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

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

Atomy danego pierwiastka chemicznego, które zawierają jednakową liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów w jądrze atomowym, to tzw. izotopyizotopy izotopy (gr. izo „taki sam”, topos „miejsce”).

Azot ma ponad 16 izotopów. Przeanalizujmy dwa z nich. W jądrze atomowym jednego z izotopów azotu znajduje się siedem, a w jądrze atomowym drugiego – osiem neutronów. Każdy z tych izotopów ma taką samą liczbę protonów, którą można odczytać z układu okresowego.

R162KrZT1moTV

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

W opisie izotopów poszczególnych pierwiastków chemicznych istotna jest informacja dotycząca liczby neutronów, które zawierają. Informację o liczbie neutronów można pozyskać, znając liczbę nukleonów, a więc liczbę masową (A) oraz liczbę protonów – liczbę atomową (Z). Jak już ustaliliśmy, izotopy danego pierwiastka różnią się liczbami masowymi, ale mają takie same liczby atomowe. Dlatego w opisie budowy atomu oraz w nazwach określonych izotopów wykorzystuje się głównie liczbę masową. Liczba atomowa w symbolicznym zapisie budowy izotopu oraz w jego nazwie najczęściej jest pomijana (można ją znaleźć w układzie okresowym).

Aby wskazać na to, jaki izotop rozpatrujemy, podajemy jego nazwę lub zapis symboliczny. Nazwę izotopu tworzymy z nazwy odpowiedniego pierwiastka chemicznego, dodając do niej łącznik „-” i liczbę masową interesującego nas izotopu:

W symbolicznym zapisie izotopu najczęściej podajemy symbol pierwiastka, a w lewym górnym rogu tego symbolu umieszczamy liczbę masową:

Czasem zdarza się jednak, że w symbolicznym zapisie izotopu uwzględnia się także liczbę atomową:

2. Czy izotopy można znaleźć w przyrodzie?

Dany pierwiastek chemiczny może mieć nawet kilkadziesiąt izotopów. Jednak najczęściej nie wszystkie te izotopy są trwałe (stabilne) i nie wszystkie występują naturalnie na Ziemi. Część z nich to izotopy nietrwałe, czyli takie, które ulegają odpowiednim przemianom, określanych mianem przemian promieniotwórczychprzemiana promieniotwórczaprzemian promieniotwórczych. W ich wyniku mogą powstać izotopy tego samego bądź innego pierwiastka. Samym zaś przemianom towarzyszy emisja promieniowania. Izotopy nietrwałe nazywane są często izotopami promieniotwórczymi. Znane są pierwiastki chemiczne, które w ogóle nie mają izotopów trwałych (np. pluton).

Pierwiastki chemiczne występują w przyrodzie zazwyczaj jako mieszanina izotopów o określonym składzie procentowym. Skład ten jest stały i nie zależy ani od położenia geograficznego, ani od rodzaju minerału, z którego pozyskano określony pierwiastek chemiczny.

Znane są również pierwiastki, które występują w przyrodzie w postaci jednego izotopu (jednego rodzaju atomów). Sytuacja taka ma miejsce np. w przypadku sodu i fluoru.

Na Ziemi występują pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej do 92 włącznie (oprócz technetu i prometu). Z kolei pierwiastki chemiczne o liczbie atomowej do 83 są trwałe. Z uwagi na brak w środowisku naturalnym technetu i prometu, na Ziemi istnieje 81 pierwiastków chemicznych o trwałych izotopach.

RyZiZqYpnyvKS

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) mają 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) mają 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/b/Pb6knivus

3. Ile izotopów wodoru występuje w przyrodzie?

Wodór występujący w przyrodzie jest mieszaniną głównie dwóch trwałych izotopów: wodoru‑1 (99,985 %) i wodoru‑2 (0,015 %). Oznacza to, że na 100 000 atomów wodoru, aż 99 985 atomów to izotopy wodoru‑1, a tylko 15 atomów to izotopy wodoru‑2. W górnych warstwach atmosfery, w śladowych ilościach może występować również nietrwały izotop wodoru – wodór‑3. Wymienione izotopy wodoru jako jedyne w świecie izotopów pierwiastków chemicznych otrzymały swoje nazwy. Nazwy te to kolejno: prot, deuter, tryt.

