Elementarne informacje o budowie materii

Chemia to nauka, której przedmiotem są atomy i molekuły oraz ich oddziaływania między sobą. Istotnie — atomy to najmniejsze składniki materii, którym można przypisać właściwości chemiczne.

Praktycznie cała masa atomów jest zlokalizowana w jądrach złożonych z protonów i neutronów, o rozmiarach rzędu 1fm = 10^-5Å. Jądra są o 5 rzędów wielkości mniejsze niż „rozmiary” atomów!

W skład jądra wchodzą protony (obdarzone ładunkiem elementarnym „+”) i nie posiadające ładunku neutrony. Były one przez długi czas uważane za cząstki elementarne — dziś wiadomo, że złożone są z mniejszych struktur zwanych kwarkami, które obecnie uznajemy za elementarne (nie wiadomo, czy liczba cząstek elementarnych jest skończona!).

Rozmiary atomów są umowne — „chmura” elektronów nie posiada ostrej granicy. Możemy powiedzieć, że liniowe wymiary atomów są rzędu Ångströmów (1Å = 10^-10 m). Elektrony otaczające jądra, (podobnie jak niezwiązane w atomach elektrony) są cząstkami elementarnymi. Oznacza to, że nie przypisujemy im żadnej struktury wewnętrznej i uznajemy, że są punktowe. Tym niemniej elektrony w atomach będziemy traktować raczej jak fale stojące a nie jak cząstki.

Jednostką masy atomowej jest 1Da (dalton) zdefiniowany jako 1/12 masy atomu węgla ¹²C, które tworzy 6 neutronów, 6 protonów oraz 6 elektronów. Masy protonów i neutronów są podobne i wynoszą około 1 Da. Masa elektronu to zaledwie ok. 1/1830 Da.

Dlaczego masy atomowe w układzie okresowym pierwiastków nie są całkowite?

Przyczyna najistotniejsza jest banalna. Jądra poszczególnych pierwiastków posiadają wprawdzie (z definicji) tę samą liczbę protonów, lecz liczba neutronów w jądrze może dla tego samego pierwiastka przyjmować różne wartości. Jądra o określonym składzie nazywamy nuklidami, a różne nuklidy tego samego pierwiastka nazywamy jego izotopami (w praktyce te terminy często stosuje się zamiennie). Zakładamy, że skład izotopowy pierwiastków w naszym otoczeniu jest stały, gdyż powstały one znacznie wcześniej niż skorupa ziemska (zmienia się skład izotopowy tych pierwiastków, które posiadają niestabilne — ulegające rozpadowi — jądra. W chemii organicznej rzadko będziemy mieli styczność z takimi pierwiastkami). Masa atomowa jest średnią ważoną mas poszczególnych nuklidów wchodzących w skład danego pierwiastka, przy czym wagami są udziały (ułamkowe — procentowe) poszczególnych nuklidów. Przy obecności więcej niż jednego izotopu, średnia ta może nie być, i zwykle nie jest, liczbą całkowitą. Masy atomowe pierwiastków posiadających izotopy ulegające rozpadowi promieniotwórczemu zmieniają się z biegiem czasu (choć bardzo powoli i w stopniu bardzo niewielkim!).

Drugą ważną przyczyną jest fakt, że nukleony oddziałują ze sobą tworząc jądro atomowe. Energia tego oddziaływania (silnego!) jest wielka — istotna nawet w porównaniu z całkowitą energią zmagazynowaną w masie jądra atomowego (choć jednak dużo od niej mniejsza). Zgodnie z wnioskami płynącymi ze szczególnej teorii względności (równanie E=mc²), masa jest równoważna energii (zakładając, że prędkość światła w próżni c, a więc i c² jest wielkością stałą). Każda zmiana energii układu jest zatem związana ze zmianą jego masy. Skoro całkowita energia układu protonów i neutronów maleje o oddziaływanie między nimi, to musi mieć to odzwierciedlenie w spadku całkowitej masy. Swobodne nukleony „ważą” odpowiednio więcej niż te same nukleony związane w jądrze atomowym (tzw. defekt masy).

Trzecią — ostatnią — przyczyną niecałkowitości mas atomowych jest niezerowa masa elektronów, które są (obok nukleonów) składnikami atomów (także atomu węgla, dla którego zdefiniowano jednostkę masy atomowej!). Masy elektronów są zaniedbywanie małe w porównaniu z masami nukleonów, tak więc i poprawka mas atomowych ze względu na uwzględnienie masy elektronów jest znikoma i zaniedbywalna.

Spektrometria mas

Czy można „zważyć” pojedynczy atom lub molekułę? Tak! Dzięki spektrometrii mas (MS), potrafimy mierzyć masy (a w zasadzie stosunek masy do ładunku) pojedynczych cząsteczek z ogromną dokładnością. Dwie pierwsze z ww. przyczyn niecałkowitości mas atomowych można zaobserwować właśnie dzięki tej technice.

Próbka materii zawierająca atomy chloru będzie w spektrometrii mas dawała dwa główne piki — odpowiadające izotopom ³⁵Cl i ³⁷Cl. Wysokość tych sygnałów odpowiada w przybliżeniu naturalnej dystrybucji poszczególnych izotopów: ³⁵Cl 75,77%, ³⁷Cl 24,23%. Natomiast próbka chloru cząsteczkowego: Cl₂ posiadać będzie bardziej złożony profil, odpowiadający wszystkim kombinacjom izotopowym chloru Dzięki istnieniu takiego profilu izotopowego, na pierwszy rzut oka można powiedzieć ile w danej molekule jest atomów chloru, bromu lub innych pierwiastków posiadających izotopy.

Pomimo, że węgiel posiada tylko bardzo niewielki udział izotopu ¹³C (ok. 1,1%), dla dużych molekuł organicznych ma to znaczenie przy analizie widm. Po prostu dla molekuł o liczbie atomów węgla większej niż 100, najbardziej prawdopodobne jest, że trafi się choć jeden atom węgla 13C. W analizie masowej polimerów (polipeptydów, białek, DNA, tworzyw sztucznych..) pik masowy jest przesunięty w kierunku większych mas. Znając skład izotopowy wszystkich pierwiastków wchodzących w skład molekuły, możemy z dużą dokładnością określić jej skład atomowy (analizujemy przynajmniej setki, jak nie setki tysięcy, molekuł — możemy więc uznać, że jest to próba statystyczna — prawdopodobieństwo że w danej próbce będzie akurat więcej atomów ¹³C niż średnio w przyrodzie jest odwrotnie proporcjonalne do liczby analizowanych molekuł, czyli pomijalnie mała!).

W spektrometrii mas mierzy się stosunek masy jonów do ich ładunku. W ogólności spektrometria mas polega na:

1. Jonizacji.
2. Przyspieszeniu jonów w polu elektrycznym.
3. Separacji jonów (na przykład poprzez różne zakrzywienie ich torów w przyłożonym polu magnetycznym).
4. Detekcji jonów.