Atom quruluşu və izotoplar: nuklid simvollarından atom kütləsinə

Ölçülən vahidlərdə protonlar, neytronlar və elektronlar

Proton elementar yük vahidlərində +1 yük daşıyır, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, elektron isə −1 yük daşıyır. Neytronun yükü yoxdur. Kütlələr adətən atom kütlə vahidləri ilə verilir (u, daltonlar da adlanır, Da); burada 1 u karbon-12 atomunun kütləsinin on ikidə biridir, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST tərəfindən dərc olunmuş 2022 CODATA qiymətlərinə görə protonun kütləsi 1.007276 u, neytronunku 1.008665 u, elektronunku isə 0.000549 u-dur. Proton elektrondan təxminən 1836 dəfə ağırdır, buna görə atomun kütləsinin demək olar ki, hamısı nüvədə cəmlənib. Nüvə həm də çox kiçikdir: onun radiusu 10⁻¹⁵ m tərtibindədir, atomun radiusu isə 10⁻¹⁰ m tərtibindədir. Buna görə atomun ölçüsünü və kimyasını elektronlar, kütləsini isə nüvə müəyyən edir.

Nuklid simvollarının oxunması və ionlarda hissəciklərin sayılması

Atom nömrəsi Z protonların sayıdır. O, elementi müəyyən edir: 17 protonu olan hər atom xlordur. Kütlə ədədi A protonların və neytronların ümumi sayıdır, buna görə neytronların sayı A − Z-dir. Nuklid simvolunda A element simvolunun solunda üst indeks, Z isə sol alt indeks kimi yazılır, məsələn, ³⁵₁₇Cl. Simvol Z-i artıq müəyyən etdiyindən alt indeks çox vaxt buraxılır və ³⁵Cl və ya xlor-35 yazılır.

Elektronların sayı protonların sayına yalnız neytral atomda bərabərdir. Yükü q olan ionda Z − q elektron var, buna görə müsbət yük daha az, mənfi yük isə daha çox elektron deməkdir. Yük heç vaxt nüvəni dəyişmir.

Həll olunmuş nümunə 1. ⁵⁶Fe³⁺ üçün: Z = 26, deməli 26 proton; 56 − 26 = 30 neytron; 26 − 3 = 23 elektron. ¹²⁷I⁻ üçün: 53 proton, 127 − 53 = 74 neytron və 53 + 1 = 54 elektron. ³⁴S²⁻ üçün: 16 proton, 18 neytron və 18 elektron. Diqqət edin ki, ³⁴S²⁻-də elektronların sayı arqon atomundakı qədərdir; ionları izoelektron edən kütlə ədədlərinin deyil, elektron saylarının eyni olmasıdır.

İzotoplar niyə eyni cür reaksiyaya girir, lakin kütləcə fərqlənir

İzotoplar Z-i eyni, neytronlarının sayı isə fərqli olan atomlardır. Xlor-35 və xlor-37-nin hər birində 17 proton və neytral atom kimi 17 elektron var. Kimyəvi davranışı elektronlar idarə edir, buna görə iki izotop eyni nisbətlərdə eyni birləşmələri əmələ gətirir.

Kütlədən asılı olan xassələr isə bir qədər fərqlənir. Verilmiş temperaturda yüngül molekullar daha sürətlə hərəkət edir, ağır izotoplarla əmələ gələn rabitələr isə bir az daha yavaş reaksiyaya girir. Ağır elementlər üçün bu təsirlər kiçikdir. Uranın zənginləşdirilməsi onların nə qədər kiçik olduğunu göstərir. Qrem qanununa görə ²³⁵UF₆ və ²³⁸UF₆-nın effuziya sürətlərinin nisbəti √(M₂/M₁)-dir. NIST izotop kütlələrindən istifadə etsək, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol və M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, buna görə nisbət √(352.041/349.034) = 1.0043-dür. Arakəsmədən bir dəfə keçid yüngül izotopu yarım faizdən az zənginləşdirir; zənginləşdirmə zavodlarına ardıcıl qoşulmuş çoxlu pillə lazım olmasının səbəbi budur.

Çəkili orta qiymətlər: izotop kütlələrindən atom kütləsinə

Periodik cədvəldəki atom kütləsi heç bir ayrıca atomun kütləsi deyil. O, elementin adi nümunədəki atomlarının hər izotopun nə qədər geniş yayıldığına görə çəkilmiş orta kütləsidir. Hər izotopun kütləsini onun pay şəklində yayılmasına vurun və hasilləri toplayın. Payların cəmi 1 olmalıdır.

Həll olunmuş nümunə 2. Maqneziumun üç sabit izotopu var. NIST-in Atomic Weights and Isotopic Compositions cədvəllərindən: ²⁴Mg, 23.985042 u, yayılma 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Hasillər 18.94578, 2.49858 və 2.86068 u-dur, onların cəmi isə 24.30505 u-dur. Dördrəqəmli yayılmalara əhəmiyyətli rəqəmlərin sərt qaydalarını tətbiq etsək, bu, 24.31 u-ya yuvarlaqlaşdırılardı. Üç onluq mərtəbəyə qədər saxlansa, 24.305 u alınır; bu, əksər periodik cədvəllərdə yazılan şərti qiymətdir.

