પરમાણ્વીય રચના અને સમસ્થાનિકો: ન્યુક્લાઇડ સંજ્ઞાઓથી પરમાણ્વીય વજન સુધી

માપેલા એકમોમાં પ્રોટૉન, ન્યુટ્રૉન અને ઇલેક્ટ્રૉન

પ્રોટૉન મૂળભૂત વીજભાર, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ના એકમોમાં +1 વીજભાર ધરાવે છે, અને ઇલેક્ટ્રૉન −1 ધરાવે છે. ન્યુટ્રૉન પર કોઈ વીજભાર નથી. દળ સામાન્ય રીતે એકીકૃત પરમાણ્વીય દળ એકમોમાં (u, જેને ડાલ્ટન, Da, પણ કહેવાય છે) અપાય છે, જ્યાં 1 u એ કાર્બન-12 પરમાણુના દળનો બારમો ભાગ, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg, છે.

NIST દ્વારા પ્રકાશિત 2022 ના CODATA મૂલ્યો મુજબ, પ્રોટૉન 1.007276 u, ન્યુટ્રૉન 1.008665 u અને ઇલેક્ટ્રૉન 0.000549 u છે. પ્રોટૉન ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં લગભગ 1836 ગણો ભારે છે, તેથી પરમાણુનું લગભગ બધું દળ ન્યુક્લિયસમાં રહેલું છે. ન્યુક્લિયસ ખૂબ નાનું પણ છે: તેની ત્રિજ્યા 10⁻¹⁵ m ના ક્રમની છે, જ્યારે પરમાણુની ત્રિજ્યા 10⁻¹⁰ m ના ક્રમની છે. તેથી ઇલેક્ટ્રૉન પરમાણુનું કદ અને તેનું રસાયણ નક્કી કરે છે, અને ન્યુક્લિયસ તેનું દળ નક્કી કરે છે.

ન્યુક્લાઇડ સંજ્ઞાઓ વાંચવી અને આયનોમાં કણો ગણવા

પરમાણ્વીય ક્રમાંક Z એ પ્રોટૉનની સંખ્યા છે. તે તત્ત્વને વ્યાખ્યાયિત કરે છે: 17 પ્રોટૉનવાળો દરેક પરમાણુ ક્લોરિન છે. દળાંક A એ પ્રોટૉન અને ન્યુટ્રૉનની કુલ સંખ્યા છે, તેથી ન્યુટ્રૉનની સંખ્યા A − Z છે. ન્યુક્લાઇડ સંજ્ઞા તત્ત્વની સંજ્ઞા પર A ને ડાબી બાજુ ઉપર અને Z ને ડાબી બાજુ નીચે લખે છે, જેમ કે ³⁵₁₇Cl. સંજ્ઞા પોતે જ Z નક્કી કરી દે છે, તેથી નીચેનો અંક ઘણી વાર છોડી દેવાય છે, અને ³⁵Cl કે ક્લોરિન-35 મળે છે.

ફક્ત તટસ્થ પરમાણુમાં જ ઇલેક્ટ્રૉન પ્રોટૉન જેટલા હોય છે. q વીજભારવાળા આયનમાં Z − q ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે, તેથી ધન વીજભારનો અર્થ ઓછા ઇલેક્ટ્રૉન અને ઋણ વીજભારનો અર્થ વધુ ઇલેક્ટ્રૉન છે. વીજભાર ક્યારેય ન્યુક્લિયસને બદલતો નથી.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 1. ⁵⁶Fe³⁺ માટે: Z = 26, તેથી 26 પ્રોટૉન; 56 − 26 = 30 ન્યુટ્રૉન; 26 − 3 = 23 ઇલેક્ટ્રૉન. ¹²⁷I⁻ માટે: 53 પ્રોટૉન, 127 − 53 = 74 ન્યુટ્રૉન અને 53 + 1 = 54 ઇલેક્ટ્રૉન. ³⁴S²⁻ માટે: 16 પ્રોટૉન, 18 ન્યુટ્રૉન અને 18 ઇલેક્ટ્રૉન. ધ્યાન આપો કે ³⁴S²⁻ માં આર્ગૉન પરમાણુ જેટલા જ ઇલેક્ટ્રૉન છે; આયનોને સમઇલેક્ટ્રૉનીય બનાવે છે ઇલેક્ટ્રૉનની સરખી સંખ્યા, સરખા દળાંક નહીં.

સમસ્થાનિકો એકસરખી પ્રક્રિયા કેમ કરે છે પણ દળમાં કેમ જુદા પડે છે

સમસ્થાનિકો એવા પરમાણુઓ છે જેમનો Z સરખો હોય પણ ન્યુટ્રૉનની સંખ્યા જુદી હોય. ક્લોરિન-35 અને ક્લોરિન-37 બંનેમાં 17 પ્રોટૉન છે અને, તટસ્થ પરમાણુઓ તરીકે, 17 ઇલેક્ટ્રૉન છે. રાસાયણિક વર્તન ઇલેક્ટ્રૉન વડે નિયંત્રિત થાય છે, તેથી બંને સમસ્થાનિકો સમાન ગુણોત્તરમાં સમાન સંયોજનો બનાવે છે.

