E1 Atomi, kemian perusyksikkö

Tunnin tavoitteet

Tunnin jälkeen:
Osaat määritellä käsitteet alkuaine, yhdiste ja seos.
Osaat kertoa atomin rakenteesta. Tiedät, mitkä hiukkaset määräävät atomin massan ja mitkä koon.
Tiedät, miten atomin eri isotoopit eroavat toisitaan.
Tiedät, mitä tarkoitetaan atomin massaluvulla ja järjestysluvulla.
Osaat isotooppimerkinnästä päätellä eri hiukkasten lukumäärän atomissa.

Atomitason vuorovaikutukset

Kemistille on hyödyksi osata hiukkasen fysiikkaa. Nykyfysiikka tuntee neljä perusvuorovaikutusta sekä kymmeniä alkeishiukkasia. Kemisti selviää yleensä mainiosti yhdellä vuorovaikutuksella ja kolmella massallisella hiukkasella. Tämä vuorovaikutus on sähkömagneettinen ja hiukkaset ovat protoni, neutroni ja elektroni.

Sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen kemisti voi suhtautua varauksellisesti: vastakkaismerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan. Vuorovaikutus on sitä voimakkaampaa, mitä suurempia varaukset ovat ja mitä lähempänä ne ovat toisiaan. Kemiassa tärkeistä hiukkasista protoni on positiivisesti varautunut, neutroni on varaukseton ja elektroni on negatiivisesti varautunut.

Koska varaukseton neutroni ei osallistu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen, kemialliset ilmiöt selittyvät pääasiassa protonien ja elektronien avulla. Käytännössä protonitkin voidaan useimmiten sivuuttaa, sillä kemistejä kiinnostaa lähinnä, kuinka elektronit liikkuvat ja miten tämä liike liikuttaa atomeja.

https://peda.net/id/ccccb2864

Erimerkkiset varaukset (+ ja −) vetävät toisiaan puoleensa ja samanmerkkiset varaukset (− ja −) hylkivät toisiaan. Varaukseton hiukkanen (0) ei osallistu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen.

Atomin osat ja mitat

Atomi on pienin osanen, josta aine rakentuu kemiallisesti. Atomi taas rakentuu ytimestä ja tätä ympäröivistä elektroneista. Ydin koostuu vähintään yhdestä protonista ja yleensä myös neutroneista. Koska protonin ja elektronin varaukset ovat yhtä suuret mutta vastakkaismerkkiset ja atomi on kokonaisuutena varaukseton, atomissa on elektroneja aina yhtä monta kuin protoneja.

https://peda.net/id/ccc880ee4

Atomi koostuu ytimestä ja elektroneista. Elektronit muodostavat ytimen ympärille elektronipilven.

Protoni ja elektroni ovat varaukseltaan samanveroiset, mutta protonin massa on yli tuhat kertaa suurempi kuin elektronin massa. Neutroni on massaltaan aavistuksen protonia suurempi. Atomin massasta lähes kaikki on siis ytimessä, mutta tilaa ydin ei vie ollenkaan samassa suhteessa: ytimen halkaisija on noin satatuhatta kertaa pienempi kuin atomin halkaisija.

https://peda.net/id/ccc91f5e4

Varaus e on alkeisvaraus (noin 1,602 · 10⁻¹⁹ C) ja massa m_e on elektronin massa (noin 9,109 · 10⁻³¹ kg).

Erilaisia kupariatomeja?

Voiko olla kaksi eri painoista kupariatomia?

Atomien samanlaisuus ja erilaisuus

Yksinkertaisimmassa atomissa, vetyatomissa, on yksi protoni ja yksi elektroni. Protonien lukumäärää sanotaan järjestysluvuksi, sillä sen avulla voidaan järjestää alkuaineet. Alkuaine on aine, jonka jokaisella atomilla on sama järjestysluku eli yhtä monta protonia.

