2.3 Atómbygging og táknmál

Þróun nútíma atómkenningar leiddi margt í ljós um innri byggingu frumeinda. Í ljós kom að frumeind hefur að geyma örsmáan kjarna sem samanstendur af jákvætt hlöðnum róteindum og óhlöðnum nifteindum, og er hann umlukinn miklu stærra rými sem rúmar neikvætt hlaðnar rafeindir. Stærstur hluti massa frumeindarinnar er í kjarnanum, þar sem róteindir og nifteindir eru mun þyngri en rafeindir, en rafeindirnar taka aftur á móti upp nær allt rúmmál frumeindarinnar. Þvermál frumeindar er af stærðargráðunni 10⁻¹⁰ m en þvermál kjarnans um það bil 10⁻¹⁵ m, eða um 100.000 sinnum minna. Til að setja hlutfallslega stærð þeirra í samhengi má hugsa sér eftirfarandi: Ef kjarninn væri á stærð við bláber væri frumeindin á stærð við bandarískan fótboltavöll (mynd 2.11).

Frumeindir — og róteindirnar, nifteindirnar og rafeindirnar sem þær eru gerðar úr — eru afar smáar. Til dæmis vegur ein kolefnisfrumeind minna en 2 × 10⁻²³ g og rafeind ber hleðslu sem er minni en 2 × 10⁻¹⁹ C (kúlomb). Þegar eiginleikum örsmárra hluta á borð við frumeindir er lýst eru notaðar viðeigandi smáar mælieiningar, svo sem sameinuð atómmassaeining (u) og grunneining hleðslu (e). Sameinuð atómmassaeining er skilgreind sem nákvæmlega 1/12 af massa einnar frumeindar af samsætunni kolefni-12 (nánar er fjallað um samsætur síðar í þessum kafla) og jafngildir 1,6605 × 10⁻²⁴ g. Dalton (Da) er önnur massaeining sem jafngildir u. Í mörgum heimildum, þar á meðal þessari bók, er eldra hugtakið atómmassaeining (amu) notað þegar vísað er til u eða Da. Grunneining hleðslu (einnig kölluð frumhleðsla) jafngildir stærð hleðslu rafeindar (e) þar sem e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Róteind hefur massann 1,0073 amu og hleðsluna 1+. Nifteind er örlítið þyngri eind með massann 1,0087 amu og enga hleðslu; eins og nafnið gefur til kynna er hún hlutlaus. Rafeindin hefur hleðsluna 1− og er mun léttari eind, með massa sem nemur um 0,00055 amu (það þyrfti um 1800 rafeindir til að jafna massa einnar róteindar). Eiginleikar þessara grunnöreinda eru teknir saman í töflu 2.2. (Athugull nemandi gæti tekið eftir því að summa massa öreindanna í frumeind er ekki jöfn raunverulegum massa hennar: Heildarmassi sex róteinda, sex nifteinda og sex rafeinda er 12,0993 amu, sem er aðeins meira en 12,00 amu. Þessi „vantandi“ massi kallast massarýrnun og fjallað verður um hana í kaflanum um kjarnaefnafræði.)

Fjöldi róteinda í kjarna frumeindar er sætistala hennar (Z). Þetta er einkennandi eiginleiki frumefnis: Gildið ákvarðar auðkenni frumeindarinnar. Til dæmis er sérhver frumeind sem inniheldur sex róteindir frumefnið kolefni og hefur sætistöluna 6, óháð því hversu margar nifteindir eða rafeindir hún kann að hafa. Hlutlaus frumeind verður að innihalda jafnmargar jákvæðar og neikvæðar hleðslur, og því er fjöldi róteinda jafn fjölda rafeinda. Þess vegna gefur sætistalan einnig til kynna fjölda rafeinda í frumeind. Heildarfjöldi róteinda og nifteinda í frumeind kallast massatala hennar (A). Fjöldi nifteinda er því mismunur massatölu og sætistölu: A − Z = fjöldi nifteinda.

