परमाणु संरचना और समस्थानिक: न्यूक्लाइड प्रतीकों से परमाणु भार तक

मापी गई इकाइयों में प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन

मूल आवेश, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, की इकाइयों में प्रोटॉन पर +1 आवेश होता है और इलेक्ट्रॉन पर −1। न्यूट्रॉन पर कोई आवेश नहीं होता। द्रव्यमान आमतौर पर एकीकृत परमाणु द्रव्यमान इकाइयों (u, जिन्हें डाल्टन, Da, भी कहते हैं) में दिए जाते हैं, जहाँ 1 u कार्बन-12 परमाणु के द्रव्यमान का बारहवाँ भाग है, अर्थात 1.6605 × 10⁻²⁷ kg।

NIST द्वारा प्रकाशित 2022 CODATA मानों के अनुसार प्रोटॉन 1.007276 u, न्यूट्रॉन 1.008665 u और इलेक्ट्रॉन 0.000549 u है। प्रोटॉन इलेक्ट्रॉन से लगभग 1836 गुना भारी है, इसलिए परमाणु का लगभग पूरा द्रव्यमान नाभिक में होता है। नाभिक अत्यंत छोटा भी है: उसकी त्रिज्या 10⁻¹⁵ m की कोटि की है, जबकि परमाणु की त्रिज्या 10⁻¹⁰ m की कोटि की। इसलिए इलेक्ट्रॉन परमाणु का आकार और उसका रसायन तय करते हैं, और नाभिक उसका द्रव्यमान।

न्यूक्लाइड प्रतीक पढ़ना और आयनों में कण गिनना

परमाणु क्रमांक Z प्रोटॉनों की संख्या है। यही तत्व को परिभाषित करता है: 17 प्रोटॉन वाला हर परमाणु क्लोरीन है। द्रव्यमान संख्या A प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या है, इसलिए न्यूट्रॉनों की संख्या A − Z है। न्यूक्लाइड प्रतीक तत्व के प्रतीक पर A को बाएँ ऊपर मूर्धांक के रूप में और Z को बाएँ नीचे पादांक के रूप में लिखता है, जैसे ³⁵₁₇Cl में। चूँकि प्रतीक पहले से Z तय कर देता है, इसलिए पादांक अक्सर छोड़ दिया जाता है, जिससे ³⁵Cl या क्लोरीन-35 मिलता है।

इलेक्ट्रॉनों की संख्या केवल उदासीन परमाणु में प्रोटॉनों के बराबर होती है। आवेश q वाले आयन में Z − q इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए धनात्मक आवेश का अर्थ है कम इलेक्ट्रॉन और ऋणात्मक आवेश का अर्थ है अधिक। आवेश नाभिक को कभी नहीं बदलता।

हल किया गया उदाहरण 1। ⁵⁶Fe³⁺ के लिए: Z = 26, इसलिए 26 प्रोटॉन; 56 − 26 = 30 न्यूट्रॉन; 26 − 3 = 23 इलेक्ट्रॉन। ¹²⁷I⁻ के लिए: 53 प्रोटॉन, 127 − 53 = 74 न्यूट्रॉन और 53 + 1 = 54 इलेक्ट्रॉन। ³⁴S²⁻ के लिए: 16 प्रोटॉन, 18 न्यूट्रॉन और 18 इलेक्ट्रॉन। ध्यान दें कि ³⁴S²⁻ में इलेक्ट्रॉनों की संख्या आर्गन परमाणु जितनी ही है; आयनों को समइलेक्ट्रॉनी इलेक्ट्रॉनों की समान संख्या बनाती है, समान द्रव्यमान संख्याएँ नहीं।

समस्थानिक एक जैसी अभिक्रिया क्यों करते हैं पर द्रव्यमान में भिन्न क्यों होते हैं

समस्थानिक वे परमाणु हैं जिनका Z समान पर न्यूट्रॉनों की संख्या भिन्न होती है। क्लोरीन-35 और क्लोरीन-37 दोनों में 17 प्रोटॉन होते हैं और, उदासीन परमाणुओं के रूप में, 17 इलेक्ट्रॉन। रासायनिक व्यवहार इलेक्ट्रॉनों से नियंत्रित होता है, इसलिए दोनों समस्थानिक समान अनुपातों में समान यौगिक बनाते हैं।

