Atomi, ioni și izotopi: diferențe și exerciții

Atomii neutri au tot atâția electroni câți protoni; ionii au sarcină electrică; izotopii aceluiași element au același număr de protoni, dar numere diferite de neutroni. Pentru a nu amesteca termenii, răspunde separat la trei întrebări: ce element este, ce nucleu are și ce sarcină are particula?

Un ion nu este automat un alt element. Dacă un atom pierde un electron, numărul protonilor rămâne neschimbat. De asemenea, „izotop” nu înseamnă automat „radioactiv”: termenul descrie relația dintre nuclee, nu stabilește singur dacă ele sunt stabile.

Ce număr identifică elementul chimic?

Numărul atomic, notat $Z$, este numărul protonilor din nucleu. Toți atomii de carbon au șase protoni, iar cei de oxigen au opt. Dacă schimbi numărul protonilor, schimbi identitatea elementului.

Într-un atom neutru, numărul electronilor este egal cu $Z$. Dacă un enunț spune numai „atom neutru cu 13 protoni”, poți deduce 13 electroni. Nu poți deduce automat numărul neutronilor fără o informație despre izotop sau numărul de masă.

Structura atomului și convențiile de notare sunt explicate în capitolul OpenStax despre structură atomică. Folosește tabelul periodic pentru identitatea elementului, nu ca pe o sursă automată a tuturor numerelor din orice particulă.

Cum calculezi numărul neutronilor?

Numărul de masă, notat $A$, numără protonii și neutronii din nucleu. Dacă notăm numărul neutronilor cu $N$, avem:

$$A=Z+N,\qquad N=A-Z.$$

Un atom de aluminiu-27 are numărul atomic 13. Prin urmare, are 13 protoni și 14 neutroni. Dacă este neutru, are și 13 electroni. Electronii nu intră în calculul numărului de masă.

Scrie rezolvarea în această ordine: protoni, neutroni, electroni. Pentru protoni citești numărul atomic; pentru neutroni scazi; pentru electroni verifici sarcina. Astfel, fiecare coloană are propria sursă de informație.

Dacă obții un număr negativ de neutroni într-un exercițiu obișnuit, ai inversat scăderea sau ai citit greșit datele. De exemplu, perechea număr atomic 13 și număr de masă 27 nu poate produce minus 14 neutroni. Controlul aritmetic este imediat, fără memorarea unui tabel de izotopi.

Ce deosebește doi izotopi?

Carbonul-12 și carbonul-13 au câte șase protoni. Primul are șase neutroni, al doilea șapte. Sunt izotopi ai aceluiași element deoarece păstrează numărul atomic și diferă prin numărul de masă. Aceasta este și distincția din definiția IUPAC pentru izotopi.

Dacă ambele particule sunt neutre, au fiecare șase electroni. Diferența de un neutron nu obligă unul dintre atomi să câștige ori să piardă un electron. Neutronul nu are sarcină electrică netă.

Compară acum carbonul-14 cu azotul-14. Numerele de masă sunt egale, dar numerele atomice diferă: șase pentru carbon și șapte pentru azot. Nu sunt izotopi ai aceluiași element. Egalitatea unui singur număr nu este suficientă; trebuie să verifici care număr este egal.

Cum recunoști un ion pozitiv sau negativ?

Protonii au sarcină pozitivă, iar electronii sarcină negativă de aceeași mărime. Pentru un ion monoatomic, numărul de sarcină se obține scăzând numărul electronilor din numărul protonilor. Dacă protonii sunt mai numeroși, sarcina netă este pozitivă.

Un ion de magneziu cu 12 protoni și 10 electroni are sarcina doi plus. Un ion de fluor cu 9 protoni și 10 electroni are sarcina unu minus. În primul caz există un deficit de doi electroni față de atomul neutru; în al doilea, un electron în plus.

Nu spune că ionul pozitiv a „primit protoni” în procesul chimic obișnuit de ionizare. În modelul acestor exerciții se schimbă electronii, în timp ce nucleul rămâne același. Schimbările nucleare sunt alt tip de proces.

