Istruktura ng Atom at mga Isotope: Mula sa mga Nuclide Symbol tungo sa Atomic Weight

Mga proton, neutron, at electron sa mga sinukat na yunit

May karga ang proton na +1 sa mga yunit ng elementary charge, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, at may karga ang electron na −1. Walang karga ang neutron. Karaniwang ibinibigay ang mga masa sa unified atomic mass unit (u, tinatawag ding dalton, Da), kung saan ang 1 u ay isang ikalabindalawa ng masa ng isang atom ng carbon-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Mula sa mga halaga ng CODATA 2022 na inilathala ng NIST, ang proton ay 1.007276 u, ang neutron ay 1.008665 u, at ang electron ay 0.000549 u. Ang proton ay mga 1836 beses na mas mabigat kaysa sa electron, kaya halos lahat ng masa ng atom ay nasa nucleus. Napakaliit din ng nucleus: ang radius nito ay nasa order na 10⁻¹⁵ m, habang ang radius ng atom ay nasa order na 10⁻¹⁰ m. Kaya ang mga electron ang nagtatakda ng laki at kimika ng atom, at ang nucleus ang nagtatakda ng masa nito.

Pagbasa ng mga nuclide symbol at pagbibilang ng mga particle sa mga ion

Ang atomic number na Z ay ang bilang ng mga proton. Ito ang nagtatakda ng elemento: ang bawat atom na may 17 proton ay chlorine. Ang mass number na A ay ang kabuuang bilang ng mga proton at neutron, kaya ang bilang ng neutron ay A − Z. Isinusulat ng nuclide symbol ang A bilang superscript sa kaliwa at ang Z bilang subscript sa kaliwa ng simbolo ng elemento, gaya ng ³⁵₁₇Cl. Dahil itinatakda na ng simbolo ang Z, madalas tinatanggal ang subscript, kaya nagiging ³⁵Cl o chlorine-35.

Kapantay lang ng bilang ng proton ang bilang ng electron sa neutral na atom. Ang ion na may kargang q ay may Z − q na electron, kaya ang positibong karga ay nangangahulugang mas kaunting electron at ang negatibong karga ay mas marami. Hindi kailanman binabago ng karga ang nucleus.

Halimbawang may solusyon 1. Para sa ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, kaya 26 na proton; 56 − 26 = 30 neutron; 26 − 3 = 23 electron. Para sa ¹²⁷I⁻: 53 proton, 127 − 53 = 74 neutron, at 53 + 1 = 54 electron. Para sa ³⁴S²⁻: 16 proton, 18 neutron, at 18 electron. Pansinin na ang ³⁴S²⁻ ay may parehong bilang ng electron gaya ng atom ng argon; ang magkatugmang bilang ng electron ang nagpapaging-isoelectronic sa mga ion, hindi ang magkatugmang mass number.

Kung bakit magkatulad ang reaksyon ng mga isotope ngunit magkaiba ang masa

Ang mga isotope ay mga atom na may parehong Z ngunit magkaibang bilang ng neutron. Ang chlorine-35 at chlorine-37 ay parehong may 17 proton at, bilang neutral na atom, 17 electron. Kinokontrol ng mga electron ang kemikal na kilos, kaya bumubuo ang dalawang isotope ng parehong mga compound sa parehong mga ratio.

Bahagyang nagkakaiba nga ang mga katangiang nakadepende sa masa. Mas mabilis gumalaw ang mas magagaang molecule sa isang partikular na temperatura, at medyo mas mabagal mag-react ang mga bond sa mas mabibigat na isotope. Maliit ang mga epektong ito para sa mabibigat na elemento. Ipinapakita ng uranium enrichment kung gaano kaliit. Ayon sa batas ni Graham, ang mga bilis ng effusion ng ²³⁵UF₆ at ²³⁸UF₆ ay nasa ratio na √(M₂/M₁). Gamit ang mga masa ng isotope mula sa NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol at M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, kaya ang ratio ay √(352.041/349.034) = 1.0043. Ang isang pagdaan sa barrier ay nagpapayaman sa mas magaang isotope nang wala pang kalahating porsyento, kaya kailangan ng mga planta ng enrichment ang maraming stage na magkakasunod.

Mga weighted average: mula sa masa ng mga isotope tungo sa atomic weight

Ang atomic weight sa periodic table ay hindi ang masa ng alinmang iisang atom. Ito ang karaniwang masa ng mga atom ng elemento sa isang normal na sample, na tinimbang ayon sa kung gaano kakaraniwan ang bawat isotope. I-multiply ang masa ng bawat isotope sa fractional abundance nito at pagsamahin ang mga product. Dapat magsama sa 1 ang mga fraction.

Halimbawang may solusyon 2. May tatlong matatag na isotope ang magnesium. Mula sa mga table ng NIST na Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, abundance 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Ang mga product ay 18.94578, 2.49858 at 2.86068 u, at ang kabuuan nila ay 24.30505 u. Kung mahigpit na ilalapat ang mga tuntunin sa mahahalagang digit sa mga abundance na may apat na digit, mara-round ito sa 24.31 u. Kapag pinanatili sa tatlong decimal place, ito ay 24.305 u, ang kumbensyonal na halagang nakalimbag sa karamihan ng periodic table.