Vetykaasu on alkuainetta, jonka jokaisessa atomissa on yksi protoni. Atomit eivät kuitenkaan ole kaikki samanlaisia, sillä pienellä osalla atomeista on ytimessä protonin lisäksi yksi neutroni ja vielä pienemmällä osalla on kaksi neutronia. Tällaisia atomeja, joissa on yhtä monta protonia mutta eri määrä neutroneja, sanotaan toistensa isotoopeiksi. Kyseisistä isotoopeista voidaan käyttää nimiä vety-1, vety-2 ja vety-3.

Isotoopin nimessä oleva luku on atomiytimen protonien ja neutronien yhteenlaskettu lukumäärä. Siitä käytetään nimitystä massaluku, koska se ilmaisee melko tarkasti ytimen massan. Massaluku kirjoitetaan yläindeksiin ennen alkuaineen kemiallista merkkiä, joten edellä mainitut vedyn isotoopit ovat kemian merkkikielellä ¹H, ²H ja ³H.

Järjestysluku saadaan selville kemiallisesta merkistä, mutta joskus se on hyödyllistä ilmoittaa vielä erikseen. Järjestysluku tulee alaindeksiin, joten esimerkki-isotooppimme kirjoitetaan [[$ \ce{^1_1 \mathrm{H}} $]] , [[$ \ce{^2_1 \mathrm{H}} $]] ja [[$ \ce{^3_1 \mathrm{H}} $]].

https://peda.net/id/ccc9c4fe4

Isotooppi vety-3 poikkeaa kahdesta muusta isotoopista siinä, että se ei ole pysyvä vaan se hajoaa hitaasti helium-3:ksi. Tällaista pysymätöntä, toisen alkuaineen atomiksi muuttuvaa isotooppia sanotaan radioaktiiviseksi. Kemiassa tutkitaan tavallisesti pysyviä isotooppeja eli atomeja, joiden ytimet eivät muutu. Tällöin muutoksentekijän rooli jää ytimiä ympäröiville elektroneille.

Huom! Atomin eri isotoopeilla on siis erilainen massa, mutta kemialliset ominaisuudet ovat samanlaiset. Atomien kemialliset ominaisuudet, mm. reagointiherkkyys, määräytyvät atomin elektronirakenteen perusteella.

Esimerkiksi

Venäjän turvallisuuspalvelun entinen agentti Aleksandr Litvinenko murhattiin radioaktiivisella polonium-210-isotoopilla marraskuussa 2006.

a) Mitkä ovat polonium-210:n massaluku ja järjestysluku?
b) Kuinka monta protonia, neutronia ja elektronia on polonium-210-atomissa?
c) Miksi alkuaineeksi polonium-210 hajoaa?

Ratkaisu

a) Massaluku saadaan suoraan isotoopin nimestä: 210. Järjestysluku pitää etsiä esimerkiksi Wikipediasta tai taulukkokirjasta; se on 84.

b) Protonien lukumäärä on yhtä suuri kuin järjestysluku, 84. Koska atomi on kokonaisuutena varaukseton, myös elektroneja on 84.

Neutronien lukumäärä saadaan massaluvusta, sillä massaluku ilmaisee ytimessä olevien hiukkasten kokonaismäärän: massaluku = protonit + neutronit. Neutronien lukumäärä on siten 210 − 84 = 126.

c) Tietoa polonium-210:n hajoamisesta saa esimerkiksi Wikipedian poloniumia käsittelevistä artikkeleista. Englanninkielisessä Wikipediassa on erityinen sivu poloniumin isotoopeista: Isotopes of polonium. Sen mukaan polonium-210 hajoaa lyijyksi.

