ატომის აგებულება და იზოტოპები: ნუკლიდის სიმბოლოებიდან ატომურ წონამდე

პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები გაზომილ ერთეულებში

პროტონს აქვს +1 მუხტი ელემენტარული მუხტის ერთეულებში, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ელექტრონს კი −1. ნეიტრონს მუხტი არ აქვს. მასები ჩვეულებრივ მოცემულია ატომური მასის უნიფიცირებულ ერთეულებში (u, ასევე უწოდებენ დალტონებს, Da), სადაც 1 u ნახშირბად-12-ის ატომის მასის მეთორმეტედია, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST-ის მიერ გამოქვეყნებული CODATA 2022-ის მნიშვნელობებით პროტონი 1.007276 u-ია, ნეიტრონი 1.008665 u, ელექტრონი კი 0.000549 u. პროტონი ელექტრონზე დაახლოებით 1836-ჯერ მძიმეა, ამიტომ ატომის თითქმის მთელი მასა ბირთვშია. ბირთვი ასევე პაწაწინაა: მისი რადიუსი 10⁻¹⁵ m-ის რიგისაა, ატომის რადიუსი კი 10⁻¹⁰ m-ის რიგის. ამიტომ ატომის ზომასა და მის ქიმიას ელექტრონები განსაზღვრავს, მის მასას კი ბირთვი.

ნუკლიდის სიმბოლოების წაკითხვა და ნაწილაკების დათვლა იონებში

ატომური ნომერი Z პროტონების რაოდენობაა. ის ელემენტს განსაზღვრავს: ყოველი ატომი 17 პროტონით ქლორია. მასური რიცხვი A პროტონებისა და ნეიტრონების ჯამური რაოდენობაა, ამიტომ ნეიტრონების რაოდენობა A − Z-ია. ნუკლიდის სიმბოლოში A იწერება ელემენტის სიმბოლოს მარცხნივ ზედა ინდექსად, Z კი მარცხნივ ქვედა ინდექსად, როგორც ³⁵₁₇Cl-ში. რადგან სიმბოლო უკვე აფიქსირებს Z-ს, ქვედა ინდექსს ხშირად გამოტოვებენ და წერენ ³⁵Cl-ს ან ქლორ-35-ს.

ელექტრონების რაოდენობა პროტონებისას მხოლოდ ნეიტრალურ ატომში უდრის. q მუხტის მქონე იონს Z − q ელექტრონი აქვს, ამიტომ დადებითი მუხტი ნაკლებ ელექტრონს ნიშნავს, უარყოფითი კი მეტს. მუხტი ბირთვს არასოდეს ცვლის.

გადაწყვეტილი მაგალითი 1. ⁵⁶Fe³⁺-ისთვის: Z = 26, ამიტომ 26 პროტონი; 56 − 26 = 30 ნეიტრონი; 26 − 3 = 23 ელექტრონი. ¹²⁷I⁻-ისთვის: 53 პროტონი, 127 − 53 = 74 ნეიტრონი და 53 + 1 = 54 ელექტრონი. ³⁴S²⁻-ისთვის: 16 პროტონი, 18 ნეიტრონი და 18 ელექტრონი. შენიშნეთ, რომ ³⁴S²⁻-ს ელექტრონების იგივე რაოდენობა აქვს, რაც არგონის ატომს; იონებს იზოელექტრონულს ელექტრონების ტოლი რაოდენობა ხდის და არა ტოლი მასური რიცხვები.

რატომ რეაგირებენ იზოტოპები ერთნაირად, მაგრამ განსხვავდებიან მასით

იზოტოპები ერთი და იმავე Z-ის, მაგრამ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობის მქონე ატომებია. ქლორ-35-საც და ქლორ-37-საც 17 პროტონი აქვს, ნეიტრალური ატომების სახით კი 17 ელექტრონი. ქიმიურ ქცევას ელექტრონები განსაზღვრავს, ამიტომ ორივე იზოტოპი ერთსა და იმავე ნაერთებს იმავე თანაფარდობებით წარმოქმნის.

