niosą razem −2e. Ładunek całego układu pozostaje zerowy, a liczba protonów i neutronów nie zmienia się. To inny proces niż przemiana jądrowa zmieniająca Z.

Przy słowie „oddaje” warto zaznaczyć granicę rozpatrywanego układu. Sam pozostały jon ma teraz ładunek dodatni, ale jon wraz z oddanymi elektronami zachowuje wcześniejszy ładunek zerowy. Elektrony nie zniknęły; mogą zostać przejęte przez inne ciało. Schemat bilansu nie określa sposobu dostarczenia energii potrzebnej do oderwania elektronów.

Dlaczego A nie jest dokładną masą w u?

A jest całkowitą liczbą nukleonów. Masa związanej całości uwzględnia różne masy protonów i neutronów, elektrony oraz energię wiązania. Dlatego masa atomu o A = 24 nie musi być dokładnie 24 u. u jest symbolem jednostki masy, a A liczbą bez jednostki; nie należy używać tych pojęć zamiennie.

Także rysunek atomu ma ograniczenia. Wielkość atomu nie jest rozmiarem twardej kulki z ostrą powierzchnią, a elektrony nie muszą mieć klasycznych trajektorii podobnych do orbit planet. Schemat pomaga bilansować skład i ładunek. Sam zestaw A i Z nie wyznacza wszystkich własności chemicznych, trwałości izotopu ani dokładnego rozmiaru jego jądra.

Zadania do tego tematu

• Skład jonu magnezu o podanej liczbie masowej
• Które umowne jądra są izotopami?
• Elektron oddany przez neutralny atom

Dalsza lektura

Materiał referencyjny