Egitura atomikoa eta isotopoak: nuklido-ikurretatik pisu atomikora

Protoiak, neutroiak eta elektroiak unitate neurtuetan

Protoiak +1eko karga du oinarrizko kargaren unitateetan, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, eta elektroiak −1ekoa. Neutroiak ez du kargarik. Masak masa atomikoaren unitate bateratuetan ematen dira normalean (u, daltonak ere deituak, Da), non 1 u karbono-12 atomo baten masaren hamabirena den, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NISTek argitaratutako 2022ko CODATA balioen arabera, protoia 1.007276 u da, neutroia 1.008665 u eta elektroia 0.000549 u. Protoia elektroia baino 1836 aldiz astunagoa da gutxi gorabehera, beraz atomo baten masa ia osoa nukleoan dago. Nukleoa oso txikia ere bada: bere erradioa 10⁻¹⁵ m-ko ordenakoa da, atomoaren erradioa 10⁻¹⁰ m-ko ordenakoa den bitartean. Elektroiek, beraz, atomoaren tamaina eta bere kimika zehazten dituzte, eta nukleoak bere masa.

Nuklido-ikurrak irakurtzea eta ioietako partikulak zenbatzea

Z zenbaki atomikoa protoi-kopurua da. Elementua definitzen du: 17 protoi dituen atomo oro kloroa da. A masa-zenbakia protoien eta neutroien kopuru osoa da, beraz neutroi-kopurua A − Z da. Nuklido-ikur batek A ezkerreko goi-indize gisa eta Z ezkerreko azpindize gisa idazten ditu elementuaren ikurrean, ³⁵₁₇Cl-n bezala. Ikurrak berak Z finkatzen duenez, azpindizea askotan kentzen da, eta ³⁵Cl edo kloro-35 geratzen da.

Elektroi-kopurua protoi-kopuruaren berdina da atomo neutro batean bakarrik. q karga duen ioi batek Z − q elektroi ditu, beraz karga positiboak elektroi gutxiago esan nahi du eta karga negatiboak gehiago. Kargak ez du inoiz nukleoa aldatzen.

1. adibide landua. ⁵⁶Fe³⁺-rako: Z = 26, beraz 26 protoi; 56 − 26 = 30 neutroi; 26 − 3 = 23 elektroi. ¹²⁷I⁻-rako: 53 protoi, 127 − 53 = 74 neutroi eta 53 + 1 = 54 elektroi. ³⁴S²⁻-rako: 16 protoi, 18 neutroi eta 18 elektroi. Ohartu ³⁴S²⁻-k argon-atomo batek adina elektroi dituela; elektroi-kopuru berdinek egiten dituzte ioiak isoelektroniko, ez masa-zenbaki berdinek.

Zergatik erreakzionatzen duten isotopoek antzera baina masan desberdinak diren

Isotopoak Z bera baina neutroi-kopuru desberdinak dituzten atomoak dira. Kloro-35ek eta kloro-37k 17 protoi dituzte biek, eta, atomo neutro gisa, 17 elektroi. Portaera kimikoa elektroiek kontrolatzen dute, beraz bi isotopoek konposatu berak eratzen dituzte proportzio berean.

Masaren araberakoak diren propietateak, ordea, apur bat desberdinak dira. Molekula arinagoak azkarrago mugitzen dira tenperatura jakin batean, eta isotopo astunagoekiko loturek apur bat motelago erreakzionatzen dute. Efektu hauek txikiak dira elementu astunetan. Uranioaren aberastzeak erakusten du zein txikiak diren. Grahamen legearen arabera, ²³⁵UF₆-ren eta ²³⁸UF₆-ren efusio-abiaduren arteko erlazioa √(M₂/M₁) da. NISTen isotopo-masak erabiliz, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol eta M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, beraz erlazioa √(352.041/349.034) = 1.0043 da. Hesi batetik behin igarotzeak isotopo arinagoa ehuneko erdi bat baino gutxiago aberasten du, eta horregatik behar dituzte aberastze-instalazioek seriean jarritako urrats asko.

Batez besteko haztatuak: isotopoen masetatik pisu atomikora

Taula periodikoko pisu atomikoa ez da atomo bakar baten masa. Elementuaren atomoek lagin arrunt batean duten batez besteko masa da, isotopo bakoitza zein ohikoa den kontuan hartuta haztatua. Biderkatu isotopo bakoitzaren masa bere ugaritasun-frakzioaz eta batu biderkadurak. Frakzioen baturak 1 izan behar du.

2. adibide landua. Magnesioak hiru isotopo egonkor ditu. NISTen Atomic Weights and Isotopic Compositions tauletatik: ²⁴Mg, 23.985042 u, ugaritasuna 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Biderkadurak 18.94578, 2.49858 eta 2.86068 u dira, eta haien batura 24.30505 u. Lau zifrako ugaritasunei zifra esanguratsuen arau zorrotzak aplikatuz gero, hau 24.31 u-ra biribilduko litzateke. Hiru hamartarrekin mantenduta, 24.305 u da, taula periodiko gehienetan inprimatzen den ohiko balioa.

