כימיה לבגרות/מספר אטומי, מסה אטומית ויון

חלקיקי האטום

השם "אטום" (יוונית:ἄτομος) מהמילה: "א"(לא) "טום" (ניתן לחלוקה). כשהתגלה החלקיק במאה ה-18, רווחה הדעה שלפיה האטום הוא חלקיק יסודי שאינו ניתן לחלוקה לחלקיקים קטנים יותר. מאוחר יותר התגלה כי האטום מורכב מחלקיקים קטנים יותר: גרעין קטן וכבד שבו פרוטונים ונייטרונים, וסביבו ענן של אלקטרונים.

• פרוטונים (p)- החלקיקים החיובים בגרעין האטום. הם מסומנים ב-p ולידם פלוס.
• אלקטרונים (e)- החלקיקים שמקיפים את גרעין האטום. הם מסומנים e ולידם מינוס.
• נויטרונים (n)– החלקיקים הניטרליים, נמצאים בתוך הגרעין ומונעים את דחית הפרוטונים. מסומנים באות n.

אטום מסומן בכתב כך:

מספר אטומי

מספר אטומי בראש האטום

מספר אטומי = מספר הפרוטונים באטום. באטום נטרלי כמות הפרוטונים (⁺p) זהה למספר האלקטרונים (^-e). עם זאת, אטום יכול לקבל או למסור אלקטרון וכך מטענו משתנה (הסבר בהמשך; בנושא יון).
המספר האטומי מייצג את האטום, יסוד ומבדיל אותו מאטומים אחרים, מיסודות אחרים. במערכה המחזורית, מספר האטומי מופיע מעל היסוד ובעזרתו נוכל למצוא את האטום במערכה המחזורית במהירות רבה ונוחה יותר כיוון שהמערכה ממוספרת בסדר עולה של המספר האטומי.
בכתב, המספר האטומי מסומן בקטן בצד שמאל של היסוד. למשל היסוד הליום (He) הוא בעל מספר אטומי 2. אם נרצה לסמן את המספר האטומי של אטום הליום נכתוב $_{2}He$

מסה אטומית/משקל אטומי

עיקר המסה של האטום מצוי בגרעין שכן השפעת המסה של האלקטרונים היא מזערית (משקלם עומד על $10^{-27}He$ בהשוואה לפרוטון שמשקלו $10^{-24}He$, כלומר הפרוטון גדול פי 1000). משקל הניוטרון זהה למשקל פרוטון.

מסה אטומית = המסה של איזוטופ מסוים של אטום

משקל אטומי = הממוצע המשוקלל של המסות האטומיות של האיזוטופים של אותו יסוד

מסה אטומית היא מספר הפרוטונים + הנויטרונים. היא אינה משתנה.

משקל אטומי נתון בטבלה המחזורית מתחת לאטום (אנו רק מעגלים אותה בגלל האיזוטופים). באמצעותו אנו יכולים לדעת את מספר הניוטרונים. למשל אם ניקח את יסוד האטום הליום (He) ונביט בטבלה המחזורית נראה כי המשקל שווה לארבע. על פי מספר אטומי אנו יודעים שיש שני פרוטונים להליום ומכאן שמספר הניוטרונים שווה לשנים (4-2=2).

דוגמא נוספת: אם נקח את היסוד סקנדיום, נראה כי משקל האטומי שלו שווה ל-44.96. מספר האטומי שלו הוא 21 ומכאן שמספר הניוטרונים שלו שווה ל-24 (45-21)

בהמשך (בנושא: סטויכיומטריה) אנו נפרט עליה יותר.

בכתב, מסה אטומית מופיע בצד השמאלי של היסוד למעלה, פירוט מלאה: $_{2}^{4}He$ או ככה:$^{4}He$

כיצד קבעו את המסה של פרוטון? נעזרו במשקל של פחמן שיחסית בקלות אפשר לשקול את מסת הפרוטונים שלו. בניגוד לזאת, חישוב המשקל האטומי של פרוטון באמצעות מימן אינה פשוטה על אף שיש לו פרוטון אחד וניוטרון אחד (לפעמים אף אין לו ניוטרון כלל).

תרגיל 1: לאטום חמצן (המסומן באות O) יש 8 פרוטונים ו-8 נויטרונים: מה המספר האטומי ומה מספר המסה שלו? איך נסמן את האטום?
המספר האטומי של האטום הוא 8 ומספר המסה הוא 16 נסמן את האטום כך: $_{8}^{16}O$

איזוטופ

איזוטופ הם קבוצה של יסודות עם מספר פרוטונים זהה, אך בעלי מסה אטומית שונה. כלומר, ההבדל בין יסוד לאיזוטופ שלו הוא במספר הנויטרונים שלהם. האיזוטופים זהים בתכונות הכימיות (מתחברים עם אותם אטומים וכדומה) אך שונים בתכונות הפיסיקליות (למשל: מצב רתיחה, קיפאון וכדומה) כיוון שהנויטרונים אחראים לייצב את הגרעין.

מהו האיזוטופ? (נהוג לכנות את) את האטום הפחות נפוץ בטבע כאיזוטופ (אם כי המושג הוא דו כיווני). למשל דאוטריום הוא איזוטופ של מימן.

