מבנה האטום ואיזוטופים: מסמלי נוקלידים למשקל אטומי

פרוטונים, נייטרונים ואלקטרונים ביחידות מדידה

הפרוטון נושא מטען של ‎+1 ביחידות של המטען היסודי, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, והאלקטרון נושא ‎−1. לנייטרון אין מטען. מסות ניתנות בדרך כלל ביחידות מסה אטומית מאוחדות (u, הנקראות גם דלטון, Da), כאשר 1 u הוא חלק שנים-עשר ממסת אטום פחמן-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

לפי ערכי CODATA לשנת 2022 שפרסם NIST, מסת הפרוטון היא 1.007276 u, מסת הנייטרון 1.008665 u ומסת האלקטרון 0.000549 u. הפרוטון כבד פי 1836 בערך מהאלקטרון, ולכן כמעט כל מסת האטום נמצאת בגרעין. הגרעין גם זעיר: הרדיוס שלו בסדר גודל של 10⁻¹⁵ m, ואילו רדיוס האטום בסדר גודל של 10⁻¹⁰ m. האלקטרונים קובעים אפוא את גודל האטום ואת הכימיה שלו, והגרעין קובע את המסה שלו.

קריאת סמלי נוקלידים וספירת חלקיקים ביונים

המספר האטומי Z הוא מספר הפרוטונים. הוא מגדיר את היסוד: כל אטום עם 17 פרוטונים הוא כלור. מספר המסה A הוא המספר הכולל של פרוטונים ונייטרונים, ולכן מספר הנייטרונים הוא A − Z. סמל נוקליד כותב את A בכתב עילי משמאל ואת Z בכתב תחתי משמאל לסמל היסוד, כמו ב-³⁵₁₇Cl. מכיוון שהסמל כבר קובע את Z, הכתב התחתי מושמט לעתים קרובות, ומתקבל ³⁵Cl או כלור-35.

מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים רק באטום ניטרלי. ליון עם מטען q יש Z − q אלקטרונים, ולכן מטען חיובי פירושו פחות אלקטרונים ומטען שלילי פירושו יותר. המטען לעולם אינו משנה את הגרעין.

דוגמה פתורה 1. עבור ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, ולכן 26 פרוטונים; 56 − 26 = 30 נייטרונים; 26 − 3 = 23 אלקטרונים. עבור ¹²⁷I⁻: 53 פרוטונים, 127 − 53 = 74 נייטרונים ו-53 + 1 = 54 אלקטרונים. עבור ³⁴S²⁻: 16 פרוטונים, 18 נייטרונים ו-18 אלקטרונים. שימו לב שמספר האלקטרונים ב-³⁴S²⁻ זהה לזה של אטום ארגון; מספרי אלקטרונים תואמים, ולא מספרי מסה תואמים, הם מה שהופך יונים לאיזואלקטרוניים.

למה איזוטופים מגיבים באופן דומה אבל נבדלים במסה

איזוטופים הם אטומים עם אותו Z אבל עם מספר שונה של נייטרונים. לכלור-35 ולכלור-37 יש 17 פרוטונים, וכאטומים ניטרליים גם 17 אלקטרונים. ההתנהגות הכימית נשלטת על ידי האלקטרונים, ולכן שני האיזוטופים יוצרים את אותן תרכובות באותם יחסים.

תכונות שתלויות במסה אכן נבדלות מעט. מולקולות קלות יותר נעות מהר יותר בטמפרטורה נתונה, וקשרים לאיזוטופים כבדים יותר מגיבים מעט לאט יותר. ההשפעות האלה קטנות ביסודות כבדים. העשרת אורניום מראה עד כמה הן קטנות. לפי חוק גרהם, קצבי האפוזיה של ²³⁵UF₆ ושל ²³⁸UF₆ עומדים ביחס √(M₂/M₁). בעזרת מסות האיזוטופים של NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol ו-M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, ולכן היחס הוא √(352.041/349.034) = 1.0043. מעבר אחד דרך מחסום מעשיר את האיזוטופ הקל בפחות מחצי אחוז, ולכן מתקני העשרה צריכים שלבים רבים בטור.

ממוצעים משוקללים: ממסות איזוטופים למשקל אטומי

המשקל האטומי בטבלה המחזורית אינו המסה של אטום יחיד כלשהו. זו המסה הממוצעת של אטומי היסוד בדגימה רגילה, משוקללת לפי מידת השכיחות של כל איזוטופ. הכפילו את מסת כל איזוטופ בשכיחות היחסית שלו כשבר וחברו את המכפלות. סכום השברים חייב להיות 1.

דוגמה פתורה 2. למגנזיום יש שלושה איזוטופים יציבים. מטבלאות המשקלים האטומיים וההרכבים האיזוטופיים של NIST: ²⁴Mg, ‏23.985042 u, שכיחות 0.7899; ²⁵Mg, ‏24.985837 u, ‏0.1000; ²⁶Mg, ‏25.982593 u, ‏0.1101. המכפלות הן 18.94578, 2.49858 ו-2.86068 u, וסכומן 24.30505 u. כללי ספרות משמעותיות נוקשים, שמוחלים על השכיחויות בנות ארבע הספרות, היו מעגלים זאת ל-24.31 u. בשמירה על שלושה מקומות עשרוניים מתקבל 24.305 u, הערך המקובל שמודפס ברוב הטבלאות המחזוריות.

