Ատոմի կառուցվածք և իզոտոպներ՝ նուկլիդի նշանից մինչև ատոմային զանգված

Պրոտոններ, նեյտրոններ և էլեկտրոններ՝ չափված միավորներով

Պրոտոնը կրում է +1 լիցք՝ արտահայտված տարրական լիցքի միավորներով, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, իսկ էլեկտրոնը՝ −1։ Նեյտրոնը լիցք չունի։ Զանգվածները սովորաբար տրվում են ատոմային զանգվածի միասնական միավորներով (u, որոնք կոչվում են նաև դալտոններ՝ Da), որտեղ 1 u-ն ածխածին-12 ատոմի զանգվածի մեկ տասներկուերորդն է՝ 1.6605 × 10⁻²⁷ kg։

NIST-ի հրապարակած 2022 թվականի CODATA արժեքներով պրոտոնը 1.007276 u է, նեյտրոնը՝ 1.008665 u, իսկ էլեկտրոնը՝ 0.000549 u։ Պրոտոնը մոտ 1836 անգամ ավելի ծանր է, քան էլեկտրոնը, ուստի ատոմի զանգվածի գրեթե ամբողջը կենտրոնացած է միջուկում։ Միջուկը նաև շատ փոքր է. նրա շառավիղը 10⁻¹⁵ m կարգի է, մինչդեռ ատոմի շառավիղը՝ 10⁻¹⁰ m կարգի։ Հետևաբար էլեկտրոններն են որոշում ատոմի չափն ու նրա քիմիան, իսկ միջուկը՝ նրա զանգվածը։

Նուկլիդի նշանների ընթերցումը և իոններում մասնիկների հաշվումը

Կարգաթիվը՝ Z-ը, պրոտոնների թիվն է։ Այն որոշում է տարրը. 17 պրոտոն ունեցող յուրաքանչյուր ատոմ քլոր է։ Զանգվածային թիվը՝ A-ն, պրոտոնների և նեյտրոնների ընդհանուր թիվն է, ուստի նեյտրոնների թիվը A − Z է։ Նուկլիդի նշանում A-ն գրվում է որպես ձախ վերին ինդեքս, իսկ Z-ը՝ որպես ձախ ստորին ինդեքս տարրի նշանի վրա, ինչպես ³⁵₁₇Cl-ում։ Քանի որ տարրի նշանն արդեն որոշում է Z-ը, ստորին ինդեքսը հաճախ բաց է թողնվում, և ստացվում է ³⁵Cl կամ քլոր-35։

Էլեկտրոնների թիվը հավասար է պրոտոնների թվին միայն չեզոք ատոմում։ q լիցք ունեցող իոնն ունի Z − q էլեկտրոն, ուստի դրական լիցքը նշանակում է ավելի քիչ էլեկտրոններ, իսկ բացասական լիցքը՝ ավելի շատ։ Լիցքը երբեք չի փոխում միջուկը։

Լուծված օրինակ 1։ ⁵⁶Fe³⁺-ի համար՝ Z = 26, ուստի 26 պրոտոն. 56 − 26 = 30 նեյտրոն. 26 − 3 = 23 էլեկտրոն։ ¹²⁷I⁻-ի համար՝ 53 պրոտոն, 127 − 53 = 74 նեյտրոն և 53 + 1 = 54 էլեկտրոն։ ³⁴S²⁻-ի համար՝ 16 պրոտոն, 18 նեյտրոն և 18 էլեկտրոն։ Նկատեք, որ ³⁴S²⁻-ն ունի նույն թվով էլեկտրոններ, ինչ արգոնի ատոմը. իոնները իզոէլեկտրոնային են դարձնում էլեկտրոնների հավասար թվերը, այլ ոչ թե հավասար զանգվածային թվերը։

Ինչու են իզոտոպները նույն կերպ փոխազդում, բայց տարբերվում զանգվածով

Իզոտոպները նույն Z-ով, բայց նեյտրոնների տարբեր թվով ատոմներ են։ Քլոր-35-ը և քլոր-37-ը երկուսն էլ ունեն 17 պրոտոն և, որպես չեզոք ատոմներ, 17 էլեկտրոն։ Քիմիական վարքը կառավարվում է էլեկտրոններով, ուստի երկու իզոտոպներն առաջացնում են նույն միացությունները նույն հարաբերակցություններով։