Izotopy wodoru (tak jak izotopy innych pierwiastków chemicznych) różnią się liczbą nukleonów. Stąd istnieje między nimi duża różnica mas, np. atom deuteru ma masę dwukrotnie większą od masy atomu protu, a tryt aż trzykrotnie większą. Różnice w masach atomowych poszczególnych izotopów wodoru skutkują ich odmiennymi właściwościami fizycznymi. W poniższej tabeli zestawiono wybrane wielkości fizyczne, które opisują gazowy wodór. Jego  cząsteczki zostały utworzone kolejno z atomów protu ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{)}$, deuteru ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{)}$ i trytu ${\text{(T}}_{\text{2}}\text{)}$.

Indeks górny Źródło: W. Mizerski, Tablice Chemiczne, Adamantan, 2004. Indeks górny koniec^{Źródło: W. Mizerski, Tablice Chemiczne, Adamantan, 2004.}

Ciekawostka

Zawarty w cząsteczkach wody, poza tlenem, wodór ma charakterystyczny dla siebie skład izotopowy. Obok protu, w bardzo małych ilościach, występuje w wodzie także deuter. Możliwe jest uzyskanie próbek wody składającej się z tlenu i tylko jednego izotopu wodoru – deuteru. Taką wodę określa się mianem wody ciężkiej i opisuje często wzorem ${\mathrm{D}}_{\text{2}}\mathrm{O}$. Różni się ona pod względem właściwości fizycznych od „zwykłej” wody utworzonej z protu i tlenu ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$. Ciężka woda ma m.in. większą gęstość oraz wyższe temperatury wrzenia i topnienia niż woda „zwykła”.

Porównanie wybranych właściwości fizycznych wody „zwykłej” ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$ i wody ciężkiej ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{O)}$

Rodzaj wody	Gęstość w temperaturze 25 °C, [g/cmIndeks górny 33]	Temperatura topnienia [°C]	Temperatura wrzenia [°C]
woda „zwykła” ${\text{(H}}_{\text{2}}\text{O)}$ – zbudowana z protu i tlenu; może zawierać śladowe ilości wody ciężkiej	0,998	0,00	99,974
woda ciężka ${\text{(D}}_{\text{2}}\text{O)}$ – zbudowana z deuteru i tlenu	1,1044	3,81	101,42

Z uwagi na różną gęstość, ta sama masa wody ciężkiej i „zwykłej” ma inną objętość.

RmTZuIQxQzTqX1

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 100 gramów wody „zwykłej”, wypełniona jest do objętości 100 centymetrów sześciennych. Po prawej stronie zlewka podpisana 100 gramów wody ciężkiej, wypełniona jest do nieco ponad 90 centymetrów sześciennych.

4. Gdzie człowiek wykorzystuje izotopy?

Izotopy znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach życia człowieka. Niektóre z nich wykorzystuje się w medycynie, badaniach naukowych, energetyce, przemyśle, a nawet w gospodarstwie domowym. Wybrane przykłady zastosowań izotopów omówiono na poniższej grafice interaktywnej. Zapoznaj się z nimi.

5. Jakie masy mają izotopy?

Atomy poszczególnych pierwiastków chemicznych oraz wchodzące w ich skład cząstki mają niewyobrażalnie małe rozmiary. Aby podać w miarę dokładną masę atomu (lub budującej go cząstki) w gramach lub kilogramach, musielibyśmy użyć bardzo dużej ilości cyfr. Przykładowo, wyrażona w gramach masa protonu byłaby równa ok.: $\text{0,00000000000000000000000000167 kg}$ (lub w notacji wykładniczej: ${\text{1,67 · 10}}^{\text{–27}}\text{ kg}$). Przyznaj, że używanie takich liczb jest nieco kłopotliwe. Dlatego też do wyrażania mas indywiduów chemicznych (np. atomów, cząsteczek, jonów czy też cząstek, które wchodzą w ich skład) wykorzystujemy odpowiednio dobrane atomowe jednostki masyatomowa jednostka masy [u] (czyt. unit)atomowe jednostki masy. Jednostki te oznaczane są w skrócie literą „u” (z ang.  unit = jednostka).

W poniższej tabeli zamieszczono masy cząstek budujących atomy, wyrażone w atomowych jednostkach masy.

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

Masy protonu i neutronu są w przybliżeniu takie same i wynoszą ok. 1 u (czyt. jeden unit lub jedną jednostkę masy atomowej). Z wystarczającą w naszych szkolnych obliczeniach dokładnością można zatem uznać, że masa danego izotopu, wyrażona w unitach (jednostkach masy atomowej), jest liczbowo równa sumie liczb protonów i neutronów w jądrze atomowym tego izotopu. Innymi słowy – liczba masowa danego izotopu jest liczbowo równa jego masie atomowej wyrażonej w atomowych jednostkach masy [u].