בצעו את אותו חישוב עבור כלור, עם ³⁵Cl ב-34.968853 u ושכיחות 0.7576 ועם ³⁷Cl ב-36.965903 u ושכיחות 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. הערכה מהירה תופסת שגיאות: הממוצע חייב להימצא בין מסות האיזוטופים וקרוב יותר לאיזוטופ השכיח יותר.

עבודה לאחור כדי למצוא שכיחות של איזוטופ

אם ליסוד יש שני איזוטופים ואתם יודעים את המשקל האטומי, אפשר לפתור עבור השכיחויות. סמנו את השבר של האיזוטופ הראשון ב-x; השבר של השני הוא אז 1 − x. כתבו את הממוצע המשוקלל כמשוואה ופתרו עבור x.

דוגמה פתורה 3. לנחושת משקל אטומי סטנדרטי של 63.546 ושני איזוטופים יציבים, ⁶³Cu ב-62.929598 u ו-⁶⁵Cu ב-64.927790 u ‏(NIST). אז 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. סידור מחדש נותן x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. לכן הנחושת היא 69.15% ⁶³Cu ו-30.85% ⁶⁵Cu, וזה משחזר את השכיחויות של NIST, ‏0.6915 ו-0.3085.

השיטה הזו עובדת רק לשני איזוטופים. עם שלושה, ממוצע אחד נותן משוואה אחת בשני נעלמים, ונדרשת מדידה נוספת, כמו ספקטרום מסות.

דפוסי איזוטופים בספקטרום מסות

ספקטרומטר מסות מיינן דגימה, מפריד את היונים לפי יחס מסה למטען ורושם כמה יונים מגיעים בכל ערך. עבור יסוד יחיד, גובהי השיאים נותנים ישירות את שכיחויות האיזוטופים. במולקולות, האיזוטופים משתלבים ויוצרים דפוסים מוכרים.

דוגמה פתורה 4. נבאו את דפוס היון המולקולרי של Cl₂. יהי p = 0.7576 עבור ³⁵Cl ו-q = 0.2424 עבור ³⁷Cl. מולקולה היא ³⁵Cl–³⁵Cl (מסה 70) בהסתברות p² = 0.5740, ‏³⁵Cl–³⁷Cl (מסה 72) בהסתברות 2pq = 0.3673, ו-³⁷Cl–³⁷Cl (מסה 74) בהסתברות q² = 0.0588. הגורם 2 סופר את שתי הדרכים לקבל אחד מכל סוג. בקנה מידה שבו השיא הגבוה ביותר הוא 100, הדפוס הוא 100 : 64.0 : 10.2.

מכאן נובעים שני קיצורי דרך. תרכובת עם אטום כלור אחד מראה שיאים במרחק שתי יחידות מסה זה מזה ביחס של כ-3 : 1, כי p/q = 3.13. תרכובת עם אטום ברום אחד מראה שני שיאים בגובה כמעט שווה, כי NIST מפרט את ⁷⁹Br ב-0.5069 ואת ⁸¹Br ב-0.4931.

שגיאות במבנה האטום שעולות בנקודות

רוב הטעויות נובעות מבלבול בין שלוש הספירות או מהתייחסות למשקל האטומי כאל תכונה של אטום יחיד. רשמו את Z, את A ואת המטען לפני שאתם סופרים משהו.

• שינוי מספר הפרוטונים כדי ליצור יון. מטען משנה רק את האלקטרונים; הפרוטונים קובעים את היסוד.
• הוספת אלקטרונים ליון חיובי. ליון ‎3+ יש שלושה אלקטרונים פחות מלאטום.
• קריאת המשקל האטומי כמספר מסה. לאף אטום כלור אין מסה של 35.45 u; זהו ממוצע של אטומים במסה של כ-35 u ושל כ-37 u.
• שימוש באחוזים כשברים בלי לחלק ב-100, מה שנותן ממוצע גדול פי 100 מדי.
• שכחת הגורם 2 לזוגות איזוטופים מעורבים, כמו ³⁵Cl–³⁷Cl, כשמנבאים ספקטרום מסות.
• קריאה לשני נוקלידים איזוטופים כי יש להם אותו מספר מסה. ל-¹⁴C ול-¹⁴N יש אותו A, אבל הם יסודות שונים.

חסר מסה ומשקלים אטומיים כטווחים

חיבור של שישה פרוטונים, שישה נייטרונים ושישה אלקטרונים לפי מסות CODATA נותן 12.0989 u, אבל אטום פחמן-12 שוקל בדיוק 12 u. ה-0.0989 u החסרים, כ-0.82% מהסך הכול, מתאימים לאנרגיה שהשתחררה כשהגרעין נוצר. חסר המסה הזה הוא הסיבה לכך שמסות איזוטופים אינן מספרים שלמים, והוא נקודת המוצא לאנרגיית הקשר הגרעינית.

בכמה יסודות תערובת האיזוטופים משתנה בין מקורות טבעיים במידה מספקת כדי שהוועדה לשכיחויות איזוטופיות ולמשקלים אטומיים של IUPAC תדווח טווח במקום מספר יחיד. כלור מופיע כ-[35.446, 35.457] ומגנזיום כ-[24.304, 24.307]. לחישובים רגילים השתמשו בערכים היחידים המקובלים, 35.45 ו-24.305, אלא אם הקורס שלכם קובע אחרת.