Aatomi ehitus ja isotoobid: nukliidi tähisest aatommassini

Prootonid, neutronid ja elektronid mõõdetud ühikutes

Prootoni laeng on elementaarlaengu ühikutes +1, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ja elektroni laeng on −1. Neutronil laengut ei ole. Massid antakse tavaliselt aatommassiühikutes (u, nimetatakse ka daltoniteks, Da), kus 1 u on üks kaheteistkümnendik süsinik-12 aatomi massist, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST-i avaldatud 2022. aasta CODATA väärtuste järgi on prootoni mass 1.007276 u, neutroni mass 1.008665 u ja elektroni mass 0.000549 u. Prooton on elektronist umbes 1836 korda raskem, seega paikneb peaaegu kogu aatomi mass tuumas. Tuum on ka pisike: selle raadius on suurusjärgus 10⁻¹⁵ m, aatomi raadius aga suurusjärgus 10⁻¹⁰ m. Seetõttu määravad aatomi suuruse ja keemia elektronid, massi aga tuum.

Nukliidi tähiste lugemine ja osakeste loendamine ioonides

Aatomnumber Z on prootonite arv. See määrab elemendi: iga aatom, millel on 17 prootonit, on kloor. Massiarv A on prootonite ja neutronite koguarv, seega on neutronite arv A − Z. Nukliidi tähises kirjutatakse A vasakule ülaindeksiks ja Z vasakule alaindeksiks elemendi sümboli ette, nagu ³⁵₁₇Cl. Kuna sümbol juba määrab Z, jäetakse alaindeks sageli ära ja saadakse ³⁵Cl ehk kloor-35.

Elektronide arv võrdub prootonite arvuga ainult neutraalses aatomis. Laenguga q ioonil on Z − q elektroni, seega tähendab positiivne laeng vähem elektrone ja negatiivne laeng rohkem. Laeng ei muuda kunagi tuuma.

Lahendatud näide 1. ⁵⁶Fe³⁺ puhul: Z = 26, seega 26 prootonit; 56 − 26 = 30 neutronit; 26 − 3 = 23 elektroni. ¹²⁷I⁻ puhul: 53 prootonit, 127 − 53 = 74 neutronit ja 53 + 1 = 54 elektroni. ³⁴S²⁻ puhul: 16 prootonit, 18 neutronit ja 18 elektroni. Pane tähele, et ³⁴S²⁻ elektronide arv on sama mis argooni aatomil; ioonid teeb isoelektronseks ühesugune elektronide arv, mitte ühesugune massiarv.

Miks isotoobid reageerivad ühtemoodi, kuid erinevad massi poolest

Isotoobid on aatomid, millel on sama Z, kuid erinev arv neutroneid. Nii kloor-35 kui ka kloor-37 sisaldavad 17 prootonit ja neutraalsete aatomitena 17 elektroni. Keemilist käitumist juhivad elektronid, seega moodustavad need kaks isotoopi samu ühendeid samades vahekordades.

Massist sõltuvad omadused erinevad siiski veidi. Kergemad molekulid liiguvad antud temperatuuril kiiremini ja raskemate isotoopidega moodustatud sidemed reageerivad pisut aeglasemalt. Raskete elementide puhul on need mõjud väikesed. Uraani rikastamine näitab, kui väikesed. Grahami seaduse järgi on ²³⁵UF₆ ja ²³⁸UF₆ efusioonikiiruste suhe √(M₂/M₁). NIST-i isotoopmasside abil on M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol ja M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, seega on suhe √(352.041/349.034) = 1.0043. Üks läbimine barjäärist rikastab kergemat isotoopi vähem kui poole protsendi võrra, mistõttu vajavad rikastamistehased palju järjestikuseid astmeid.

Kaalutud keskmised: isotoopide massidest aatommassini

Perioodilisustabelis olev aatommass ei ole ühegi üksiku aatomi mass. See on elemendi aatomite keskmine mass tavalises proovis, kaalutud iga isotoobi levimusega. Korruta iga isotoobi mass selle osakaaluga ja liida korrutised. Osakaalude summa peab olema 1.

Lahendatud näide 2. Magneesiumil on kolm stabiilset isotoopi. NIST-i tabelitest Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, levimus 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Korrutised on 18.94578, 2.49858 ja 2.86068 u ning nende summa on 24.30505 u. Neljakohalistele levimustele rakendatud ranged tüvenumbrireeglid ümardaksid selle väärtuseks 24.31 u. Kolme kümnendkohaga on see 24.305 u, tavapärane väärtus, mis on trükitud enamikku perioodilisustabelitesse.

Tee sama arvutus kloori jaoks, kasutades ³⁵Cl massi 34.968853 u levimusega 0.7576 ja ³⁷Cl massi 36.965903 u levimusega 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Kiire hinnang püüab vead kinni: keskmine peab jääma isotoopide masside vahele ja olema lähemal levinumale isotoobile.

