Struktur Atom dan Isotop: Dari Lambang Nuklida ke Bobot Atom

Proton, neutron, dan elektron dalam satuan terukur

Proton membawa muatan +1 dalam satuan muatan elementer, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, dan elektron membawa −1. Neutron tidak bermuatan. Massa biasanya dinyatakan dalam satuan massa atom terpadu (u, disebut juga dalton, Da), dengan 1 u sama dengan seperdua belas massa satu atom karbon-12, yaitu 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Menurut nilai CODATA 2022 yang diterbitkan NIST, massa proton adalah 1.007276 u, neutron 1.008665 u, dan elektron 0.000549 u. Proton sekitar 1836 kali lebih berat daripada elektron, sehingga hampir seluruh massa atom terletak di inti. Inti juga sangat kecil: jari-jarinya berorde 10⁻¹⁵ m, sedangkan jari-jari atom berorde 10⁻¹⁰ m. Karena itu, elektronlah yang menentukan ukuran atom dan sifat kimianya, sedangkan inti menentukan massanya.

Membaca lambang nuklida dan menghitung partikel dalam ion

Nomor atom Z adalah jumlah proton. Nomor atom menentukan unsur: setiap atom dengan 17 proton adalah klorin. Nomor massa A adalah jumlah total proton dan neutron, sehingga jumlah neutron adalah A − Z. Lambang nuklida menuliskan A sebagai superskrip kiri dan Z sebagai subskrip kiri pada lambang unsur, seperti pada ³⁵₁₇Cl. Karena lambang unsur sudah menetapkan Z, subskrip sering dihilangkan sehingga menjadi ³⁵Cl atau klorin-35.

Jumlah elektron sama dengan jumlah proton hanya pada atom netral. Ion dengan muatan q memiliki Z − q elektron, sehingga muatan positif berarti elektron lebih sedikit dan muatan negatif berarti elektron lebih banyak. Muatan tidak pernah mengubah inti.

Contoh soal 1. Untuk ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, jadi 26 proton; 56 − 26 = 30 neutron; 26 − 3 = 23 elektron. Untuk ¹²⁷I⁻: 53 proton, 127 − 53 = 74 neutron, dan 53 + 1 = 54 elektron. Untuk ³⁴S²⁻: 16 proton, 18 neutron, dan 18 elektron. Perhatikan bahwa ³⁴S²⁻ memiliki jumlah elektron yang sama dengan atom argon; kesamaan jumlah elektronlah yang membuat ion-ion isoelektronik, bukan kesamaan nomor massa.

Mengapa isotop bereaksi serupa tetapi berbeda massa

Isotop adalah atom dengan Z yang sama tetapi jumlah neutron yang berbeda. Klorin-35 dan klorin-37 sama-sama memiliki 17 proton dan, sebagai atom netral, 17 elektron. Perilaku kimia dikendalikan oleh elektron, sehingga kedua isotop membentuk senyawa yang sama dengan perbandingan yang sama.

Sifat-sifat yang bergantung pada massa memang sedikit berbeda. Molekul yang lebih ringan bergerak lebih cepat pada suhu tertentu, dan ikatan dengan isotop yang lebih berat bereaksi sedikit lebih lambat. Efek ini kecil untuk unsur berat. Pengayaan uranium menunjukkan seberapa kecil. Menurut hukum Graham, laju efusi ²³⁵UF₆ dan ²³⁸UF₆ berbanding sebagai √(M₂/M₁). Dengan massa isotop NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol dan M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, sehingga perbandingannya adalah √(352.041/349.034) = 1.0043. Satu kali lewat melalui sebuah sekat memperkaya isotop yang lebih ringan kurang dari setengah persen, itulah sebabnya pabrik pengayaan memerlukan banyak tahap yang disusun seri.

Rata-rata tertimbang: dari massa isotop ke bobot atom

Bobot atom pada tabel periodik bukanlah massa satu atom tertentu. Bobot atom adalah massa rata-rata atom-atom unsur itu dalam sampel normal, yang ditimbang menurut seberapa umum setiap isotop. Kalikan massa setiap isotop dengan kelimpahan fraksionalnya lalu jumlahkan hasil kalinya. Jumlah fraksinya harus 1.

Contoh soal 2. Magnesium memiliki tiga isotop stabil. Dari tabel NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, kelimpahan 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Hasil kalinya adalah 18.94578, 2.49858, dan 2.86068 u, dan jumlahnya 24.30505 u. Aturan angka penting yang ketat, bila diterapkan pada kelimpahan empat digit, akan membulatkannya menjadi 24.31 u. Jika dipertahankan sampai tiga tempat desimal, hasilnya 24.305 u, nilai konvensional yang tercetak pada sebagian besar tabel periodik.

Lakukan perhitungan yang sama untuk klorin, dengan ³⁵Cl pada 34.968853 u berkelimpahan 0.7576 dan ³⁷Cl pada 36.965903 u berkelimpahan 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Perkiraan cepat dapat menangkap kesalahan: rata-ratanya harus terletak di antara massa-massa isotop dan lebih dekat ke isotop yang lebih melimpah.