Egin kalkulu bera kloroarentzat, ³⁵Cl 34.968853 u-tan 0.7576ko ugaritasunarekin eta ³⁷Cl 36.965903 u-tan 0.2424rekin erabiliz: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Estimazio azkar batek akatsak harrapatzen ditu: batez bestekoak isotopoen masen artean egon behar du, eta ugarienetik hurbilago.

Atzeraka lan eginez isotopo baten ugaritasuna aurkitzea

Elementu batek bi isotopo baditu eta pisu atomikoa ezagutzen baduzu, ugaritasunak ebatz ditzakezu. Deitu x lehen isotopoaren frakzioari; bigarrena orduan 1 − x da. Idatzi batez besteko haztatua ekuazio gisa eta ebatzi x.

3. adibide landua. Kobreak 63.546ko pisu atomiko estandarra eta bi isotopo egonkor ditu, ⁶³Cu 62.929598 u-tan eta ⁶⁵Cu 64.927790 u-tan (NIST). Orduan 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Berrantolatuz x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 lortzen da. Beraz, kobrea % 69.15 ⁶³Cu eta % 30.85 ⁶⁵Cu da, eta horrek NISTen 0.6915 eta 0.3085 ugaritasunak erreproduzitzen ditu.

Metodo honek bi isotoporekin bakarrik funtzionatzen du. Hirurekin, batez besteko batek bi ezezaguneko ekuazio bakarra ematen du, eta beste neurketa bat behar duzu, masa-espektro bat adibidez.

Isotopo-ereduak masa-espektro batean

Masa-espektrometro batek lagin bat ionizatzen du, ioiak masa/karga erlazioaren arabera bereizten ditu eta balio bakoitzera zenbat iristen diren erregistratzen du. Elementu bakar baterako, gailurren altuerek isotopo-ugaritasunak zuzenean ematen dituzte. Molekuletan, isotopoak konbinatu egiten dira eta eredu ezagungarriak sortzen dituzte.

4. adibide landua. Iragarri Cl₂-ren ioi molekularraren eredua. Izan bedi p = 0.7576 ³⁵Cl-rako eta q = 0.2424 ³⁷Cl-rako. Molekula bat ³⁵Cl–³⁵Cl da (masa 70) p² = 0.5740 probabilitatearekin, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) 2pq = 0.3673 probabilitatearekin, eta ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) q² = 0.0588 probabilitatearekin. 2ko faktoreak bakoitzetik bat lortzeko bi moduak zenbatzen ditu. Gailurrik altuena 100 izan dadin eskalatuta, eredua 100 : 64.0 : 10.2 da.

Bi lasterbide ondorioztatzen dira. Kloro-atomo bat duen konposatu batek bi masa-unitateko tartea duten gailurrak erakusten ditu, 3 : 1 inguruko erlazioan, p/q = 3.13 delako. Bromo-atomo bat duen konposatu batek ia altuera berdineko bi gailur erakusten ditu, NISTek ⁷⁹Br 0.5069an eta ⁸¹Br 0.4931n zerrendatzen dituelako.

Puntuak kostatzen dituzten egitura atomikoko akatsak

Akats gehienak hiru zenbaketak nahasteagatik edo pisu atomikoa atomo bakar baten propietatetzat hartzeagatik gertatzen dira. Idatzi Z, A eta karga ezer zenbatu aurretik.

• Protoi-kopurua aldatzea ioi bat egiteko. Kargak elektroiak bakarrik aldatzen ditu; protoiek finkatzen dute elementua.
• Elektroiak gehitzea ioi positibo baterako. 3+ ioi batek atomoak baino hiru elektroi gutxiago ditu.
• Pisu atomikoa masa-zenbaki gisa irakurtzea. Ez dago 35.45 u-ko masa duen kloro-atomorik; 35 u eta 37 u inguruko atomoen batez bestekoa da.
• Ehunekoak frakzio gisa erabiltzea 100ez zatitu gabe, eta horrek 100 aldiz handiegia den batez besteko bat ematen du.
• Isotopo-bikote mistoen 2ko faktorea ahaztea, ³⁵Cl–³⁷Cl adibidez, masa-espektro bat iragartzean.
• Bi nuklidori isotopo deitzea masa-zenbaki bera dutelako. ¹⁴C-k eta ¹⁴N-k A bera dute, baina elementu desberdinak dira.

Masa-defektua eta tarte gisa emandako pisu atomikoak

Sei protoi, sei neutroi eta sei elektroi CODATAren masekin batuz 12.0989 u lortzen da, baina karbono-12 atomo bat zehazki 12 u da. Falta den 0.0989 u-k, guztizkoaren % 0.82 inguruk, nukleoa eratu zenean askatutako energiari dagokio. Masa-defektu hori da isotopoen masak zenbaki osoak ez izatearen arrazoia, eta lotura-energia nuklearraren abiapuntua da.

Zenbait elementutan, isotopo-nahastea nahikoa aldatzen da iturri natural batetik bestera, eta IUPACen Isotopo Ugaritasunen eta Pisu Atomikoen Batzordeak tarte bat ematen du zenbaki bakar baten ordez. Kloroa [35.446, 35.457] gisa zerrendatzen da eta magnesioa [24.304, 24.307] gisa. Ohiko kalkuluetarako, erabili balio bakar konbentzionalak, 35.45 eta 24.305, zure ikastaroak bestelakorik esaten ez badu.