Строеж на атома и изотопи: от символите на нуклидите до атомното тегло

Протони, неутрони и електрони в измерени единици

Протонът носи заряд +1 в единици елементарен заряд, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, а електронът носи −1. Неутронът няма заряд. Масите обикновено се дават в унифицирани атомни единици за маса (u, наричани още далтони, Da), където 1 u е една дванадесета от масата на атом въглерод-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Според стойностите на CODATA от 2022 г., публикувани от NIST, протонът е 1.007276 u, неутронът е 1.008665 u, а електронът е 0.000549 u. Протонът е около 1836 пъти по-тежък от електрона, така че почти цялата маса на атома е съсредоточена в ядрото. Ядрото е и мъничко: радиусът му е от порядъка на 10⁻¹⁵ m, докато радиусът на атома е от порядъка на 10⁻¹⁰ m. Следователно електроните определят размера на атома и неговата химия, а ядрото определя масата му.

Четене на символите на нуклиди и броене на частиците в йони

Атомният номер Z е броят на протоните. Той определя елемента: всеки атом със 17 протона е хлор. Масовото число A е общият брой протони и неутрони, така че броят на неутроните е A − Z. Символът на нуклида записва A като горен индекс отляво и Z като долен индекс отляво на символа на елемента, както в ³⁵₁₇Cl. Тъй като символът вече определя Z, долният индекс често се изпуска, което дава ³⁵Cl или хлор-35.

Електроните са равни на протоните само в неутрален атом. Йон със заряд q има Z − q електрона, така че положителен заряд означава по-малко електрони, а отрицателен – повече. Зарядът никога не променя ядрото.

Решен пример 1. За ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, значи 26 протона; 56 − 26 = 30 неутрона; 26 − 3 = 23 електрона. За ¹²⁷I⁻: 53 протона, 127 − 53 = 74 неутрона и 53 + 1 = 54 електрона. За ³⁴S²⁻: 16 протона, 18 неутрона и 18 електрона. Забележете, че ³⁴S²⁻ има същия брой електрони като атом на аргона; еднаквият брой електрони прави йоните изоелектронни, а не еднаквите масови числа.

Защо изотопите реагират еднакво, но се различават по маса

Изотопите са атоми с едно и също Z, но с различен брой неутрони. Хлор-35 и хлор-37 имат по 17 протона и, като неутрални атоми, по 17 електрона. Химичното поведение се определя от електроните, така че двата изотопа образуват едни и същи съединения в едни и същи съотношения.

Свойствата, които зависят от масата, наистина се различават леко. По-леките молекули се движат по-бързо при дадена температура, а връзките с по-тежки изотопи реагират малко по-бавно. Тези ефекти са малки при тежките елементи. Обогатяването на урана показва колко малки. Според закона на Греъм скоростите на ефузия на ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆ се отнасят като √(M₂/M₁). С изотопните маси от NIST M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol и M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, така че отношението е √(352.041/349.034) = 1.0043. Едно преминаване през преграда обогатява по-лекия изотоп с по-малко от половин процент, затова заводите за обогатяване се нуждаят от много последователни степени.

Претеглени средни стойности: от изотопните маси до атомното тегло

Атомното тегло в периодичната таблица не е масата на нито един отделен атом. То е средната маса на атомите на елемента в нормална проба, претеглена според това колко разпространен е всеки изотоп. Умножете масата на всеки изотоп по неговия дял на разпространение и съберете произведенията. Делите трябва да дават сбор 1.

Решен пример 2. Магнезият има три стабилни изотопа. От таблиците на NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, разпространение 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Произведенията са 18.94578, 2.49858 и 2.86068 u, а сборът им е 24.30505 u. Строгите правила за значещите цифри, приложени към четирицифрените стойности на разпространението, биха закръглили това до 24.31 u. С три десетични знака то е 24.305 u – общоприетата стойност, отпечатана в повечето периодични таблици.