Gawin ang parehong kalkulasyon para sa chlorine, gamit ang ³⁵Cl sa 34.968853 u na may abundance na 0.7576 at ang ³⁷Cl sa 36.965903 u na may 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Nakakahuli ng mga error ang mabilis na pagtataya: ang average ay dapat nasa pagitan ng mga masa ng isotope at mas malapit sa mas masaganang isotope.

Paatras na pagkalkula para mahanap ang abundance ng isotope

Kung may dalawang isotope ang isang elemento at alam mo ang atomic weight, malulutas mo ang mga abundance. Tawagin ang fraction ng unang isotope na x; ang ikalawa ay 1 − x. Isulat ang weighted average bilang equation at lutasin ang x.

Halimbawang may solusyon 3. Ang copper ay may standard atomic weight na 63.546 at dalawang matatag na isotope, ang ⁶³Cu sa 62.929598 u at ang ⁶⁵Cu sa 64.927790 u (NIST). Kaya 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Sa pag-aayos muli, x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Kaya ang copper ay 69.15% ⁶³Cu at 30.85% ⁶⁵Cu, na tumutugma sa mga abundance ng NIST na 0.6915 at 0.3085.

Gumagana lang ang paraang ito para sa dalawang isotope. Kapag tatlo, ang isang average ay nagbibigay ng isang equation na may dalawang unknown, at kailangan mo ng isa pang sukat, tulad ng mass spectrum.

Mga pattern ng isotope sa mass spectrum

Ini-ionize ng mass spectrometer ang sample, pinaghihiwalay ang mga ion ayon sa mass-to-charge ratio, at itinatala kung ilan ang dumarating sa bawat halaga. Para sa iisang elemento, direktang ibinibigay ng taas ng mga peak ang mga abundance ng isotope. Para sa mga molecule, nagsasama-sama ang mga isotope at bumubuo ng mga makikilalang pattern.

Halimbawang may solusyon 4. Hulaan ang pattern ng molecular ion ng Cl₂. Hayaang p = 0.7576 para sa ³⁵Cl at q = 0.2424 para sa ³⁷Cl. Ang isang molecule ay ³⁵Cl–³⁵Cl (masa 70) na may probability na p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) na may probability na 2pq = 0.3673, at ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) na may probability na q² = 0.0588. Binibilang ng factor na 2 ang dalawang paraan para makakuha ng isa sa bawat isa. Kapag inayos ang scale para 100 ang pinakamataas na peak, ang pattern ay 100 : 64.0 : 10.2.

Dalawang shortcut ang sumusunod. Ang compound na may isang atom ng chlorine ay nagpapakita ng mga peak na dalawang mass unit ang layo sa isa't isa sa ratio na mga 3 : 1, dahil p/q = 3.13. Ang compound na may isang atom ng bromine ay nagpapakita ng dalawang peak na halos magkapantay ang taas, dahil inililista ng NIST ang ⁷⁹Br sa 0.5069 at ang ⁸¹Br sa 0.4931.

Mga error sa istruktura ng atom na nagpapababa ng marka

Karamihan sa mga pagkakamali ay galing sa pagkalito sa tatlong bilang o sa pagturing sa atomic weight bilang katangian ng iisang atom. Isulat ang Z, A, at ang karga bago ka magbilang ng anuman.

• Pagbabago sa bilang ng proton para makabuo ng ion. Mga electron lang ang binabago ng karga; ang mga proton ang nagtatakda ng elemento.
• Pagdaragdag ng mga electron para sa positibong ion. Ang ion na 3+ ay may tatlong mas kaunting electron kaysa sa atom.
• Pagbasa sa atomic weight bilang mass number. Walang atom ng chlorine na may masang 35.45 u; ito ay average ng mga atom na mga 35 u at 37 u.
• Paggamit ng mga porsyento bilang fraction nang hindi hinahati sa 100, na nagbibigay ng average na 100 beses na masyadong malaki.
• Pagkalimot sa factor na 2 para sa magkahalong pares ng isotope, tulad ng ³⁵Cl–³⁷Cl, kapag hinuhulaan ang mass spectrum.
• Pagtawag sa dalawang nuclide na mga isotope dahil pareho ang kanilang mass number. Magkapareho ang A ng ¹⁴C at ¹⁴N ngunit magkaibang elemento ang mga ito.

Mass defect at mga interval na atomic weight

Kapag pinagsama ang anim na proton, anim na neutron, at anim na electron gamit ang mga masa ng CODATA, 12.0989 u ang lumalabas, ngunit ang atom ng carbon-12 ay eksaktong 12 u. Ang nawawalang 0.0989 u, mga 0.82% ng kabuuan, ay katumbas ng enerhiyang inilabas nang mabuo ang nucleus. Ang mass defect na ito ang dahilan kung bakit hindi buong numero ang mga masa ng isotope, at ito ang panimulang punto ng nuclear binding energy.

Para sa ilang elemento, sapat ang pagkakaiba ng halo ng isotope sa pagitan ng mga likas na pinagmulan kaya nag-uulat ang Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights ng IUPAC ng interval sa halip na iisang numero. Nakalista ang chlorine bilang [35.446, 35.457] at ang magnesium bilang [24.304, 24.307]. Para sa karaniwang kalkulasyon, gamitin ang mga kumbensyonal na iisang halaga, 35.45 at 24.305, maliban kung iba ang sinasabi ng kurso mo.