Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Atomy tego samego pierwiastka mogą różnić się między sobą pewnymi elementami budowy. Nie oznacza to jednak, że tlen którym oddychamy w Polsce, różni się od tego, którym oddychają Eskimosi.

Już wiesz
  • że atomy są zbudowane z jądra atomowego i poruszających się wokół niego elektronów;

  • że jądro atomowe składa się z protonów i neutronów;

  • że suma liczb protonów i neutronów jest nazywana liczbą masową;

  • że liczba protonów w jądrze to liczba atomowa;

  • że pierwiastki w układzie okresowym są uporządkowane według wzrastania liczby atomowej.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, co to są izotopy;

  • opisywać izotopy za pomocą symboli;

  • omawiać różnice w budowie atomów izotopów wodoru;

  • obliczać masę izotopu;

  • obliczać średnią masę pierwiastka chemicznego.

iIyyU9djfP_d5e180

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.

Polecenie 1

Zastanów się, czy izotopy tego samego pierwiastka mają jednakowe liczby: atomową i masową. Jeśli nie, to która z tych liczb może być różna? Dlaczego?

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.

REEI5q6gOGqFj1
Źródło: Krzysztof Jaworski, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.

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.

Izotopy azotu

Numer atomu

Liczba protonów

Liczba atomowa

Liczba neutronów

Liczba masowa
(suma protonów i neutronów)

Opis atomu

1

7

7

7

7 + 7 = 14

N714

2

7

7

8

7 + 8 = 15

N715

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.: N14 lub azot‑14.

iIyyU9djfP_d5e238

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.

RRBmUn46mogvg1
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. Jest też ograniczony do pierwszych 83 pierwiastków z uwagi na to, że tylko one (z wyłączeniem dwóch: technetu i prometu) występują na Ziemi w postaci trwałych izotopów.
Źródło: Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 2

Na podstawie układu okresowego przedstawiającego procentową zawartość trwałych izotopów poszczególnych pierwiastków ustal, ile pierwiastków ma tylko jedną naturalną odmianę izotopową i które pierwiastki mają ich najwięcej.

iIyyU9djfP_d5e345

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: H1 (99,985%) i H2 (0,015%). Oznacza to, że na 100 000 atomów wodoru 99 985 atomów to izotopy H1, a 15 atomów – izotopy H2. Istnieje jeszcze trzeci, nietrwały izotop H3. Występuje on w śladowych ilościach. Izotopy wodoru jako jedyne w świecie pierwiastków otrzymały swoje nazwy: prot, deuter i tryt.

Symbol izotopu wodoru
H1 lub wodór‑1
Nazwa izotopu wodoru – prot
Model izotopu wodoru

RXb2mzCu7mM3D1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Symbol izotopu wodoru
H2 lub wodór‑2
Nazwa izotopu wodoru – deuter
Model izotopu wodoru

RIsPZlrAJggEQ1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Symbol izotopu wodoru
H3 lub wodór‑3
Nazwa izotopu wodoru – tryt
Model izotopu wodoru

R15ADUGdgJk4b1
Źródło: Krzysztof Jaworski, Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.

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.

Właściwości izotopów wodoru

Izotop

Symbol izotopu

Gęstość [g/dmIndeks górny 3]

Temperatura topnienia [K]

Temperatura wrzenia [K]

prot

H

0,08233

13,83

20,27

deuter

D

0,1645

18,73

23,67

tryt

T

0,2464

20,62

25,04

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 3]

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 3, podczas gdy ta sama masa wody ciężkiej mieści się w około 90,5 cmIndeks górny 3.

RFXW6RMG1Zl7M1
Źródło: Krzysztof Jaworski, Dariusz Adryan, licencja: CC BY 3.0.
iIyyU9djfP_d5e541

4. Gdzie człowiek wykorzystuje izotopy?

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

R18ouKy31xA4Y1
Zastosowanie izotopów
Źródło: nn. (http://commons.wikimedia.org), Akira Ohgaki (https://www.flickr.com), WikiImages (http://pixabay.com/), Nephron (http://commons.wikimedia.org), Tennessee Valley Authority (http://commons.wikimedia.org), Tumi-1983 (http://commons.wikimedia.org), Nadina Wiórkiewicz (http://commons.wikimedia.org), Bożena Karawajczyk, Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
iIyyU9djfP_d5e577

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 cząstek wchodzących w skład atomów

Nazwa

Symbol

Masa [u]

elektron

e (eIndeks górny -)

11837

proton

p (pIndeks górny +)

1

neutron

n (n)

1

Masa protonu jest w przybliżeniu równa masie neutronu i wynosi 1 u (1 u = 1,66 Indeks górny . 10Indeks górny -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].

R1K3bEZ0pIYKL1
Źródło: Krzysztof Jaworski, Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.

Korzystając z powyższych informacji i wzoru (masa atomowa [u] = liczba masowa Indeks górny . 1 u), łatwo można obliczyć, że masa atomowa protu (H1) wynosi 1 u, deuteru (H2) 2 u, natomiast trytu (H3) 3 u.

iIyyU9djfP_d5e621

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:

5% · 40 kg + 15% · 60 kg+80% · 50 kg100% = 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:

średnia masa atomowa pierwiastka = masa izotopu1 · X1% + masa izotopu2 · X2% + . . . + masa izotopun · Xn100%

gdzie:
X% – procentowa zawartość izotopu.

Przy użyciu powyższego wzoru można obliczyć średnią masę atomową wodoru:

średnia masa atomowa wodoru = masa izotopu 1· zawartość procentowa izotopu H1 + masa izotopu 2· zawartość procentowa izotopu H2100%
1 u · 99,985% + 2 u · 0,015% 100%= 1,00015 u
R2xmoPFYS14Bg1
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.
iIyyU9djfP_d5e681

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 (H1), deuter (H2) i tryt (H3). 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.

Praca domowa
Polecenie 3.1

Wyjaśnij, dlaczego nie można wykorzystać metody określania wieku materiałów pochodzenia organicznego na podstawie zawartości nietrwałego izotopu węgla‑14 do oceny wieku pokładów węgla kamiennego i ropy naftowej. Zadanie to wykonaj w formie notatki w zeszycie.

iIyyU9djfP_d5e740

Słowniczek

izotopy
izotopy

odmiany tego samego pierwiastka, które mają jednakową liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze) i różną liczbę masową (liczbę neutronów w jądrze)

iIyyU9djfP_d5e782

Zadania

Ćwiczenie 1
RBWm5WaL74QrR1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
ReM5t5W3VZYlv1
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R1GVzQQrjJlCC1
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R1OPlv1ByVIne1
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
RrJo6Q4VhvnZ91
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
ROX7e8DOA4ids1
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
R7NP2bPccrjnx1
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.