Tuntitehtävä1. Hiukkasten määriä

Kopioi alla olevat tehtävät sähköiseen vihkoosi, ja tee tehtävät vihkoon.
1. Täydennä taulukko

Aine	massa- luku	järjestys- luku	protonien lkm	neutronien lkm	elektronien lkm
[[$_{2}^{4}\text{He}$]] eli helium-4
[[$_{2}^{3}\text{He}$]] eli helium-3
[[$_{7}^{14}\text{N}$]] eli typpi-14
[[$_{86}^{222}\text{Rn}$]] eli radon-222

alkuaineen merkki	alkuaineen nimi	elektronien lkm	ulkoelektronien lkm	elektronikuorien lkm
Li
Cl
Ca
Pb

3. Millaine on radioaktiivinen aine? Mihin käytetään hiilen radioaktiivista isotooppia C-14?

Ke1TuntitehtäväE1.notebook

Lopuksi

E1.1 Täydennä alla oleva taulukko. Taulukon radioaktiivisia aineita hyödynnetään isotooppilääketieteessä.

järjestysluku	massaluku	isotooppi
		^{[[$ \ce{^{18}_9 \mathrm{F}} $]]}
53	123
		^{[[$ \ce{^{201} \mathrm{Tl}} $]]}

E1.2 Kuinka monta protonia, neutronia ja elektronia on seuraavissa iänmääritysmenetelmiin liittyvissä radioaktiivisissa atomeissa:

a) [[$ \ce{^{14}_6 \mathrm{C}}$]] , b) [[$ \ce{^{40} \mathrm{K}}$]] , c) [[$ \ce{^{235} \mathrm{U}}$]]?

E1.3 Joskus kemiassa on tarpeen korvata tutkittavassa aineessa oleva isotooppi saman alkuaineen harvinaisemmalla vakaalla isotoopilla. Millä isotoopeilla voidaan korvata seuraavat isotoopit: vety-1, hiili-12, typpi-14?

E1.4 Jodin isotooppeja tunnetaan kymmenittäin, mutta niistä vain yksi on vakaa. Mikä on tämä vakaa isotooppi ja mitkä ovat jodin kevyin ja raskain isotooppi?

https://peda.net/id/ccca59aa4

Jodi on mustanharmaa, kiinteä alkuaine.

E1.5 Vedyn isotoopit ²H ja ³H ovat ainoat isotoopit, joilla on oma yleisesti käytössä oleva nimi. Mitä nimiä näistä isotoopeista käytetään?

Malliratkaisut ja kommentit

Lisäksi

Kemiassa pääsee pitkälle muistamalla, että samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan ja vastakkaismerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Varauksilla ei kuitenkaan pysty vastaamaan kaikkiin kysymyksiin.

Miksi positiivisesti varautuneet protonit ovat kerääntyneet lähekkäin atomiytimeen? Miksi ytimessä on varauksettomia neutroneja? Minkä takia negatiiviset elektronit eivät syöksy positiiviseen ytimeen vaan pysyttelevät etäällä?

Atomiytimen rakennetta selitetään sähkömagneettisen vuorovaikutuksen lisäksi vahvalla vuorovaikutuksella. Protonit ja neutronit, yhteiseltä nimeltään nukleonit, koostuvat kukin kolmesta kvarkista. Kvarkit pitää yhdessä vahva vuorovaikutus.

Vahva vuorovaikutus selittää sen, että nukleonit vetävät toisiaan puoleensa. Kahden lähekkäisen protonin välillä on siis sekä vahvan vuorovaikutuksen synnyttämä vetovoima että samanmerkkisten sähkövarausten aikaansaama poistovoima. Tämän poistovoiman takia useita protoneja sisältävä atomiydin ei pysyisi koossa, ellei välissä olisi varauksettomia neutroneja ikään kuin liimana.

Elektroni ei ajaudu ytimen protoneja kohti, koska se ei kvanttimekaniikan mukaan ole pelkästään hiukkanen vaan pikemminkin avaruuteen levittyvä aalto. Tällaisen aallon ei ole suotuisaa keskittyä ytimeen tai toisaalta hajaantua laajalti: kumpikin tilanne vain kasvattaisi elektronin energiaa.

https://peda.net/id/cccb81ea4
Atomiytimen nukleonit eli protonit ja neutronit rakentuvat kolmesta kvarkista.