Atoomstruktuur en isotope: van nuklied-simbole tot atoomgewig

Protone, neutrone en elektrone in gemete eenhede

Die proton dra 'n lading van +1 in eenhede van die elementêre lading, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, en die elektron dra −1. Die neutron het geen lading nie. Massas word gewoonlik in verenigde atoommassa-eenhede gegee (u, ook daltons, Da, genoem), waar 1 u een twaalfde van die massa van 'n koolstof-12-atoom is, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Volgens die 2022 CODATA-waardes wat deur NIST gepubliseer is, is die proton 1.007276 u, die neutron 1.008665 u en die elektron 0.000549 u. Die proton is ongeveer 1836 keer swaarder as die elektron, dus sit byna al 'n atoom se massa in die kern. Die kern is ook piepklein: sy radius is van die orde 10⁻¹⁵ m, terwyl die atoom se radius van die orde 10⁻¹⁰ m is. Die elektrone bepaal dus 'n atoom se grootte en sy chemie, en die kern bepaal sy massa.

Nuklied-simbole lees en deeltjies in ione tel

Die atoomgetal Z is die aantal protone. Dit definieer die element: elke atoom met 17 protone is chloor. Die massagetal A is die totale aantal protone en neutrone, dus is die aantal neutrone A − Z. 'n Nuklied-simbool skryf A as 'n linkerboskrif en Z as 'n linkeronderskrif op die elementsimbool, soos in ³⁵₁₇Cl. Omdat die simbool reeds Z vasstel, word die onderskrif dikwels weggelaat, wat ³⁵Cl of chloor-35 gee.

Elektrone is slegs in 'n neutrale atoom gelyk aan protone. 'n Ioon met lading q het Z − q elektrone, dus beteken 'n positiewe lading minder elektrone en 'n negatiewe lading meer. Die lading verander nooit die kern nie.

Uitgewerkte voorbeeld 1. Vir ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, dus 26 protone; 56 − 26 = 30 neutrone; 26 − 3 = 23 elektrone. Vir ¹²⁷I⁻: 53 protone, 127 − 53 = 74 neutrone en 53 + 1 = 54 elektrone. Vir ³⁴S²⁻: 16 protone, 18 neutrone en 18 elektrone. Let op dat ³⁴S²⁻ dieselfde aantal elektrone as 'n argonatoom het; ooreenstemmende elektrongetalle, nie ooreenstemmende massagetalle nie, maak ione iso-elektronies.

Hoekom isotope eenders reageer maar in massa verskil

Isotope is atome met dieselfde Z maar verskillende getalle neutrone. Chloor-35 en chloor-37 het albei 17 protone en, as neutrale atome, 17 elektrone. Chemiese gedrag word deur elektrone beheer, dus vorm die twee isotope dieselfde verbindings in dieselfde verhoudings.

Eienskappe wat van massa afhang, verskil wel effens. Ligter molekule beweeg vinniger by 'n gegewe temperatuur, en bindings met swaarder isotope reageer 'n bietjie stadiger. Hierdie effekte is klein vir swaar elemente. Uraanverryking wys hoe klein. Volgens Graham se wet is die effusietempo's van ²³⁵UF₆ en ²³⁸UF₆ in die verhouding √(M₂/M₁). Met NIST-isotoopmassas is M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol en M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, dus is die verhouding √(352.041/349.034) = 1.0043. Een deurgang deur 'n versperring verryk die ligter isotoop met minder as 'n halwe persent, en daarom het verrykingsaanlegte baie stadiums in serie nodig.

Geweegde gemiddeldes: van isotoopmassas tot atoomgewig

Die atoomgewig op 'n periodieke tabel is nie die massa van enige enkele atoom nie. Dit is die gemiddelde massa van die element se atome in 'n normale monster, geweeg volgens hoe algemeen elke isotoop is. Vermenigvuldig elke isotoop se massa met sy fraksionele voorkoms en tel die produkte bymekaar. Die fraksies moet tot 1 optel.

Uitgewerkte voorbeeld 2. Magnesium het drie stabiele isotope. Uit die NIST-tabelle Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, voorkoms 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Die produkte is 18.94578, 2.49858 en 2.86068 u, en hul som is 24.30505 u. Streng reëls vir beduidende syfers, toegepas op die viersyfervoorkomswaardes, sou dit tot 24.31 u afrond. Tot drie desimale plekke gehou, is dit 24.305 u, die konvensionele waarde wat op die meeste periodieke tabelle gedruk is.

Doen dieselfde berekening vir chloor, met ³⁵Cl by 34.968853 u met voorkoms 0.7576 en ³⁷Cl by 36.965903 u met 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. 'n Vinnige skatting vang foute: die gemiddelde moet tussen die isotoopmassas lê en nader aan die meer algemene een.