Զանգվածից կախված հատկությունները մի փոքր տարբերվում են։ Տրված ջերմաստիճանում ավելի թեթև մոլեկուլներն ավելի արագ են շարժվում, իսկ ավելի ծանր իզոտոպների հետ կապերը մի փոքր ավելի դանդաղ են փոխազդում։ Ծանր տարրերի համար այս ազդեցությունները փոքր են։ Ուրանի հարստացումը ցույց է տալիս, թե որքան փոքր։ Գրեհեմի օրենքի համաձայն՝ ²³⁵UF₆-ի և ²³⁸UF₆-ի էֆուզիայի արագությունները հարաբերում են որպես √(M₂/M₁)։ NIST-ի իզոտոպային զանգվածներով M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol և M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, ուստի հարաբերությունը √(352.041/349.034) = 1.0043 է։ Պատնեշի միջով մեկ անցումը թեթև իզոտոպը հարստացնում է կես տոկոսից պակաս, ահա թե ինչու են հարստացման կայանները պահանջում հաջորդաբար միացված բազմաթիվ աստիճաններ։

Կշռված միջիններ՝ իզոտոպների զանգվածներից մինչև ատոմային զանգված

Պարբերական աղյուսակի ատոմային զանգվածը որևէ մեկ ատոմի զանգված չէ։ Այն սովորական նմուշում տարրի ատոմների միջին զանգվածն է՝ կշռված ըստ յուրաքանչյուր իզոտոպի տարածվածության։ Յուրաքանչյուր իզոտոպի զանգվածը բազմապատկեք նրա տարածվածության բաժնով և գումարեք արտադրյալները։ Բաժինների գումարը պետք է լինի 1։

Լուծված օրինակ 2։ Մագնեզիումն ունի երեք կայուն իզոտոպ։ NIST-ի «Atomic Weights and Isotopic Compositions» աղյուսակներից՝ ²⁴Mg, 23.985042 u, տարածվածությունը՝ 0.7899. ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000. ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101։ Արտադրյալներն են 18.94578, 2.49858 և 2.86068 u, իսկ նրանց գումարը՝ 24.30505 u։ Չորսանիշ տարածվածությունների նկատմամբ կիրառված նշանակալի թվանշանների խիստ կանոնները սա կկլորացնեին մինչև 24.31 u։ Երեք տասնորդական նիշով պահելիս այն 24.305 u է՝ ընդունված արժեքը, որը տպված է պարբերական աղյուսակների մեծ մասում։

Նույն հաշվարկը կատարեք քլորի համար՝ օգտագործելով ³⁵Cl-ը՝ 34.968853 u, 0.7576 տարածվածությամբ, և ³⁷Cl-ը՝ 36.965903 u, 0.2424 տարածվածությամբ. 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u։ Արագ գնահատումը բռնում է սխալները. միջինը պետք է լինի իզոտոպների զանգվածների միջև և ավելի մոտ ավելի տարածված իզոտոպին։

Հակառակ ուղղությամբ՝ իզոտոպի տարածվածության գտնումը

Եթե տարրն ունի երկու իզոտոպ, և դուք գիտեք ատոմային զանգվածը, կարող եք գտնել տարածվածությունները։ Առաջին իզոտոպի բաժինը նշանակեք x. երկրորդինն այդ դեպքում 1 − x է։ Կշռված միջինը գրեք որպես հավասարում և լուծեք x-ի նկատմամբ։

Լուծված օրինակ 3։ Պղնձի ստանդարտ ատոմային զանգվածը 63.546 է, և այն ունի երկու կայուն իզոտոպ՝ ⁶³Cu՝ 62.929598 u, և ⁶⁵Cu՝ 64.927790 u (NIST)։ Այդ դեպքում 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546։ Վերադասավորելով՝ ստանում ենք x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915։ Այսպիսով, պղինձը 69.15% ⁶³Cu է և 30.85% ⁶⁵Cu, ինչը վերարտադրում է NIST-ի 0.6915 և 0.3085 տարածվածությունները։

Այս եղանակն աշխատում է միայն երկու իզոտոպի դեպքում։ Երեքի դեպքում մեկ միջինը տալիս է մեկ հավասարում երկու անհայտով, և անհրաժեշտ է ևս մեկ չափում, օրինակ՝ զանգվածային սպեկտր։

Իզոտոպային պատկերները զանգվածային սպեկտրում

Զանգվածային սպեկտրաչափն իոնացնում է նմուշը, իոններն առանձնացնում է ըստ զանգված-լիցք հարաբերության և գրանցում, թե յուրաքանչյուր արժեքում քանի իոն է հասնում։ Մեկ տարրի դեպքում պիկերի բարձրությունները ուղղակիորեն տալիս են իզոտոպների տարածվածությունները։ Մոլեկուլների դեպքում իզոտոպները համակցվում են և առաջացնում ճանաչելի պատկերներ։