Frumeindir eru rafhlutlausar ef þær innihalda jafnmargar jákvætt hlaðnar róteindir og neikvætt hlaðnar rafeindir. Þegar fjöldi þessara öreinda er ekki jafn er frumeindin rafhlaðin og kallast jón. Hleðsla frumeindar skilgreinist á eftirfarandi hátt:

Hleðsla frumeindar = fjöldi róteinda − fjöldi rafeinda

Eins og rætt verður nánar síðar í þessum kafla öðlast frumeindir (og sameindir) venjulega hleðslu með því að taka upp eða gefa frá sér rafeindir. Frumeind sem tekur upp eina eða fleiri rafeindir fær neikvæða hleðslu og kallast anjón. Jákvætt hlaðnar frumeindir, sem kallast katjónir, myndast þegar frumeind gefur frá sér eina eða fleiri rafeindir. Til dæmis hefur hlutlaus natríumfrumeind (Z = 11) 11 rafeindir. Ef þessi frumeind gefur frá sér eina rafeind verður hún að katjón með hleðsluna 1+ (11 − 10 = 1+). Hlutlaus súrefnisfrumeind (Z = 8) hefur átta rafeindir, og ef hún tekur upp tvær rafeindir verður hún að anjón með hleðsluna 2− (8 − 10 = 2−).

Dæmi 2.3

Samsetning frumeindar

Joð er lífsnauðsynlegt snefilefni í fæðu okkar; það er nauðsynlegt til myndunar skjaldkirtilshormóna. Ónógt joð í fæðu getur leitt til skjaldkirtilsstækkunar, sem kallast skjaldkirtilsauki ( mynd 2.12 ).

Með því að bæta litlu magni af joði í matarsalt (joðbætt salt) hefur þetta heilsufarsvandamál að mestu leyti verið upprætt í Bandaríkjunum, en allt að 40% mannkyns er enn í hættu á joðskorti. Joði er bætt í saltið sem anjónum, og hefur hver joðanjón hleðsluna 1− og massatöluna 127. Ákvarðaðu fjölda róteinda, nifteinda og rafeinda í einni slíkri joðanjón.

Lausn

Sætistala joðs (53) segir okkur að hlutlaus joðfrumeind inniheldur 53 róteindir í kjarnanum og 53 rafeindir utan hans. Þar sem summa fjölda róteinda og nifteinda er jöfn massatölunni, 127, er fjöldi nifteinda 74 (127 − 53 = 74). Þar sem joðinu er bætt við sem 1− anjón er fjöldi rafeinda 54 [53 − (1−) = 54].

Prófaðu þig

Jón platínu hefur massatöluna 195 og inniheldur 74 rafeindir. Hversu margar róteindir og nifteindir inniheldur hún og hver er hleðsla hennar?

Svar:

78 róteindir; 117 nifteindir; hleðslan er 4+

Efnatákn

Efnatákn er skammstöfun sem notuð er til að tákna frumefni eða frumeind frumefnis. Til dæmis er táknið fyrir kvikasilfur Hg (mynd 2.13). Sama tákn er notað til að tákna eina frumeind kvikasilfurs (smásæja sviðið) eða til að merkja ílát sem inniheldur margar frumeindir frumefnisins kvikasilfurs (stórsæja sviðið).

Tákn fyrir nokkur algeng frumefni og frumeindir þeirra eru talin upp í töflu 2.3. Sum tákn eru dregin af almennu heiti frumefnisins, en önnur eru skammstafanir á heiti þess á öðru tungumáli. Flest tákn hafa einn eða tvo stafi, en þriggja stafa tákn hafa verið notuð til að lýsa sumum frumefnum með sætistölu hærri en 112. Til að forðast rugling við aðra ritháttu er einungis fyrsti stafur táknsins skrifaður með stórum staf. Til dæmis er Co táknið fyrir frumefnið kóbalt, en CO er ritháttur fyrir efnasambandið kolmónoxíð, sem inniheldur frumeindir frumefnanna kolefnis (C) og súrefnis (O). Öll þekkt frumefni og tákn þeirra eru að finna í lotukerfinu á mynd 2.26 (einnig í viðauka A).

Hefð er fyrir því að uppgötvandi (eða uppgötvendur) nýs frumefnis gefi því nafn. Þar til nafnið hefur verið viðurkennt af Alþjóðasamtökum um hreina og hagnýta efnafræði (IUPAC) byggist ráðlagt nafn nýja frumefnisins þó á latneskum orðum yfir sætistölu þess. Til dæmis var frumefni 106 kallað unnilhexíum (Unh), frumefni 107 unnilseptíum (Uns) og frumefni 108 unniloktíum (Uno) í nokkur ár. Þessi frumefni heita nú eftir vísindamönnum (eða stundum eftir stöðum). Til dæmis er frumefni 106 nú þekkt sem seaborgíum (Sg) til heiðurs Glenn Seaborg, Nóbelsverðlaunahafa sem tók þátt í uppgötvun nokkurra þungra frumefna. Frumefni 109 var nefnt til heiðurs Lise Meitner, sem uppgötvaði kjarnaklofnun, fyrirbæri sem átti eftir að hafa heimssöguleg áhrif. Meitner lagði einnig sitt af mörkum við uppgötvun nokkurra mikilvægra samsæta sem fjallað er um hér á eftir.

