Element, simbol și izotopi

Un element chimic este alcătuit din atomi cu același număr de protoni, adică același număr atomic $Z$. Fiecare element are un simbol chimic de una sau două litere: prima este majusculă, a doua minusculă. $\mathrm{C}$ este carbon, $\mathrm{Ca}$ este calciu, $\mathrm{Cl}$ este clor, iar $\mathrm{Co}$ este cobalt, nu monoxid de carbon (acesta se scrie $\mathrm{CO}$). Simbolurile următoare vin din numele latinești ale elementelor: $\mathrm{Na}$ de la natrium, $\mathrm{K}$ de la kalium, $\mathrm{Fe}$ de la ferrum, $\mathrm{Cu}$ de la cuprum, $\mathrm{Ag}$ de la argentum, $\mathrm{Au}$ de la aurum.

Izotopii sunt atomi ai aceluiași element, cu același $Z$ și numere diferite de neutroni, deci cu numere de masă $A$ diferite. Hidrogenul are trei izotopi: protiul ${}_1^1\mathrm{H}$ (fără neutron), deuteriul ${}_1^2\mathrm{H}$ (un neutron) și tritiul ${}_1^3\mathrm{H}$ (doi neutroni). Carbonul are izotopii ${}^{12}\mathrm{C}$, ${}^{13}\mathrm{C}$ și ${}^{14}\mathrm{C}$. Izotopii unui element au aceeași structură a învelișului de electroni, deci practic aceleași proprietăți chimice; diferă masa lor.

Masa atomică relativă $A_r$ compară masa unui atom cu a douăsprezecea parte din masa atomului ${}^{12}\mathrm{C}$ și nu are unitate de măsură. Valoarea din tabelul periodic este media maselor izotopilor naturali, ținând seama de cât de răspândit este fiecare. De aceea $A_r$ al clorului nu este număr întreg: $A_r(\mathrm{Cl})=35,5$. La calcule școlare se folosesc valori rotunjite, de exemplu $\mathrm{H}=1$, $\mathrm{C}=12$, $\mathrm{O}=16$.

Se cunosc $118$ elemente, așezate în tabelul periodic în ordinea crescătoare a lui $Z$. Simbolul $\mathrm{Fe}$ înseamnă elementul fier, dar și un atom de fier: $3Fe$ înseamnă trei atomi de fier. Oxigenul este cel mai răspândit element din scoarța Pământului, iar hidrogenul este cel mai răspândit element din Univers.

Exemplu rezolvat: carbonul natural conține $98,9\%$ atomi ${}^{12}\mathrm{C}$ și $1,1\%$ atomi ${}^{13}\mathrm{C}$. Cât este masa atomică medie?

1. Scriem procentele ca fracții: $0,989$ și $0,011$.
2. Înmulțim fiecare număr de masă cu fracția lui: $12\cdot 0,989=11,868$ și $13\cdot 0,011=0,143$.
3. Adunăm: $11,868+0,143=12,011$.
4. Rezultatul, $A_r\approx 12,01$, este foarte aproape de $12$ pentru că aproape toți atomii sunt ${}^{12}\mathrm{C}$.

Neutronii izotopilor se află scăzând: ${}^{12}\mathrm{C}$ are $12-6=6$ neutroni, ${}^{13}\mathrm{C}$ are $7$, iar ${}^{14}\mathrm{C}$ are $8$; toți au câte $6$ protoni.

Primele $20$ de elemente sunt: $\mathrm{H}$ hidrogen, $\mathrm{He}$ heliu, $\mathrm{Li}$ litiu, $\mathrm{Be}$ beriliu, $\mathrm{B}$ bor, $\mathrm{C}$ carbon, $\mathrm{N}$ azot, $\mathrm{O}$ oxigen, $\mathrm{F}$ fluor, $\mathrm{Ne}$ neon, $\mathrm{Na}$ sodiu, $\mathrm{Mg}$ magneziu, $\mathrm{Al}$ aluminiu, $\mathrm{Si}$ siliciu, $\mathrm{P}$ fosfor, $\mathrm{S}$ sulf, $\mathrm{Cl}$ clor, $\mathrm{Ar}$ argon, $\mathrm{K}$ potasiu, $\mathrm{Ca}$ calciu.