Լուծված օրինակ 4։ Կանխատեսեք Cl₂-ի մոլեկուլային իոնի պատկերը։ Ընդունենք p = 0.7576 ³⁵Cl-ի համար և q = 0.2424 ³⁷Cl-ի համար։ Մոլեկուլը ³⁵Cl–³⁵Cl է (զանգվածը՝ 70) p² = 0.5740 հավանականությամբ, ³⁵Cl–³⁷Cl (զանգվածը՝ 72)՝ 2pq = 0.3673 հավանականությամբ, և ³⁷Cl–³⁷Cl (զանգվածը՝ 74)՝ q² = 0.0588 հավանականությամբ։ 2 գործակիցը հաշվի է առնում յուրաքանչյուրից մեկական ստանալու երկու եղանակները։ Եթե ամենաբարձր պիկը ընդունենք 100, պատկերը կլինի 100 : 64.0 : 10.2։

Այստեղից բխում է երկու դյուրանցում։ Քլորի մեկ ատոմ ունեցող միացությունը ցույց է տալիս երկու զանգվածային միավոր հեռավորությամբ պիկեր մոտ 3 : 1 հարաբերությամբ, քանի որ p/q = 3.13։ Բրոմի մեկ ատոմ ունեցող միացությունը ցույց է տալիս գրեթե հավասար բարձրության երկու պիկ, քանի որ NIST-ը ⁷⁹Br-ի համար նշում է 0.5069, իսկ ⁸¹Br-ի համար՝ 0.4931։

Ատոմի կառուցվածքի սխալներ, որոնք միավորներ են արժենում

Սխալների մեծ մասն առաջանում է երեք թվերը շփոթելուց կամ ատոմային զանգվածը մեկ ատոմի հատկություն համարելուց։ Որևէ բան հաշվելուց առաջ գրեք Z-ը, A-ն և լիցքը։

• Իոն ստանալու համար փոխել պրոտոնների թիվը։ Լիցքը փոխում է միայն էլեկտրոնները. պրոտոններն են որոշում տարրը։
• Դրական իոնի համար էլեկտրոններ ավելացնել։ 3+ իոնն ատոմից երեք էլեկտրոն պակաս ունի։
• Ատոմային զանգվածն ընկալել որպես զանգվածային թիվ։ Քլորի ոչ մի ատոմ 35.45 u զանգված չունի. դա մոտ 35 u և 37 u զանգվածով ատոմների միջինն է։
• Տոկոսներն օգտագործել որպես բաժիններ՝ առանց 100-ի բաժանելու, ինչը տալիս է 100 անգամ ավելի մեծ միջին։
• Զանգվածային սպեկտրը կանխատեսելիս մոռանալ 2 գործակիցը խառը իզոտոպային զույգերի համար, ինչպես ³⁵Cl–³⁷Cl-ը։
• Երկու նուկլիդ իզոտոպներ անվանել, քանի որ նրանք ունեն նույն զանգվածային թիվը։ ¹⁴C-ն և ¹⁴N-ն ունեն նույն A-ն, բայց տարբեր տարրեր են։

Զանգվածի դեֆեկտ և ատոմային զանգվածների միջակայքեր

Վեց պրոտոնի, վեց նեյտրոնի և վեց էլեկտրոնի CODATA զանգվածները գումարելիս ստացվում է 12.0989 u, մինչդեռ ածխածին-12 ատոմը ճիշտ 12 u է։ Պակասող 0.0989 u-ն՝ ընդհանուրի մոտ 0.82%-ը, համապատասխանում է այն էներգիային, որն անջատվել է միջուկի առաջացման ժամանակ։ Այս զանգվածի դեֆեկտի պատճառով է, որ իզոտոպների զանգվածներն ամբողջ թվեր չեն, և այն միջուկային կապի էներգիայի մեկնակետն է։

Որոշ տարրերի համար իզոտոպային խառնուրդը բնական աղբյուրների միջև այնքան է տարբերվում, որ IUPAC-ի Իզոտոպային տարածվածությունների և ատոմային զանգվածների հանձնաժողովը մեկ թվի փոխարեն նշում է միջակայք։ Քլորը նշված է որպես [35.446, 35.457], իսկ մագնեզիումը՝ [24.304, 24.307]։ Սովորական հաշվարկների համար օգտագործեք ընդունված մեկական արժեքները՝ 35.45 և 24.305, եթե ձեր դասընթացն այլ բան չի պահանջում։