દળ પર આધાર રાખતા ગુણધર્મો જોકે સહેજ જુદા પડે છે. આપેલા તાપમાને હળવા અણુઓ વધુ ઝડપથી ગતિ કરે છે, અને ભારે સમસ્થાનિકો સાથેના બંધો થોડી ધીમી પ્રક્રિયા કરે છે. ભારે તત્ત્વો માટે આ અસરો નાની હોય છે. યુરેનિયમ સમૃદ્ધીકરણ બતાવે છે કે કેટલી નાની. ગ્રેહામના નિયમ મુજબ, ²³⁵UF₆ અને ²³⁸UF₆ ના નિઃસરણ વેગોનો ગુણોત્તર √(M₂/M₁) છે. NIST ના સમસ્થાનિક દળો વાપરતાં, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol અને M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, તેથી ગુણોત્તર √(352.041/349.034) = 1.0043 છે. અવરોધમાંથી એક વાર પસાર થવાથી હળવો સમસ્થાનિક અડધા ટકા કરતાં પણ ઓછો સમૃદ્ધ થાય છે, તેથી જ સમૃદ્ધીકરણ પ્લાન્ટને શ્રેણીમાં ઘણા તબક્કાઓની જરૂર પડે છે.

ભારિત સરેરાશ: સમસ્થાનિક દળોથી પરમાણ્વીય વજન સુધી

આવર્ત કોષ્ટક પરનું પરમાણ્વીય વજન કોઈ એક પરમાણુનું દળ નથી. તે સામાન્ય નમૂનામાં તત્ત્વના પરમાણુઓનું સરેરાશ દળ છે, જે દરેક સમસ્થાનિક કેટલો સામાન્ય છે તેના પ્રમાણે ભારિત હોય છે. દરેક સમસ્થાનિકના દળને તેની અંશાત્મક વિપુલતા વડે ગુણો અને ગુણાકારો ઉમેરો. અંશોનો સરવાળો 1 થવો જોઈએ.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 2. મેગ્નેશિયમના ત્રણ સ્થાયી સમસ્થાનિકો છે. NIST ના Atomic Weights and Isotopic Compositions કોષ્ટકો મુજબ: ²⁴Mg, 23.985042 u, વિપુલતા 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. ગુણાકારો 18.94578, 2.49858 અને 2.86068 u છે, અને તેમનો સરવાળો 24.30505 u છે. ચાર અંકની વિપુલતાઓ પર સાર્થક અંકોના કડક નિયમો લાગુ કરતાં આ 24.31 u સુધી રાઉન્ડ થાય. ત્રણ દશાંશ સ્થાનો સુધી રાખતાં, તે 24.305 u છે, જે મોટા ભાગનાં આવર્ત કોષ્ટકો પર છાપેલું પ્રચલિત મૂલ્ય છે.

ક્લોરિન માટે એ જ ગણતરી કરો, 0.7576 વિપુલતા સાથે 34.968853 u પર ³⁵Cl અને 0.2424 સાથે 36.965903 u પર ³⁷Cl વાપરીને: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. ઝડપી અંદાજ ભૂલો પકડી લે છે: સરેરાશ સમસ્થાનિક દળોની વચ્ચે અને વધુ વિપુલ સમસ્થાનિકની વધુ નજીક હોવી જોઈએ.

ઊલટી દિશામાં ગણીને સમસ્થાનિક વિપુલતા શોધવી

જો તત્ત્વના બે સમસ્થાનિકો હોય અને તમે પરમાણ્વીય વજન જાણતા હો, તો તમે વિપુલતાઓ ઉકેલી શકો. પહેલા સમસ્થાનિકના અંશને x કહો; તો બીજાનો અંશ 1 − x છે. ભારિત સરેરાશને સમીકરણ તરીકે લખો અને x ઉકેલો.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 3. કૉપરનું પ્રમાણભૂત પરમાણ્વીય વજન 63.546 છે અને તેના બે સ્થાયી સમસ્થાનિકો છે, 62.929598 u પર ⁶³Cu અને 64.927790 u પર ⁶⁵Cu (NIST). તો 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. પુનર્ગોઠવણી કરતાં x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 મળે છે. તેથી કૉપર 69.15% ⁶³Cu અને 30.85% ⁶⁵Cu છે, જે NIST ની 0.6915 અને 0.3085 વિપુલતાઓ ફરી આપે છે.

આ પદ્ધતિ ફક્ત બે સમસ્થાનિકો માટે કામ કરે છે. ત્રણ હોય ત્યારે, એક સરેરાશ બે અજ્ઞાતમાં એક સમીકરણ આપે છે, અને તમારે દળ વર્ણપટ જેવા બીજા માપનની જરૂર પડે છે.