Un nuclid este un tip de atom definit de perechea $(Z,A)$, notat ${}_Z^A\mathrm{X}$. La izotopi se schimbă $A$, nu $Z$. Masa atomică relativă medie se calculează cu abundențele ca fracții, a căror sumă este $1$: $A_r=x_1{A}_1+x_2{A}_2+\dots$ Rezultatul este mai mare decât cel mai mic număr de masă și mai mic decât cel mai mare. Abundențele se măsoară cu spectrometrul de masă. Elementele cu un singur izotop natural au $A_r$ aproape întreg: $\mathrm{Na}$ ($23$), $\mathrm{Al}$ ($27$), $\mathrm{P}$ ($31$). Numeric, masa molară în g/mol este egală cu $A_r$. Masa unui atom se exprimă în u: $m{(}^{12}\mathrm{C})=12$ u $=12\cdot 1,66\cdot 10^{-27}\mathrm{kg}\approx 1,99\cdot 10^{-26}$ kg.

Exemplu rezolvat 1: clorul are $75\%$ atomi ${}^{35}\mathrm{Cl}$ și $25\%$ atomi ${}^{37}\mathrm{Cl}$.

1. Fracțiile sunt $0,75$ și $0,25$, cu suma $1$.
2. $A_r(\mathrm{Cl})=35\cdot 0,75+37\cdot 0,25=26,25+9,25=35,5$.
3. Ambii izotopi au $17$ protoni; primul are $35-17=18$ neutroni, al doilea $37-17=20$.

Valoarea $35,5$ nu descrie un atom real, ci media. Dacă abundențele s-ar inversa, media ar fi $36,5$, dar elementul ar rămâne clor, pentru că $Z$ nu s-a schimbat.

Exemplu rezolvat 2: magneziul natural are trei izotopi, ${}^{24}\mathrm{Mg}$ ($79\%$), ${}^{25}\mathrm{Mg}$ ($10\%$) și ${}^{26}\mathrm{Mg}$ ($11\%$).

1. Verificăm suma abundențelor: $79+10+11=100\%$.
2. Calculăm media: $24\cdot 0,79+25\cdot 0,10+26\cdot 0,11=18,96+2,50+2,86=24,32$.
3. Valoarea rotunjită, $24$, este cea folosită în calculele școlare.

Exemplu rezolvat 3: neonul natural conține $90,48\%$ ${}^{20}\mathrm{Ne}$, $0,27\%$ ${}^{21}\mathrm{Ne}$ și $9,25\%$ ${}^{22}\mathrm{Ne}$.

1. Suma abundențelor este $90,48+0,27+9,25=100,00\%$.
2. Produsele sunt $20\cdot 0,9048=18,096$; $21\cdot 0,0027=0,0567$; $22\cdot 0,0925=2,035$.
3. Masa atomică medie este $18,096+0,0567+2,035\approx 20,19$.
4. Rezultatul este apropiat de $20$, fiindcă predomină ${}^{20}\mathrm{Ne}$; în calculele școlare se folosește $20$.

Exemplu rezolvat 4: câți neutroni și câți protoni conține $1$ mol de atomi ${}^{14}\mathrm{C}$?

1. Atomul ${}^{14}\mathrm{C}$ are $6$ protoni și $14-6=8$ neutroni.
2. Un mol conține $N_A=6,022\cdot 10^{23}$ atomi.
3. Neutronii: $8\cdot 6,022\cdot 10^{23}\approx 4,82\cdot 10^{24}$; protonii: $6\cdot 6,022\cdot 10^{23}\approx 3,61\cdot 10^{24}$.