მასაზე დამოკიდებული თვისებები კი ოდნავ განსხვავდება. მოცემულ ტემპერატურაზე მსუბუქი მოლეკულები უფრო სწრაფად მოძრაობენ, ხოლო მძიმე იზოტოპებთან ბმები ოდნავ უფრო ნელა რეაგირებს. მძიმე ელემენტებისთვის ეს ეფექტები მცირეა. ურანის გამდიდრება აჩვენებს, რამდენად მცირე. გრეჰემის კანონის თანახმად, ²³⁵UF₆-ისა და ²³⁸UF₆-ის ეფუზიის სიჩქარეები ისე შეეფარდება ერთმანეთს, როგორც √(M₂/M₁). NIST-ის იზოტოპური მასებით M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol და M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, ამიტომ ფარდობაა √(352.041/349.034) = 1.0043. ბარიერში ერთი გავლა მსუბუქ იზოტოპს ნახევარ პროცენტზე ნაკლებით ამდიდრებს, რის გამოც გამდიდრების ქარხნებს მიმდევრობით შეერთებული ბევრი საფეხური სჭირდება.

შეწონილი საშუალოები: იზოტოპების მასებიდან ატომურ წონამდე

პერიოდულ სისტემაში მოცემული ატომური წონა არცერთი კონკრეტული ატომის მასა არ არის. ეს ელემენტის ატომების საშუალო მასაა ჩვეულებრივ ნიმუშში, შეწონილი იმის მიხედვით, რამდენად გავრცელებულია თითოეული იზოტოპი. გაამრავლეთ თითოეული იზოტოპის მასა მის წილობრივ გავრცელებაზე და შეკრიბეთ ნამრავლები. წილების ჯამი 1 უნდა იყოს.

გადაწყვეტილი მაგალითი 2. მაგნიუმს სამი სტაბილური იზოტოპი აქვს. NIST-ის ცხრილებიდან Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, გავრცელება 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. ნამრავლებია 18.94578, 2.49858 და 2.86068 u, მათი ჯამი კი 24.30505 u. ოთხციფრა გავრცელებებზე მნიშვნელოვანი ციფრების მკაცრი წესების გამოყენება ამას 24.31 u-მდე დაამრგვალებდა. სამ ათობით თანრიგამდე შენარჩუნებით ეს არის 24.305 u, ჩვეულებრივი მნიშვნელობა, რომელიც პერიოდული სისტემის უმეტეს ცხრილებშია დაბეჭდილი.

იგივე გამოთვლა ჩაატარეთ ქლორისთვის, ³⁵Cl-ით 34.968853 u-ზე 0.7576 გავრცელებით და ³⁷Cl-ით 36.965903 u-ზე 0.2424-ით: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. სწრაფი შეფასება შეცდომებს აჩენს: საშუალო უნდა იყოს იზოტოპების მასებს შორის და უფრო ახლოს უფრო გავრცელებულთან.

უკუღმა გამოთვლა იზოტოპის გავრცელების საპოვნელად

თუ ელემენტს ორი იზოტოპი აქვს და ატომური წონა იცით, შეგიძლიათ გავრცელებები გამოთვალოთ. პირველი იზოტოპის წილი აღნიშნეთ x-ით; მაშინ მეორისა 1 − x-ია. შეწონილი საშუალო ჩაწერეთ განტოლების სახით და ამოხსენით x-ის მიმართ.

გადაწყვეტილი მაგალითი 3. სპილენძის სტანდარტული ატომური წონაა 63.546 და მას ორი სტაბილური იზოტოპი აქვს, ⁶³Cu 62.929598 u-ზე და ⁶⁵Cu 64.927790 u-ზე (NIST). მაშინ 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. გადალაგებით მივიღებთ x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. ამრიგად, სპილენძი 69.15% ⁶³Cu-სა და 30.85% ⁶⁵Cu-სგან შედგება, რაც NIST-ის 0.6915 და 0.3085 გავრცელებებს იმეორებს.

ეს მეთოდი მხოლოდ ორი იზოტოპისთვის მუშაობს. სამის შემთხვევაში ერთი საშუალო ორუცნობიან ერთ განტოლებას იძლევა და კიდევ ერთი გაზომვა გჭირდებათ, მაგალითად, მას-სპექტრი.

იზოტოპური სურათები მას-სპექტრში

მას-სპექტრომეტრი ნიმუშს აიონებს, იონებს მასისა და მუხტის ფარდობის მიხედვით ყოფს და აღრიცხავს, რამდენი მოდის თითოეულ მნიშვნელობაზე. ერთი ელემენტისთვის პიკების სიმაღლეები პირდაპირ იძლევა იზოტოპების გავრცელებას. მოლეკულებში იზოტოპები ერთმანეთს ერწყმის და ადვილად ამოსაცნობ სურათებს ქმნის.