Bekerja mundur untuk mencari kelimpahan isotop

Jika suatu unsur memiliki dua isotop dan Anda mengetahui bobot atomnya, Anda dapat menghitung kelimpahannya. Sebut fraksi isotop pertama x; fraksi isotop kedua kemudian adalah 1 − x. Tulis rata-rata tertimbang sebagai persamaan lalu selesaikan untuk x.

Contoh soal 3. Tembaga memiliki bobot atom standar 63.546 dan dua isotop stabil, ⁶³Cu pada 62.929598 u dan ⁶⁵Cu pada 64.927790 u (NIST). Maka 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Penataan ulang memberikan x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Jadi tembaga terdiri atas 69.15% ⁶³Cu dan 30.85% ⁶⁵Cu, yang mereproduksi kelimpahan NIST sebesar 0.6915 dan 0.3085.

Metode ini hanya berlaku untuk dua isotop. Dengan tiga isotop, satu rata-rata hanya memberikan satu persamaan dengan dua besaran yang tidak diketahui, dan Anda memerlukan pengukuran lain, seperti spektrum massa.

Pola isotop dalam spektrum massa

Spektrometer massa mengionkan sampel, memisahkan ion-ion menurut perbandingan massa terhadap muatan, dan mencatat berapa banyak ion yang tiba pada setiap nilai. Untuk satu unsur, tinggi puncak langsung memberikan kelimpahan isotop. Untuk molekul, isotop-isotop bergabung dan menghasilkan pola yang mudah dikenali.

Contoh soal 4. Ramalkan pola ion molekul Cl₂. Misalkan p = 0.7576 untuk ³⁵Cl dan q = 0.2424 untuk ³⁷Cl. Sebuah molekul adalah ³⁵Cl–³⁵Cl (massa 70) dengan peluang p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (massa 72) dengan peluang 2pq = 0.3673, dan ³⁷Cl–³⁷Cl (massa 74) dengan peluang q² = 0.0588. Faktor 2 menghitung dua cara untuk mendapatkan satu dari masing-masing isotop. Jika diskalakan sehingga puncak tertinggi bernilai 100, polanya adalah 100 : 64.0 : 10.2.

Dua jalan pintas mengikutinya. Senyawa dengan satu atom klorin menunjukkan puncak-puncak yang berjarak dua satuan massa dengan perbandingan sekitar 3 : 1, karena p/q = 3.13. Senyawa dengan satu atom bromin menunjukkan dua puncak yang tingginya hampir sama, karena NIST mencantumkan ⁷⁹Br pada 0.5069 dan ⁸¹Br pada 0.4931.

Kesalahan struktur atom yang mengurangi nilai

Sebagian besar kesalahan berasal dari tertukarnya ketiga hitungan itu atau dari memperlakukan bobot atom sebagai sifat satu atom. Tulis Z, A, dan muatan sebelum Anda menghitung apa pun.

• Mengubah jumlah proton untuk membentuk ion. Muatan hanya mengubah elektron; proton menetapkan unsur.
• Menambahkan elektron untuk ion positif. Ion 3+ memiliki tiga elektron lebih sedikit daripada atomnya.
• Membaca bobot atom sebagai nomor massa. Tidak ada atom klorin yang bermassa 35.45 u; nilai itu adalah rata-rata atom-atom bermassa sekitar 35 u dan 37 u.
• Memakai persentase sebagai fraksi tanpa membaginya dengan 100, yang menghasilkan rata-rata 100 kali terlalu besar.
• Melupakan faktor 2 untuk pasangan isotop campuran, seperti ³⁵Cl–³⁷Cl, ketika meramalkan spektrum massa.
• Menyebut dua nuklida sebagai isotop karena nomor massanya sama. ¹⁴C dan ¹⁴N memiliki A yang sama tetapi merupakan unsur yang berbeda.

Defek massa dan bobot atom berbentuk interval

Menjumlahkan enam proton, enam neutron, dan enam elektron dengan massa CODATA memberikan 12.0989 u, padahal satu atom karbon-12 tepat 12 u. Massa yang hilang sebesar 0.0989 u, sekitar 0.82% dari total, setara dengan energi yang dilepaskan ketika inti terbentuk. Defek massa inilah yang menyebabkan massa isotop bukan bilangan bulat, dan merupakan titik awal untuk energi ikat inti.

Untuk beberapa unsur, campuran isotop cukup bervariasi antarsumber alami sehingga Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights dari IUPAC melaporkan sebuah interval alih-alih satu bilangan. Klorin dicantumkan sebagai [35.446, 35.457] dan magnesium sebagai [24.304, 24.307]. Untuk perhitungan biasa, gunakan nilai tunggal konvensional, 35.45 dan 24.305, kecuali mata kuliah Anda menetapkan lain.