Korzystając z powyższych informacji, łatwo można obliczyć, że masa atomowa protu ${\text{(}}^{\text{1}}\text{H)}$ wynosi ok. 1 u, deuteru ${\text{(}}^{\text{2}}\text{H)}$ ok. 2 u, natomiast trytu ${\text{(}}^{\text{3}}\text{H)}$ – ok. 3 u.

6. Średnia masa atomowa pierwiastków

Zwróć uwagę, że masa atomowa zapisana w układzie okresowym ma wartość ułamkową. Dla pierwiastków chemicznych, które występują w przyrodzie w postaci mieszaniny izotopów, masa atomowa podana w układzie okresowym jest bowiem średnią, obliczoną na podstawie mas i zawartości procentowych poszczególnych naturalnie występujących izotopów danego pierwiastka (tzw. abundancji). Jest to tzw. średnia ważona. Przy jej obliczaniu bierzemy pod uwagę fakt, że 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 ma masę 40 kg, następne 15 % ma masę 60 kg, a pozostali, czyli 80 % uczniów, mają masę po 50 kg. Wówczas średnia masa wszystkich uczniów wynosiłaby 51 kg.

Wynik to 51 kg, mimo że nikt z uczniów nie ma takiej masy ciała.
Tak samo jest z pierwiastkami chemicznymi – do obliczania średnich mas atomowychśrednia masa atomowa pierwiastka chemicznegośrednich mas atomowych pierwiastków można posłużyć się następującym wzorem:

lub używając skrótów:

gdzie:
${\text{m}}_{\text{1}},{\text{m}}_{\text{2}},...,{\text{m}}_{\text{n}}$ – masy poszczególnych izotopów pierwiastka, [u];

${\text{X}}_{\text{1}},{\text{X}}_{\text{2}},...,{\text{X}}_{\text{n}}$ – zawartości procentowe poszczególnych izotopów
pierwiastka, [%].

1

Polecenie 9

Wyznacz średnią masę atomową potasu, wiedząc, że jest mieszaniną trzech naturalnie występujących izotopów o liczbach masowych 39, 40 i 41. Zawartość procentowa tych izotopów wynosi kolejno: 93,2581 %, 0,0117 % i 6,7302 %. Wynik podaj w jednostkach masy atomowej (unitach), z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku.

RbqKlCisMtnQS

Obliczenia i odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

RjxcXYmzxqybq

Odpowiedź: (Uzupełnij).

Wskazówki i klucze odpowiedzi

Pokaż podpowiedź

Ustal masy poszczególnych izotopów potasu. Skorzystaj z poznanego wzoru, pozwalającego na wyliczenie średniej masy atomowej pierwiastka.

Pokaż rozwiązanie

Aby zweryfikować poprawność swojego rozwiązania, obejrzyj poniższy film.

RzFynJFfe9CuD

Film przedstawia sposób rozwiązania zadania polegającego na obliczeniu średniej masy atomowej potasu.

Film przedstawia sposób rozwiązania zadania polegającego na obliczeniu średniej masy atomowej potasu.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RzFynJFfe9CuD

Film przedstawia sposób rozwiązania zadania polegającego na obliczeniu średniej masy atomowej potasu.

Pokaż odpowiedź

Czy udało Ci się poprawnie obliczyć średnią masę atomową potasu?

Średnia masa atomowa potasu jest równa 39,13 u.

Podsumowanie

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

• Większość pierwiastków chemicznych, które występują 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 właściwościami fizycznymi.

• Izotopy mają zastosowanie m.in. 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 obliczoną z uwzględnieniem jego składu izotopowego.

• Masa izotopu jest w przybliżeniu liczbowo równa jego liczbie masowej, ale wyraża się ją w jednostkach masy atomowej (unitach).

Słownik

Ćwiczenia

Bibliografia

Encyklopedia PWN.

Kaznowski K., Pazdro K. M., Chemia, Podręcznik do liceów i techników cz. 1, Warszawa 2019.

Czaja M., Karawajczyk B., Kwiatkowski M., Chemia, Podręcznik dla szkół ponadpodstawowych (zakres rozszerzony), Gdynia 2019.

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.