გადაწყვეტილი მაგალითი 4. იწინასწარმეტყველეთ Cl₂-ის მოლეკულური იონის სურათი. ვთქვათ, p = 0.7576 ³⁵Cl-ისთვის და q = 0.2424 ³⁷Cl-ისთვის. მოლეკულა არის ³⁵Cl–³⁵Cl (მასა 70) p² = 0.5740 ალბათობით, ³⁵Cl–³⁷Cl (მასა 72) 2pq = 0.3673 ალბათობით და ³⁷Cl–³⁷Cl (მასა 74) q² = 0.0588 ალბათობით. 2-ის ფაქტორი ითვალისწინებს თითოეულიდან თითო იზოტოპის მიღების ორ გზას. თუ უმაღლეს პიკს 100-ად ავიღებთ, სურათია 100 : 64.0 : 10.2.

აქედან ორი მოხერხებული წესი გამომდინარეობს. ერთი ქლორის ატომის მქონე ნაერთი იძლევა ორი მასური ერთეულით დაშორებულ პიკებს დაახლოებით 3 : 1 თანაფარდობით, რადგან p/q = 3.13. ერთი ბრომის ატომის მქონე ნაერთი იძლევა თითქმის ტოლი სიმაღლის ორ პიკს, რადგან NIST ⁷⁹Br-ს 0.5069-ით და ⁸¹Br-ს 0.4931-ით ასახელებს.

ატომის აგებულების შეცდომები, რომლებიც ქულებს გაკარგვინებთ

შეცდომების უმეტესობა სამი რაოდენობის აღრევიდან ან ატომური წონის ცალკეული ატომის თვისებად მიჩნევიდან მოდის. სანამ რამეს დაითვლით, ჩაწერეთ Z, A და მუხტი.

• პროტონების რაოდენობის შეცვლა იონის მისაღებად. მუხტი მხოლოდ ელექტრონებს ცვლის; პროტონები ელემენტს აფიქსირებს.
• ელექტრონების დამატება დადებითი იონისთვის. 3+ იონს ატომზე სამით ნაკლები ელექტრონი აქვს.
• ატომური წონის მასურ რიცხვად წაკითხვა. ქლორის არცერთ ატომს არ აქვს 35.45 u მასა; ეს დაახლოებით 35 u და 37 u მასის ატომების საშუალოა.
• პროცენტების წილებად გამოყენება 100-ზე გაყოფის გარეშე, რაც 100-ჯერ დიდ საშუალოს იძლევა.
• 2-ის ფაქტორის დავიწყება შერეული იზოტოპური წყვილებისთვის, როგორიცაა ³⁵Cl–³⁷Cl, მას-სპექტრის წინასწარმეტყველებისას.
• ორი ნუკლიდის იზოტოპებად მიჩნევა მხოლოდ იმიტომ, რომ ერთნაირი მასური რიცხვი აქვთ. ¹⁴C-სა და ¹⁴N-ს საერთო A აქვთ, მაგრამ სხვადასხვა ელემენტებია.

მასის დეფექტი და ატომური წონების ინტერვალები

ექვსი პროტონის, ექვსი ნეიტრონისა და ექვსი ელექტრონის მასების შეკრება CODATA-ს მნიშვნელობებით იძლევა 12.0989 u-ს, თუმცა ნახშირბად-12-ის ატომი ზუსტად 12 u-ია. დაკარგული 0.0989 u, ჯამის დაახლოებით 0.82%, შეესაბამება ენერგიას, რომელიც ბირთვის წარმოქმნისას გამოიყო. სწორედ ამ მასის დეფექტის გამოა, რომ იზოტოპების მასები მთელი რიცხვები არ არის, და ის ბირთვის ბმის ენერგიის ამოსავალი წერტილია.

ზოგიერთი ელემენტისთვის იზოტოპური შედგენილობა ბუნებრივ წყაროებს შორის იმდენად იცვლება, რომ IUPAC-ის იზოტოპური გავრცელებისა და ატომური წონების კომისია ერთი რიცხვის ნაცვლად ინტერვალს აქვეყნებს. ქლორი მოცემულია როგორც [35.446, 35.457], მაგნიუმი კი როგორც [24.304, 24.307]. ჩვეულებრივი გამოთვლებისთვის გამოიყენეთ პირობითი ერთეული მნიშვნელობები, 35.45 და 24.305, თუ თქვენი კურსი სხვას არ მოითხოვს.