जो गुण द्रव्यमान पर निर्भर करते हैं, वे थोड़ा भिन्न होते हैं। दिए गए ताप पर हल्के अणु तेज़ चलते हैं, और भारी समस्थानिकों से बने आबंध थोड़ा धीमे अभिक्रिया करते हैं। भारी तत्वों के लिए ये प्रभाव छोटे होते हैं। यूरेनियम संवर्धन दिखाता है कि कितने छोटे। ग्राहम के नियम के अनुसार ²³⁵UF₆ और ²³⁸UF₆ की निःसरण दरों का अनुपात √(M₂/M₁) होता है। NIST के समस्थानिक द्रव्यमानों का उपयोग करने पर M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol और M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, इसलिए अनुपात √(352.041/349.034) = 1.0043 है। किसी अवरोध से एक बार गुज़रने पर हल्का समस्थानिक आधे प्रतिशत से भी कम संवर्धित होता है, इसीलिए संवर्धन संयंत्रों को श्रेणी में जुड़े कई चरणों की ज़रूरत होती है।

भारित औसत: समस्थानिक द्रव्यमानों से परमाणु भार तक

आवर्त सारणी पर दिया परमाणु भार किसी एक परमाणु का द्रव्यमान नहीं है। यह किसी सामान्य नमूने में तत्व के परमाणुओं का औसत द्रव्यमान है, जिसे इस आधार पर भारित किया जाता है कि हर समस्थानिक कितना आम है। हर समस्थानिक के द्रव्यमान को उसकी भिन्नात्मक प्रचुरता से गुणा करें और गुणनफलों को जोड़ें। भिन्नों का योग 1 होना चाहिए।

हल किया गया उदाहरण 2। मैग्नीशियम के तीन स्थायी समस्थानिक हैं। NIST की Atomic Weights and Isotopic Compositions तालिकाओं से: ²⁴Mg, 23.985042 u, प्रचुरता 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101। गुणनफल 18.94578, 2.49858 और 2.86068 u हैं, और उनका योग 24.30505 u है। चार अंकों वाली प्रचुरताओं पर सार्थक अंकों के कड़े नियम लागू करने पर यह 24.31 u तक पूर्णांकित होगा। तीन दशमलव स्थानों तक रखने पर यह 24.305 u है, वह पारंपरिक मान जो अधिकांश आवर्त सारणियों पर छपा होता है।

यही गणना क्लोरीन के लिए करें, जिसमें ³⁵Cl 34.968853 u पर प्रचुरता 0.7576 के साथ और ³⁷Cl 36.965903 u पर 0.2424 के साथ है: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u। एक त्वरित अनुमान त्रुटियाँ पकड़ लेता है: औसत समस्थानिक द्रव्यमानों के बीच और अधिक प्रचुर समस्थानिक के निकट होना चाहिए।

उलटी दिशा में गणना करके समस्थानिक प्रचुरता ज्ञात करना

यदि किसी तत्व के दो समस्थानिक हों और आप परमाणु भार जानते हों, तो आप प्रचुरताओं के लिए हल कर सकते हैं। पहले समस्थानिक के भिन्न को x कहें; तब दूसरे का भिन्न 1 − x है। भारित औसत को समीकरण के रूप में लिखें और x के लिए हल करें।

हल किया गया उदाहरण 3। ताँबे का मानक परमाणु भार 63.546 है और उसके दो स्थायी समस्थानिक हैं, 62.929598 u पर ⁶³Cu और 64.927790 u पर ⁶⁵Cu (NIST)। तब 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546। पुनर्व्यवस्थित करने पर x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 मिलता है। इसलिए ताँबा 69.15% ⁶³Cu और 30.85% ⁶⁵Cu है, जो NIST की प्रचुरताओं 0.6915 और 0.3085 को पुनः प्राप्त करता है।

यह विधि केवल दो समस्थानिकों के लिए काम करती है। तीन होने पर एक औसत दो अज्ञातों वाला एक समीकरण देता है, और आपको एक और माप चाहिए, जैसे द्रव्यमान स्पेक्ट्रम।

द्रव्यमान स्पेक्ट्रम में समस्थानिक पैटर्न

द्रव्यमान स्पेक्ट्रममापी नमूने को आयनित करता है, आयनों को द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात के आधार पर अलग करता है और दर्ज करता है कि हर मान पर कितने आयन पहुँचते हैं। किसी एक तत्व के लिए शिखरों की ऊँचाइयाँ सीधे समस्थानिक प्रचुरताएँ देती हैं। अणुओं में समस्थानिक आपस में मिलकर पहचाने जाने योग्य पैटर्न बनाते हैं।