દળ વર્ણપટમાં સમસ્થાનિક ભાતો

દળ વર્ણપટમાપક નમૂનાનું આયનીકરણ કરે છે, આયનોને દળ-થી-વીજભાર ગુણોત્તર પ્રમાણે અલગ પાડે છે અને દરેક મૂલ્ય પર કેટલા આયનો પહોંચે છે તે નોંધે છે. એક જ તત્ત્વ માટે, શિખરોની ઊંચાઈ સીધી સમસ્થાનિક વિપુલતાઓ આપે છે. અણુઓ માટે, સમસ્થાનિકો જોડાય છે અને ઓળખી શકાય તેવી ભાતો બનાવે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 4. Cl₂ ની આણ્વિક-આયન ભાતની આગાહી કરો. ³⁵Cl માટે p = 0.7576 અને ³⁷Cl માટે q = 0.2424 લો. અણુ p² = 0.5740 સંભાવના સાથે ³⁵Cl–³⁵Cl (દળ 70), 2pq = 0.3673 સંભાવના સાથે ³⁵Cl–³⁷Cl (દળ 72), અને q² = 0.0588 સંભાવના સાથે ³⁷Cl–³⁷Cl (દળ 74) હોય છે. 2 નો અવયવ દરેકનો એક મેળવવાની બે રીતો ગણે છે. સૌથી ઊંચું શિખર 100 થાય તે રીતે માપ બદલતાં, ભાત 100 : 64.0 : 10.2 છે.

તેમાંથી બે શૉર્ટકટ મળે છે. એક ક્લોરિન પરમાણુવાળું સંયોજન બે દળ એકમના અંતરે લગભગ 3 : 1 ગુણોત્તરમાં શિખરો બતાવે છે, કારણ કે p/q = 3.13. એક બ્રોમિન પરમાણુવાળું સંયોજન લગભગ સરખી ઊંચાઈનાં બે શિખરો બતાવે છે, કારણ કે NIST ⁷⁹Br ને 0.5069 અને ⁸¹Br ને 0.4931 પર યાદી કરે છે.

ગુણ ગુમાવડાવતી પરમાણ્વીય-રચનાની ભૂલો

મોટા ભાગની ભૂલો ત્રણ ગણતરીઓની ગૂંચવણમાંથી અથવા પરમાણ્વીય વજનને એક જ પરમાણુનો ગુણધર્મ માનવાથી થાય છે. કંઈ પણ ગણતાં પહેલાં Z, A અને વીજભાર લખો.

• આયન બનાવવા પ્રોટૉનની સંખ્યા બદલવી. વીજભાર ફક્ત ઇલેક્ટ્રૉન બદલે છે; પ્રોટૉન તત્ત્વ નક્કી કરે છે.
• ધન આયન માટે ઇલેક્ટ્રૉન ઉમેરવા. 3+ આયનમાં પરમાણુ કરતાં ત્રણ ઇલેક્ટ્રૉન ઓછા હોય છે.
• પરમાણ્વીય વજનને દળાંક તરીકે વાંચવું. કોઈ ક્લોરિન પરમાણુનું દળ 35.45 u નથી; તે લગભગ 35 u અને 37 u ના પરમાણુઓની સરેરાશ છે.
• ટકાવારીને 100 વડે ભાગ્યા વિના અંશો તરીકે વાપરવી, જેનાથી સરેરાશ 100 ગણી મોટી આવે છે.
• દળ વર્ણપટની આગાહી કરતી વખતે ³⁵Cl–³⁷Cl જેવી મિશ્ર સમસ્થાનિક જોડ માટે 2 નો અવયવ ભૂલી જવો.
• સરખા દળાંકને કારણે બે ન્યુક્લાઇડને સમસ્થાનિકો કહેવા. ¹⁴C અને ¹⁴N નો A સરખો છે પણ તેઓ જુદાં તત્ત્વો છે.

દળ ક્ષતિ અને અંતરાલ પરમાણ્વીય વજનો

CODATA દળો સાથે છ પ્રોટૉન, છ ન્યુટ્રૉન અને છ ઇલેક્ટ્રૉન ઉમેરતાં 12.0989 u મળે છે, છતાં કાર્બન-12 પરમાણુ બરાબર 12 u છે. ખૂટતા 0.0989 u, જે કુલના લગભગ 0.82% છે, ન્યુક્લિયસ બન્યું ત્યારે મુક્ત થયેલી ઊર્જાને અનુરૂપ છે. આ દળ ક્ષતિને કારણે જ સમસ્થાનિકોનાં દળો પૂર્ણાંક સંખ્યાઓ નથી, અને તે ન્યુક્લિયર બંધન ઊર્જાનો પ્રારંભ બિંદુ છે.

કેટલાંક તત્ત્વો માટે, સમસ્થાનિકોનું મિશ્રણ કુદરતી સ્રોતો વચ્ચે એટલું બદલાય છે કે IUPAC નું Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights એક સંખ્યાને બદલે અંતરાલ નોંધે છે. ક્લોરિન [35.446, 35.457] તરીકે અને મૅગ્નેશિયમ [24.304, 24.307] તરીકે નોંધાયેલાં છે. સામાન્ય ગણતરીઓ માટે, પરંપરાગત એકલ મૂલ્યો 35.45 અને 24.305 વાપરો, સિવાય કે તમારો અભ્યાસક્રમ અન્યથા કહે.