Când calculezi diferențe cu semn, poți relua regulile din ghidul despre modulul unui număr: semnul arată sensul dezechilibrului, iar mărimea spune câte sarcini elementare reprezintă.

Cum completezi un tabel cu particule?

Tabelul următor folosește izotopi specificați și ioni monoatomici. Numerele din coloana electronilor nu se citesc direct din numărul de masă.

Particulă	Protoni	Neutroni	Electroni
Aluminiu-27 neutru	13	14	13
Aluminiu-27 cu sarcina trei plus	13	14	10
Oxigen-16 neutru	8	8	8
Oxigen-16 cu sarcina doi minus	8	8	10

În primul cuplu, nucleul rămâne identic, iar numărul electronilor scade cu trei. În al doilea, nucleul rămâne identic, iar numărul electronilor crește cu doi. Poți avea aceeași identitate izotopică și sarcini diferite.

Acesta este motivul pentru care întrebarea „este ion sau izotop?” poate fi formulată greșit. Cele două etichete descriu aspecte diferite. O particulă poate fi ionul unui anumit izotop, de exemplu aluminiu-27 cu sarcina trei plus.

De ce masa din tabelul periodic poate avea zecimale?

Numărul de masă al unui nucleu este întreg, deoarece numără particule. Valoarea masei atomice relative folosită pentru un element poate reflecta contribuția mai multor izotopi. Nu reprezintă un număr fracționar de neutroni într-un singur nucleu.

IUPAC explică în tabelul educațional al elementelor și izotopilor diferența dintre izotopi și valorile asociate elementelor. Într-un exercițiu care cere neutronii unui atom, caută numărul de masă al izotopului; nu rotunji fără explicație orice valoare zecimală găsită în tabel.

Ca model aritmetic, imaginează-ți o colecție didactică de 100 de etichete: 75 au valoarea 10, iar 25 au valoarea 11. Media ponderată a etichetelor este 10,25, deși nicio etichetă nu conține 10,25. Exemplul arată logica mediei; nu reprezintă compoziția măsurată a unui element real.

Dacă vrei să refaci calculul, folosește pașii pentru media aritmetică ponderată. Separarea dintre valoarea individuală și medie previne multe confuzii în chimie.

Cum rezolvi o problemă inversă?

O particulă are 10 electroni, sarcina doi plus și numărul de masă 24. Sarcina pozitivă spune că protonii sunt cu doi mai numeroși decât electronii. Prin urmare, particula are 12 protoni, deci este magneziu. Numărul neutronilor este 12.

Verifică în sens invers: 12 protoni și 10 electroni dau doi plus; 12 protoni și 12 neutroni dau numărul de masă 24. Dacă ambele controale se potrivesc, ai folosit coerent datele.

O particulă cu 18 electroni și sarcina unu minus are 17 protoni. Dacă numărul de masă este 35, are 18 neutroni. Aici egalitatea neutronilor cu electronii este rezultatul datelor; nu este o regulă generală.

Ce exerciții poți verifica singur?

1. Un atom neutru are opt protoni și zece neutroni. Care sunt numărul de masă și numărul electronilor?
2. O particulă are 11 protoni și 10 electroni. Ce sarcină are?
3. Doi atomi au câte 17 protoni, dar 18 și 20 de neutroni. Sunt izotopi?
4. Un ion are 16 protoni și 18 electroni. Ce s-a schimbat față de atomul neutru?

Răspunsuri: primul este oxigen-18, cu opt electroni. A doua particulă are sarcina unu plus. Al treilea cuplu conține clor-35 și clor-37, deci izotopi. Ultimul ion are doi electroni în plus și sarcina doi minus.

Dacă aceeași coloană îți creează probleme, arată unui profesor de chimie două rezolvări complete și cere să identificați regula confundată. Păstrează cele trei întrebări separate: elementul, nucleul și sarcina.

Întrebări frecvente

Un număr de electroni identifică singur elementul?

Nu, dacă particula poate fi ion. De exemplu, zece electroni apar la un atom neutru de neon, dar și la ionii de magneziu sau fluor discutați mai sus. Numărul protonilor stabilește elementul; electronii și sarcina îți permit să verifici starea particulei.