Terugwerk om 'n isotoopvoorkoms te vind

As 'n element twee isotope het en jy ken die atoomgewig, kan jy vir die voorkoms oplos. Noem die fraksie van die eerste isotoop x; die tweede is dan 1 − x. Skryf die geweegde gemiddelde as 'n vergelyking en los op vir x.

Uitgewerkte voorbeeld 3. Koper het 'n standaardatoomgewig van 63.546 en twee stabiele isotope, ⁶³Cu by 62.929598 u en ⁶⁵Cu by 64.927790 u (NIST). Dan is 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Herrangskikking gee x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Koper is dus 69.15% ⁶³Cu en 30.85% ⁶⁵Cu, wat die NIST-voorkomswaardes van 0.6915 en 0.3085 reproduseer.

Hierdie metode werk slegs vir twee isotope. Met drie gee een gemiddelde een vergelyking in twee onbekendes, en jy het 'n ander meting nodig, soos 'n massaspektrum.

Isotooppatrone in 'n massaspektrum

'n Massaspektrometer ioniseer 'n monster, skei die ione volgens massa-tot-lading-verhouding en teken aan hoeveel by elke waarde aankom. Vir 'n enkele element gee die piekhoogtes die isotoopvoorkoms direk. Vir molekule kombineer isotope en lewer herkenbare patrone.

Uitgewerkte voorbeeld 4. Voorspel die molekulêre-ioonpatroon van Cl₂. Laat p = 0.7576 vir ³⁵Cl en q = 0.2424 vir ³⁷Cl. 'n Molekule is ³⁵Cl–³⁵Cl (massa 70) met waarskynlikheid p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (massa 72) met waarskynlikheid 2pq = 0.3673, en ³⁷Cl–³⁷Cl (massa 74) met waarskynlikheid q² = 0.0588. Die faktor 2 tel die twee maniere om een van elk te kry. Geskaal sodat die hoogste piek 100 is, is die patroon 100 : 64.0 : 10.2.

Twee kortpaaie volg. 'n Verbinding met een chlooratoom toon pieke twee massa-eenhede uitmekaar in 'n verhouding van ongeveer 3 : 1, omdat p/q = 3.13. 'n Verbinding met een broomatoom toon twee pieke van byna gelyke hoogte, omdat NIST ⁷⁹Br by 0.5069 en ⁸¹Br by 0.4931 lys.

Atoomstruktuurfoute wat punte kos

Die meeste foute kom van die verwarring van die drie getalle of van die behandeling van die atoomgewig as 'n eienskap van 'n enkele atoom. Skryf Z, A en die lading neer voordat jy enigiets tel.

• Die aantal protone verander om 'n ioon te maak. Lading verander slegs elektrone; protone bepaal die element.
• Elektrone byvoeg vir 'n positiewe ioon. 'n 3+-ioon het drie elektrone minder as die atoom.
• Die atoomgewig as 'n massagetal lees. Geen chlooratoom het 'n massa van 35.45 u nie; dit is 'n gemiddelde van atome by ongeveer 35 u en 37 u.
• Persentasies as fraksies gebruik sonder om deur 100 te deel, wat 'n gemiddelde gee wat 100 keer te groot is.
• Die faktor 2 vir gemengde isotooppare, soos ³⁵Cl–³⁷Cl, vergeet wanneer 'n massaspektrum voorspel word.
• Twee nukliede isotope noem omdat hulle dieselfde massagetal het. ¹⁴C en ¹⁴N deel A maar is verskillende elemente.

Massadefek en interval-atoomgewigte

As jy ses protone, ses neutrone en ses elektrone met die CODATA-massas bymekaartel, kry jy 12.0989 u, tog is 'n koolstof-12-atoom presies 12 u. Die ontbrekende 0.0989 u, ongeveer 0.82% van die totaal, stem ooreen met die energie wat vrygestel is toe die kern gevorm het. Hierdie massadefek is die rede waarom isotoopmassas nie heelgetalle is nie, en dit is die beginpunt vir kernbindingsenergie.

Vir sommige elemente wissel die isotoopmengsel genoeg tussen natuurlike bronne dat IUPAC se Kommissie oor Isotoopvoorkoms en Atoomgewigte 'n interval in plaas van 'n enkele getal rapporteer. Chloor word as [35.446, 35.457] gelys en magnesium as [24.304, 24.307]. Gebruik vir gewone berekeninge die konvensionele enkelwaardes, 35.45 en 24.305, tensy jou kursus anders sê.