Samsætur

Upplýsingar um náttúrulegar samsætur frumefna með sætistölur 1 til 10 eru að finna í töflu 2.4. Athugið að auk staðlaðra heita og tákna er oft vísað til samsæta vetnis með almennum heitum og tilheyrandi táknum. Vetnissamsætan þungvetni, táknuð ²H, er stundum táknuð með D. Vetnissamsætan trítíum, táknuð ³H, er stundum táknuð með T.

Atómmassi

Þar sem hver róteind og hver nifteind leggur til um það bil eina atómmassaeiningu (amu) í massa frumeindar, og hver rafeind leggur til mun minna, er atómmassi stakrar frumeindar um það bil jafn massatölu hennar (sem er heiltala). Hins vegar er meðalmassi frumeinda flestra frumefna ekki heiltala þar sem flest frumefni finnast í náttúrunni sem blöndur tveggja eða fleiri samsæta.

Atómmassi frumefnis sem sýndur er í lotukerfinu eða skráður í töflu yfir atómmassa er veginn meðalmassi allra samsæta sem fyrirfinnast í náttúrulegu sýni af því frumefni. Hann er jafn summunni af massa hverrar einstakrar samsætu margfölduðum með hlutfallslegu algengi hennar.

Til dæmis samanstendur frumefnið bór af tveimur samsætum: Um 19,9% allra bórfrumeinda eru ¹⁰B með massann 10,0129 amu, og þau 80,1% sem eftir standa eru ¹¹B með massann 11,0093 amu. Meðalatómmassi bórs reiknast þá:

Mikilvægt er að skilja að engin stök bórfrumeind vegur nákvæmlega 10,8 amu; 10,8 amu er meðalmassi allra bórfrumeinda, en einstakar bórfrumeindir vega annaðhvort um það bil 10 amu eða 11 amu.

Einnig er hægt að gera tilbrigði við þessa tegund útreikninga, eins og sýnt er í næsta sýnidæmi.

Eins og þú munt læra eru samsætur mikilvægar í náttúrunni og sérstaklega fyrir vísindi og læknisfræði. Lítum á eina náttúrulega og stöðuga samsætu: súrefni-18, sem nefnd er í töflunni hér að ofan og telst ein af svokölluðum umhverfissamsætum. Hún er til dæmis mikilvæg í fornloftslagsfræði, því vísindamenn geta notað hlutfall súrefnis-18 og súrefnis-16 í ískjörnum til að ákvarða hitastig úrkomu í gegnum tíðina. Súrefni-18 var einnig lykilatriði við uppgötvun efnaskiptaferla og verkunarhátta ensíma. Mildred Cohn var frumkvöðull í að nýta þessar samsætur sem sporefni, svo að rannsakendur gætu fylgt leið þeirra í efnahvörfum og öðlast betri skilning á því sem þar átti sér stað. Ein af fyrstu uppgötvunum hennar veitti innsýn í fosfórun glúkósa sem fer fram í hvatberum. Aðferðirnar við að nota samsætur í slíkum rannsóknum lögðu grunninn að heilum fræðigreinum.

Tilvist og náttúrulegt algengi samsæta má ákvarða með tilraunum með tæki sem kallast massagreinir. Massagreining (MS) er mikið notuð í efnafræði, réttarrannsóknum, læknisfræði, umhverfisvísindum og mörgum öðrum greinum til þess að greina og bera kennsl á efnin í sýni. Í dæmigerðum massagreini (mynd 2.15) er sýnið gufað upp og látið verða fyrir orkumiklum rafeindageisla sem veldur því að frumeindir (eða sameindir) sýnisins verða rafhlaðnar, venjulega með því að missa eina eða fleiri rafeindir. Þessar katjónir fara síðan í gegnum (breytilegt) raf- eða segulsvið sem sveigir braut hverrar katjónar mismikið eftir bæði massa hennar og hleðslu (svipað og braut stórrar stálkúlu sem rúllar framhjá segli sveigist minna en braut lítillar stálkúlu). Jónirnar eru greindar og teiknað er upp línurit af hlutfallslegum fjölda jóna sem myndast gagnvart hlutfalli massa og hleðslu (massaróf). Hæð hvers lóðrétts topps í massarófi er í réttu hlutfalli við hlutdeild katjóna með tilgreindu hlutfalli massa og hleðslu. Frá því að massagreining var fyrst notuð við þróun nútíma atómkenningar hefur hún orðið að öflugu tæki til efnagreiningar á fjölmörgum sviðum.