5.8: Isotoper – när antalet neutroner varierar

Stabilitet hos isotoper

Atomerna behöver ett visst förhållande mellan neutroner och protoner för att ha en stabil kärna. Att ha för många eller för få neutroner i förhållande till protoner resulterar i en instabil, eller radioaktiv, kärna som förr eller senare kommer att brytas ner till en stabilare form. Denna process kallas radioaktivt sönderfall. Många isotoper har radioaktiva kärnor och dessa isotoper kallas radioisotoper. När de sönderfaller avger de partiklar som kan vara skadliga. Därför är radioaktiva isotoper farliga och för att arbeta med dem krävs särskilda skyddsdräkter. Kolets isotop som kallas kol-14 är ett exempel på en radioisotop. Däremot är kolisotoperna som kallas kol-12 och kol-13 stabila.

Hela denna diskussion om isotoper för oss tillbaka till Daltons atomteori. Enligt Dalton är atomer av ett visst grundämne identiska. Men om atomer av ett givet grundämne kan ha olika antal neutroner kan de också ha olika massa! Hur kunde Dalton missa detta? Det visar sig att grundämnen som finns i naturen existerar som konstanta enhetliga blandningar av deras naturligt förekommande isotoper. Med andra ord innehåller en bit litium alltid båda typerna av naturligt förekommande litium (typen med 3 neutroner och typen med 4 neutroner). Dessutom innehåller den alltid de två i samma relativa mängder (eller ”relativa abundanser”). I en bit litium kommer \(93\%\) alltid att vara litium med 4 neutroner, medan resterande \(7\%\) alltid kommer att vara litium med 3 neutroner.

Dalton experimenterade alltid med stora bitar av ett grundämne – bitar som innehöll alla naturligt förekommande isotoper av det grundämnet. När han utförde sina mätningar observerade han därför i själva verket de genomsnittliga egenskaperna hos alla de olika isotoperna i provet. För de flesta av våra syften i kemi kommer vi att göra samma sak och hantera atomernas genomsnittliga massa. Lyckligtvis är de flesta andra egenskaper hos olika isotoper, bortsett från att de har olika massa, likartade.

Det finns två huvudsakliga sätt på vilka forskare ofta visar masstalet för en atom som de är intresserade av. Det är viktigt att notera att masstalet inte anges i det periodiska systemet. Dessa två sätt är bland annat att skriva en kärnsymbol eller genom att ange elementets namn med masstalet skrivet.

För att skriva en kärnsymbol placeras masstalet längst upp till vänster (superskript) på den kemiska symbolen och atomnumret placeras längst ner till vänster (subscript) på symbolen. Den fullständiga kärnsymbolen för helium-4 är ritad nedan:

De följande kärnsymbolerna gäller en nickelkärna med 31 neutroner och en urankärna med 146 neutroner.

\

I nickelkärnan som representeras ovan anger atomnumret 28 att kärnan innehåller 28 protoner, och därför måste den innehålla 31 neutroner för att ha ett masstal på 59. Urankärnan har 92 protoner som alla urankärnor och just denna urankärna har 146 neutroner.

Ett annat sätt att representera isotoper är att lägga till ett bindestreck och masstalet till det kemiska namnet eller symbolen. På så sätt skulle de två atomkärnorna vara Nickel-59 eller Ni-59 och Uranium-238 eller U-238, där 59 och 238 är de två atomernas masstal. Observera att masstal (inte antalet neutroner) anges vid sidan av namnet.