हल किया गया उदाहरण 4। Cl₂ के आणविक-आयन पैटर्न का पूर्वानुमान लगाएँ। मान लें ³⁵Cl के लिए p = 0.7576 और ³⁷Cl के लिए q = 0.2424। कोई अणु प्रायिकता p² = 0.5740 के साथ ³⁵Cl–³⁵Cl (द्रव्यमान 70), प्रायिकता 2pq = 0.3673 के साथ ³⁵Cl–³⁷Cl (द्रव्यमान 72), और प्रायिकता q² = 0.0588 के साथ ³⁷Cl–³⁷Cl (द्रव्यमान 74) होता है। 2 का गुणक हर प्रकार का एक-एक समस्थानिक पाने के दो तरीकों को गिनता है। सबसे ऊँचे शिखर को 100 मानकर स्केल करने पर पैटर्न 100 : 64.0 : 10.2 है।

इससे दो शॉर्टकट निकलते हैं। एक क्लोरीन परमाणु वाला यौगिक दो द्रव्यमान इकाई के अंतर पर लगभग 3 : 1 के अनुपात में शिखर दिखाता है, क्योंकि p/q = 3.13। एक ब्रोमीन परमाणु वाला यौगिक लगभग बराबर ऊँचाई के दो शिखर दिखाता है, क्योंकि NIST ⁷⁹Br को 0.5069 और ⁸¹Br को 0.4931 पर सूचीबद्ध करता है।

परमाणु संरचना की त्रुटियाँ जिनसे अंक कटते हैं

अधिकांश गलतियाँ तीनों गिनतियों को आपस में मिलाने से या परमाणु भार को किसी एक परमाणु का गुण मानने से होती हैं। कुछ भी गिनने से पहले Z, A और आवेश लिख लें।

• आयन बनाने के लिए प्रोटॉनों की संख्या बदलना। आवेश केवल इलेक्ट्रॉनों को बदलता है; प्रोटॉन तत्व को तय करते हैं।
• धनात्मक आयन के लिए इलेक्ट्रॉन जोड़ना। 3+ आयन में परमाणु से तीन इलेक्ट्रॉन कम होते हैं।
• परमाणु भार को द्रव्यमान संख्या समझ लेना। किसी भी क्लोरीन परमाणु का द्रव्यमान 35.45 u नहीं होता; यह लगभग 35 u और 37 u वाले परमाणुओं का औसत है।
• प्रतिशतों को 100 से भाग दिए बिना भिन्नों के रूप में उपयोग करना, जिससे औसत 100 गुना बड़ा आता है।
• द्रव्यमान स्पेक्ट्रम का पूर्वानुमान लगाते समय ³⁵Cl–³⁷Cl जैसे मिश्रित समस्थानिक युग्मों के लिए 2 का गुणक भूल जाना।
• दो न्यूक्लाइडों को केवल इसलिए समस्थानिक कहना कि उनकी द्रव्यमान संख्या समान है। ¹⁴C और ¹⁴N का A समान है पर वे अलग-अलग तत्व हैं।

द्रव्यमान क्षति और अंतराल परमाणु भार

CODATA द्रव्यमानों के साथ छह प्रोटॉन, छह न्यूट्रॉन और छह इलेक्ट्रॉन जोड़ने पर 12.0989 u मिलता है, फिर भी कार्बन-12 परमाणु ठीक 12 u का होता है। लुप्त 0.0989 u, जो कुल का लगभग 0.82% है, उस ऊर्जा के संगत है जो नाभिक बनने पर मुक्त हुई थी। यही द्रव्यमान क्षति कारण है कि समस्थानिक द्रव्यमान पूर्ण संख्याएँ नहीं होते, और यही नाभिकीय बंधन ऊर्जा का प्रारंभिक बिंदु है।

कुछ तत्वों में प्राकृतिक स्रोतों के बीच समस्थानिक मिश्रण इतना बदलता है कि IUPAC का समस्थानिक प्रचुरता और परमाणु भार आयोग एक संख्या के बजाय एक अंतराल बताता है। क्लोरीन को [35.446, 35.457] और मैग्नीशियम को [24.304, 24.307] के रूप में सूचीबद्ध किया गया है। सामान्य गणनाओं के लिए पारंपरिक एकल मान, 35.45 और 24.305, उपयोग करें, जब तक आपका पाठ्यक्रम कुछ और न कहे।