Tagurpidi arvutamine isotoobi levimuse leidmiseks

Kui elemendil on kaks isotoopi ja sa tead aatommassi, saad levimused välja arvutada. Tähista esimese isotoobi osakaal x-ga; teise osakaal on siis 1 − x. Kirjuta kaalutud keskmine võrrandina ja lahenda see x suhtes.

Lahendatud näide 3. Vase standardne aatommass on 63.546 ja tal on kaks stabiilset isotoopi, ⁶³Cu massiga 62.929598 u ja ⁶⁵Cu massiga 64.927790 u (NIST). Siis 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Ümberkorraldamisel saadakse x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Seega koosneb vask 69.15% ulatuses isotoobist ⁶³Cu ja 30.85% ulatuses isotoobist ⁶⁵Cu, mis taastab NIST-i levimused 0.6915 ja 0.3085.

See meetod töötab ainult kahe isotoobi korral. Kolme isotoobi korral annab üks keskmine ühe võrrandi kahe tundmatuga ja sul on vaja veel üht mõõtmist, näiteks massispektrit.

Isotoopmustrid massispektris

Massispektromeeter ioniseerib proovi, eraldab ioonid massi ja laengu suhte järgi ning registreerib, kui palju neid iga väärtuse juures saabub. Üksiku elemendi puhul annavad piikide kõrgused otse isotoopide levimused. Molekulide puhul isotoobid kombineeruvad ja tekitavad äratuntavaid mustreid.

Lahendatud näide 4. Ennusta Cl₂ molekulaariooni mustrit. Olgu p = 0.7576 isotoobi ³⁵Cl jaoks ja q = 0.2424 isotoobi ³⁷Cl jaoks. Molekul on ³⁵Cl–³⁵Cl (mass 70) tõenäosusega p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (mass 72) tõenäosusega 2pq = 0.3673 ja ³⁷Cl–³⁷Cl (mass 74) tõenäosusega q² = 0.0588. Tegur 2 arvestab kahte viisi saada kumbagi isotoopi üks. Kui skaleerida nii, et kõrgeim piik on 100, on muster 100 : 64.0 : 10.2.

Sellest tulenevad kaks otseteed. Ühe klooriaatomiga ühendil on kaks piiki kahe massiühiku kaugusel üksteisest suhtega umbes 3 : 1, sest p/q = 3.13. Ühe broomiaatomiga ühendil on kaks peaaegu võrdse kõrgusega piiki, sest NIST annab ⁷⁹Br levimuseks 0.5069 ja ⁸¹Br levimuseks 0.4931.

Aatomi ehituse vead, mis maksavad punkte

Enamik vigu tuleneb kolme arvu segiajamisest või aatommassi käsitlemisest üksiku aatomi omadusena. Kirjuta üles Z, A ja laeng, enne kui midagi loendad.

• Prootonite arvu muutmine iooni saamiseks. Laeng muudab ainult elektronide arvu; prootonid määravad elemendi.
• Elektronide lisamine positiivse iooni puhul. 3+ ioonil on kolm elektroni vähem kui aatomil.
• Aatommassi lugemine massiarvuna. Ühegi klooriaatomi mass ei ole 35.45 u; see on umbes 35 u ja 37 u massiga aatomite keskmine.
• Protsentide kasutamine osakaaludena ilma 100-ga jagamata, mis annab 100 korda liiga suure keskmise.
• Teguri 2 unustamine segatud isotoopide paaride, näiteks ³⁵Cl–³⁷Cl, puhul massispektri ennustamisel.
• Kahe nukliidi nimetamine isotoopideks, sest neil on sama massiarv. ¹⁴C ja ¹⁴N on sama A-ga, kuid need on erinevad elemendid.

Massidefekt ja vahemikuna antud aatommassid

Kuue prootoni, kuue neutroni ja kuue elektroni CODATA masside liitmine annab 12.0989 u, ometi on süsinik-12 aatomi mass täpselt 12 u. Puuduv 0.0989 u, umbes 0.82% kogumassist, vastab energiale, mis vabanes tuuma tekkimisel. See massidefekt on põhjus, miks isotoopide massid ei ole täisarvud, ja see on tuuma seoseenergia lähtepunkt.

Mõne elemendi puhul erineb isotoopide segu looduslikes allikates nii palju, et IUPAC-i isotoopide levimuste ja aatommasside komisjon esitab üksiku arvu asemel vahemiku. Kloori puhul on antud [35.446, 35.457] ja magneesiumi puhul [24.304, 24.307]. Tavaliste arvutuste jaoks kasuta tavapäraseid üksikväärtusi 35.45 ja 24.305, kui sinu kursus ei ütle teisiti.