Направете същото изчисление за хлора, като използвате ³⁵Cl с 34.968853 u и разпространение 0.7576 и ³⁷Cl с 36.965903 u и 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Бърза оценка улавя грешките: средната стойност трябва да е между масите на изотопите и по-близо до по-разпространения.

Обратно изчисление на разпространението на изотоп

Ако елементът има два изотопа и знаете атомното тегло, можете да намерите разпространението им. Означете дела на първия изотоп с x; тогава делът на втория е 1 − x. Запишете претеглената средна стойност като уравнение и го решете за x.

Решен пример 3. Медта има стандартно атомно тегло 63.546 и два стабилни изотопа, ⁶³Cu с 62.929598 u и ⁶⁵Cu с 64.927790 u (NIST). Тогава 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Преобразуването дава x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Следователно медта е 69.15% ⁶³Cu и 30.85% ⁶⁵Cu, което възпроизвежда разпространението по NIST от 0.6915 и 0.3085.

Този метод работи само за два изотопа. При три една средна стойност дава едно уравнение с две неизвестни и е нужно още едно измерване, например масспектър.

Изотопни картини в масспектъра

Масспектрометърът йонизира пробата, разделя йоните според отношението маса към заряд и регистрира колко пристигат при всяка стойност. За отделен елемент височините на пиковете директно дават разпространението на изотопите. При молекулите изотопите се комбинират и създават разпознаваеми картини.

Решен пример 4. Предвидете картината на молекулния йон на Cl₂. Нека p = 0.7576 за ³⁵Cl и q = 0.2424 за ³⁷Cl. Молекулата е ³⁵Cl–³⁵Cl (маса 70) с вероятност p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (маса 72) с вероятност 2pq = 0.3673 и ³⁷Cl–³⁷Cl (маса 74) с вероятност q² = 0.0588. Множителят 2 отчита двата начина да се получи по един от всеки. Мащабирана така, че най-високият пик да е 100, картината е 100 : 64.0 : 10.2.

Следват два преки пътя. Съединение с един атом хлор показва пикове на разстояние две масови единици в отношение около 3 : 1, защото p/q = 3.13. Съединение с един атом бром показва два пика с почти еднаква височина, защото NIST дава ⁷⁹Br с 0.5069 и ⁸¹Br с 0.4931.

Грешки в строежа на атома, които струват точки

Повечето грешки идват от объркване на трите броя или от третиране на атомното тегло като свойство на отделен атом. Запишете Z, A и заряда, преди да броите каквото и да било.

• Промяна на броя на протоните, за да се получи йон. Зарядът променя само електроните; протоните определят елемента.
• Добавяне на електрони за положителен йон. Йон 3+ има три електрона по-малко от атома.
• Четене на атомното тегло като масово число. Нито един атом хлор няма маса 35.45 u; това е средна стойност на атоми с около 35 u и 37 u.
• Използване на проценти като дялове без делене на 100, което дава средна стойност 100 пъти по-голяма.
• Забравяне на множителя 2 за смесени изотопни двойки, като ³⁵Cl–³⁷Cl, при предвиждане на масспектър.
• Наричане на два нуклида изотопи, защото имат едно и също масово число. ¹⁴C и ¹⁴N имат едно и също A, но са различни елементи.

Масов дефект и атомни тегла, дадени като интервал

Събирането на шест протона, шест неутрона и шест електрона с масите по CODATA дава 12.0989 u, а атомът въглерод-12 е точно 12 u. Липсващите 0.0989 u, около 0.82% от общото, съответстват на енергията, отделена при образуването на ядрото. Този масов дефект е причината масите на изотопите да не са цели числа и е отправната точка за енергията на връзката в ядрото.

При някои елементи изотопният състав варира достатъчно между природните източници, така че Комисията на IUPAC по изотопно разпространение и атомни тегла дава интервал вместо едно число. Хлорът е посочен като [35.446, 35.457], а магнезият – като [24.304, 24.307]. За обикновени изчисления използвайте общоприетите единични стойности, 35.45 и 24.305, освен ако курсът ви не изисква друго.