לדוגמא: לכל אטומי הפחמן, המסומנים באות C, ביקום יש 6 פרוטונים . לאיזוטופ פחמן-12 ($_{6}^{12}C$) יש 6 פרוטונים ו-6 נויטרונים. לאיזוטופ פחמן-14 ($_{6}^{14}C$) יש 6 פרוטונים ו-8 נויטרונים.

כיוון שמשקל הניוטרון שווה למשקל הפרוטון, באופן טבעי אנו צריכים לקבל משקל אטומי עגול. כלומר כאשר אנו רואים בטבלה המחזורית כי משקל האטומי אינו עגול אנו יכולים לדעת בברור כי היסוד בעל איזוטופים.

תרגול

השלם את הטבלה עבור היסודות הבאים : ₁₃Al, ₉₂U , ₆C בעל מסה אטומית 12,13,14

ניוטרונים	אלקטרונים	פרוטונים	יון	מסה/משקל אטומית	מספר אטומי	האטום
			נטרלי

פתרון

ניוטרונים	אלקטרונים	פרוטונים	יון	מסה/משקל אטומית	מספר אטומי	האטום
27-13=14	13	13	נטרלי	27	13	13Al
146	92	92	נטרלי	238	92	92U
6	6	6	נטרלי	12	6	6C
7	6	6	נטרלי	13	6	6C
8	6	6	נטרלי	14	6	6C

תרגיל 2: מצא את הנתונים עבור האטומים הבאים: $_{6}^{12}C$, $_{6}^{13}C$, $_{6}^{14}C$, $_{92}^{238}U$, $_{13}^{27}Al$ (נתונים: ניוטרונים, אלקטרונים, פרוטונים, מסה אטומית ומספר אטומי)

$_{6}^{12}C$:ניוטרונים - 6, אלקטרונים - 6, פרוטונים - 6, מסה אטומית - 12, מספר אטומי - 6 $_{6}^{13}C$:ניוטרונים - 7, אלקטרונים - 6, פרוטונים - 6, מסה אטומית - 13, מספר אטומי - 6 $_{6}^{14}C$:ניוטרונים - 8, אלקטרונים - 6, פרוטונים - 6, מסה אטומית - 14, מספר אטומי - 6 $_{13}^{27}Al$:ניוטרונים - 14, אלקטרונים - 13, פרוטונים - 13, מסה אטומית - 27, מספר אטומי - 13 $_{92}^{238}U$:ניוטרונים - 146, אלקטרונים - 92, פרוטונים - 92, מסה אטומית - 238, מספר אטומי - 92

יון

יון הוא אטום טעון. אטום טעון מתקבל רק על ידי מסירה או קבלה של אלקטרונים :

• יון חיובי/קטיון – אטום שמסר אלקטרון או יותר.
• יון שלילי/אניון – אטום שקיבל אלקטרון או יותר.

קטגוריה	3+Al	O-2
מטען	3+	2-
כיצד נוצר היון?	נתן 3 אלקטרונים מהאטום.	קיבל 2 אלקטרונים.

יונים

מצב בו מסירים או מוסיפים אלקטרונים לאטום נקרא יינון, על ידי יינון אנחנו יכולים לשנות את המטען של האטום, אם נסיר אלקטרון מהאטום המטען הכולל שלו יהיה חיובי ואם נוסיף אלקטרון המטען יהיה שלילי. לאטום שעבר יינון ויש לו מטען (לא משנה אם חיובי או שלילי) אנחנו קוראים יוֹן. את היון מסמנים על ידי הסימן המתאים וכמות האלקטרונים שנוספו או חוסרו מהאטום בצד הימני העליון של הסימון של האטום (לדוגמא יון של חמצן שנוספו לו 2 אלקטרונים הוא:$_{8}^{16}O^{2-}$ או $O^{2-}$ אם אנחנו לא מתעסקים במספר האטומי ובמסה האטומית)

הערה: שים לב שהסימן מייצג את המטען ולא את השינוי במספר האלקטרונים ולכן אם הוצאנו אלקטרונים הסימן יהיה חיובי!

יון בעל מטען חיובי נקרא קטיון ויון בעל מטען שלילי נקרא אניון. על פי חוקי הפיזיקה מטענים מנוגדים נמשכים זה לזה ולכן נמצא הרבה פעמים קטיונים ואניונים אחד על יד השני. ישנו קשר בין אטומים הנקרא "קשר יוני" עליו תלמדו בהמשך.

האלקטרונים הנוספים מאכלסים את האורביטלים באטום על פי כלל האוטובוס שלמדנו קודם, והאלקטרונים היוצאים מהאטום יוצאים בסדר הפוך לסדר הכניסה, האחרון שנכנס יהיה הראשון שיצא.

תרגיל 2: לוקחים אטום כלור $_{17}Cl$ ומוסיפים לו אלקטרון אחד, איך נסמן את היון? מהי היערכות האלקטרונים ביון?
הסימון של יון הכלור הוא $Cl^{-}$ היערכות האלקטרונים היא $Cl^{-}(2,8,8)$