Eyni hesablamanı xlor üçün aparın; 34.968853 u kütləli və 0.7576 yayılmalı ³⁵Cl-dən, 36.965903 u kütləli və 0.2424 yayılmalı ³⁷Cl-dən istifadə edin: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Sürətli təxmin səhvləri tutur: orta qiymət izotop kütlələri arasında olmalı və daha geniş yayılmış izotopa daha yaxın olmalıdır.

İzotopun yayılmasını tapmaq üçün tərsinə hesablama

Elementin iki izotopu varsa və atom kütləsini bilirsinizsə, yayılmaları hesablaya bilərsiniz. Birinci izotopun payını x adlandırın; onda ikincisininki 1 − x olur. Çəkili orta qiyməti tənlik kimi yazın və x-i tapın.

Həll olunmuş nümunə 3. Misin standart atom kütləsi 63.546-dır və onun iki sabit izotopu var: 62.929598 u kütləli ⁶³Cu və 64.927790 u kütləli ⁶⁵Cu (NIST). Onda 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Tənliyi çevirdikdə x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 alınır. Deməli, misin 69.15%-i ⁶³Cu, 30.85%-i isə ⁶⁵Cu-dur və bu, NIST-in 0.6915 və 0.3085 yayılmalarını təkrarlayır.

Bu üsul yalnız iki izotop üçün işləyir. Üç izotop olduqda bir orta qiymət iki naməlumlu bir tənlik verir və kütlə spektri kimi daha bir ölçmə lazım olur.

Kütlə spektrində izotop mənzərələri

Kütlə spektrometri nümunəni ionlaşdırır, ionları kütlənin yükə nisbətinə görə ayırır və hər qiymətə nə qədər ion çatdığını qeyd edir. Tək element üçün piklərin hündürlükləri izotopların yayılmasını birbaşa verir. Molekullarda izotoplar birləşir və tanınan mənzərələr yaradır.

Həll olunmuş nümunə 4. Cl₂-nin molekulyar ion mənzərəsini proqnozlaşdırın. ³⁵Cl üçün p = 0.7576, ³⁷Cl üçün q = 0.2424 götürək. Molekul p² = 0.5740 ehtimalla ³⁵Cl–³⁵Cl (kütlə 70), 2pq = 0.3673 ehtimalla ³⁵Cl–³⁷Cl (kütlə 72), q² = 0.0588 ehtimalla isə ³⁷Cl–³⁷Cl (kütlə 74) olur. 2 vuruğu hər izotopdan birinin alınmasının iki yolunu nəzərə alır. Ən hündür pik 100 olacaq şəkildə miqyaslandıqda mənzərə 100 : 64.0 : 10.2 olur.

Buradan iki qısayol çıxır. Bir xlor atomu olan birləşmə bir-birindən iki kütlə vahidi aralı, təxminən 3 : 1 nisbətində piklər göstərir, çünki p/q = 3.13. Bir brom atomu olan birləşmə demək olar ki, eyni hündürlükdə iki pik göstərir, çünki NIST ⁷⁹Br-un yayılmasını 0.5069, ⁸¹Br-unkunu isə 0.4931 kimi verir.

Bal itirməyə səbəb olan atom quruluşu səhvləri

Səhvlərin çoxu üç sayı qarışdırmaqdan və ya atom kütləsinə ayrıca atomun xassəsi kimi baxmaqdan yaranır. Nəyisə saymazdan əvvəl Z-i, A-nı və yükü yazın.

• İon almaq üçün protonların sayını dəyişmək. Yük yalnız elektronları dəyişir; elementi protonlar müəyyən edir.
• Müsbət ion üçün elektron əlavə etmək. 3+ ionunda atomdakından üç elektron azdır.
• Atom kütləsini kütlə ədədi kimi oxumaq. Heç bir xlor atomunun kütləsi 35.45 u deyil; bu, təxminən 35 u və 37 u kütləli atomların orta qiymətidir.
• Faizləri 100-ə bölmədən pay kimi istifadə etmək; bu, 100 dəfə böyük orta qiymət verir.
• Kütlə spektrini proqnozlaşdırarkən ³⁵Cl–³⁷Cl kimi qarışıq izotop cütləri üçün 2 vuruğunu unutmaq.
• Kütlə ədədi eyni olduğuna görə iki nuklidi izotop adlandırmaq. ¹⁴C və ¹⁴N-in A-sı eynidir, lakin onlar fərqli elementlərdir.

Kütlə defekti və interval şəklində atom kütlələri

Altı proton, altı neytron və altı elektronun CODATA kütlələrini topladıqda 12.0989 u alınır, halbuki karbon-12 atomunun kütləsi dəqiq 12 u-dur. Çatışmayan 0.0989 u, yəni cəmin təxminən 0.82%-i, nüvə əmələ gələrkən ayrılan enerjiyə uyğundur. İzotop kütlələrinin tam ədəd olmamasının səbəbi bu kütlə defektidir və o, nüvənin rabitə enerjisi üçün çıxış nöqtəsidir.

Bəzi elementlərdə izotop tərkibi təbii mənbələr arasında elə dəyişir ki, İKYTB-nin (IUPAC) İzotopların Yayılması və Atom Kütlələri Komissiyası tək ədəd əvəzinə interval verir. Xlor [35.446, 35.457], maqnezium isə [24.304, 24.307] kimi göstərilir. Kursunuz başqa cür tələb etmirsə, adi hesablamalar üçün şərti tək qiymətlərdən, 35.45 və 24.305-dən istifadə edin.