Izotopii unui element au același număr de electroni în atomul neutru, deci dau aceleași reacții: ${}^{12}\mathrm{C}$ și ${}^{13}\mathrm{C}$ ard la fel și formează același dioxid de carbon, cu masele moleculare relative $12+32=44$, respectiv $13+32=45$. Proprietățile fizice diferă. ${}^{14}\mathrm{C}$ este radioactiv, cu timp de înjumătățire de $5730$ de ani, și servește la datarea resturilor organice vechi. Izotopii hidrogenului au simboluri proprii, $\mathrm{D}$ pentru deuteriu și $\mathrm{T}$ pentru tritiu; tritiul este radioactiv, iar protiul și deuteriul sunt stabili. Apa grea, ${\mathrm{D}}_2\mathrm{O}$, are masa moleculară relativă $2\cdot 2+16=20$, față de $2\cdot 1+16=18$ la apa obișnuită.

Problema inversă cere abundențele pornind de la masa medie. Un element are izotopi cu masele $10$ u și $11$ u, iar masa atomică medie este $10,8$ u. Dacă $x$ este fracția izotopului ușor, $10x+11(1-x)=10,8$, de unde $x=0,20$: abundențele sunt $20\%$ și $80\%$. Controlul: ambele fracții sunt între $0$ și $1$ și însumează $1$. Procentele sunt ponderi ale atomilor, nu ale maselor.

Exemplu de complement simplu: izotopul oxigenului cu $10$ neutroni se notează ${}_8^{18}\mathrm{O}$, deoarece $A=8+10=18$, iar $Z=8$ rămâne cel al oxigenului. Numărul de masă este întotdeauna întreg, iar masa atomică medie a clorului, a magneziului sau a neonului este zecimală.

Exemplu cu trei date: litiul natural are $7,5\%$ ${}^6\mathrm{Li}$ și $92,5\%$ ${}^7\mathrm{Li}$, deci $A_r=6\cdot 0,075+7\cdot 0,925=0,45+6,475=6,925$. Media simplă $(6+7)/2=6,5$ este greșită, fiindcă abundențele nu sunt egale.

Exemplu: bromul are izotopii ${}^{79}\mathrm{Br}$ și ${}^{81}\mathrm{Br}$ și $A_r=80$. Din $79x+81(1-x)=80$ rezultă $81-2x=80$, deci $x=0,5$: câte $50\%$ din fiecare izotop.

Exemplu cu număr de atomi: o probă de clor are $2000$ de atomi, dintre care $25\%$ sunt ${}^{37}\mathrm{Cl}$. Ea conține $0,25\cdot 2000=500$ de atomi ${}^{37}\mathrm{Cl}$ și $2000-500=1500$ de atomi ${}^{35}\mathrm{Cl}$.

Exemplu de complement grupat. Sunt perechi de izotopi:

1. ${}^{16}\mathrm{O}$ și ${}^{18}\mathrm{O}$;
2. ${}^{40}\mathrm{Ar}$ și ${}^{40}\mathrm{K}$;
3. ${}^{12}\mathrm{C}$ și ${}^{14}\mathrm{C}$;
4. ${}^{23}\mathrm{Na}$ și ${}^{23}{\mathrm{Na}}^{+}$.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: la 1 și 3 perechile au același $Z$ și $A$ diferit, deci sunt izotopi; la 2 perechea are $Z$ diferit ($18$ și $19$) și același $A$, deci nu sunt izotopi; la 4 este același nuclid, cu și fără un electron, iar $A$ nu diferă. Răspuns: B.

Greșeli frecvente

• Greșit: ${}^{35}\mathrm{Cl}$ și ${}^{37}\mathrm{Cl}$ sunt elemente diferite.
  Corect: ambele au $Z=17$ și sunt izotopi ai clorului.
• Greșit: Un atom de clor are $35,5$ neutroni.
  Corect: $35,5$ este masa atomică medie, nu numărul neutronilor unui atom.
• Greșit: Simbolul cobaltului este $\mathrm{CO}$.
  Corect: cobaltul este $\mathrm{Co}$, cu a doua literă minusculă; $\mathrm{CO}$ înseamnă carbon și oxigen, adică monoxid de carbon.
• Greșit: Izotopii unui element au număr diferit de protoni.
  Corect: au același $Z$ și diferă prin numărul de neutroni.

Înainte și după