Атом құрылысы және изотоптар: нуклид таңбаларынан атомдық салмаққа дейін

Протондар, нейтрондар және электрондар өлшенетін бірліктерде

Протон элементар заряд бірліктерімен +1 заряд тасиды, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ал электрон −1 заряд тасиды. Нейтронның заряды жоқ. Массалар әдетте бірыңғай атомдық масса бірліктерімен беріледі (u, оларды дальтон, Da, деп те атайды), мұнда 1 u — көміртек-12 атомы массасының он екіден бірі, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST жариялаған 2022 жылғы CODATA мәндері бойынша протон 1.007276 u, нейтрон 1.008665 u, ал электрон 0.000549 u. Протон электроннан шамамен 1836 есе ауыр, сондықтан атом массасының дерлік бәрі ядрода жинақталған. Ядро сондай-ақ өте кішкентай: оның радиусы 10⁻¹⁵ m шамасында, ал атомның радиусы 10⁻¹⁰ m шамасында. Сондықтан атомның өлшемі мен химиясын электрондар, ал массасын ядро анықтайды.

Нуклид таңбаларын оқу және иондардағы бөлшектерді санау

Атомдық нөмір Z — протондар саны. Ол элементті анықтайды: 17 протоны бар әр атом — хлор. Массалық сан A — протондар мен нейтрондардың жалпы саны, сондықтан нейтрондар саны A − Z. Нуклид таңбасында A элемент таңбасының сол жағына жоғарғы индекс ретінде, ал Z сол жағына төменгі индекс ретінде жазылады, мысалы ³⁵₁₇Cl. Таңбаның өзі Z-ті анықтайтындықтан, төменгі индекс жиі түсіріліп, ³⁵Cl немесе хлор-35 жазылады.

Электрондар саны протондар санына тек бейтарап атомда тең. Заряды q ионда Z − q электрон болады, сондықтан оң заряд электрондардың азырақ, ал теріс заряд көбірек екенін білдіреді. Заряд ядроны ешқашан өзгертпейді.

1-шешілген мысал. ⁵⁶Fe³⁺ үшін: Z = 26, сондықтан 26 протон; 56 − 26 = 30 нейтрон; 26 − 3 = 23 электрон. ¹²⁷I⁻ үшін: 53 протон, 127 − 53 = 74 нейтрон және 53 + 1 = 54 электрон. ³⁴S²⁻ үшін: 16 протон, 18 нейтрон және 18 электрон. ³⁴S²⁻ ионында аргон атомындағыдай электрон саны бар екенін байқаңыз; иондарды изоэлектронды ететін — массалық сандардың емес, электрон сандарының сәйкес келуі.

Изотоптар неге бірдей әрекеттеседі, бірақ массасы бойынша ерекшеленеді

Изотоптар — Z мәні бірдей, бірақ нейтрондар саны әртүрлі атомдар. Хлор-35 пен хлор-37 екеуінде де 17 протон және бейтарап атом ретінде 17 электрон бар. Химиялық қасиеттерді электрондар басқарады, сондықтан екі изотоп бірдей қосылыстарды бірдей қатынастарда түзеді.

Массаға тәуелді қасиеттер шынымен аздап ерекшеленеді. Берілген температурада жеңілірек молекулалар жылдамырақ қозғалады, ал ауыр изотоптармен түзілген байланыстар сәл баяуырақ әрекеттеседі. Ауыр элементтер үшін бұл әсерлер аз. Уранды байыту олардың қаншалықты аз екенін көрсетеді. Грэм заңы бойынша ²³⁵UF₆ және ²³⁸UF₆ эффузия жылдамдықтарының қатынасы √(M₂/M₁). NIST изотоп массаларын қолдансақ, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol және M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, сондықтан қатынас √(352.041/349.034) = 1.0043. Тосқауыл арқылы бір рет өту жеңіл изотопты жарты пайыздан аз байытады, сондықтан байыту зауыттарына тізбектей жалғанған көптеген сатылар қажет.

Өлшенген орташа мәндер: изотоп массаларынан атомдық салмаққа дейін

Периодтық кестедегі атомдық салмақ қандай да бір жеке атомның массасы емес. Бұл — элементтің қалыпты үлгідегі атомдарының әр изотоптың қаншалықты жиі кездесетініне қарай өлшенген орташа массасы. Әр изотоптың массасын оның таралу үлесіне көбейтіп, көбейтінділерді қосыңыз. Үлестердің қосындысы 1-ге тең болуы керек.

2-шешілген мысал. Магнийдің үш тұрақты изотопы бар. NIST «Атомдық салмақтар және изотоптық құрамдар» кестелерінен: ²⁴Mg, 23.985042 u, таралуы 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Көбейтінділер 18.94578, 2.49858 және 2.86068 u, ал олардың қосындысы 24.30505 u. Төрт цифрлы таралу үлестеріне маңызды цифрлардың қатаң ережелерін қолдансақ, бұл 24.31 u-ға дейін дөңгелектенер еді. Үш ондық таңбаға дейін сақталса, бұл 24.305 u, яғни периодтық кестелердің көбінде басылған шартты мән.

Дәл осы есептеуді хлор үшін орындаңыз: таралуы 0.7576 болатын 34.968853 u ³⁵Cl және таралуы 0.2424 болатын 36.965903 u ³⁷Cl қолданып: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Жылдам бағалау қателерді ұстайды: орташа мән изотоп массаларының арасында және көбірек таралған изотопқа жақынырақ жатуы керек.

Изотоптың таралуын табу үшін кері есептеу

Егер элементтің екі изотопы болса және атомдық салмақты білсеңіз, таралу үлестерін есептей аласыз. Бірінші изотоптың үлесін x деп белгілеңіз; сонда екіншісі 1 − x болады. Өлшенген орташа мәнді теңдеу түрінде жазып, x-ті табыңыз.

3-шешілген мысал. Мыстың стандартты атомдық салмағы 63.546, ал екі тұрақты изотопы бар: 62.929598 u ⁶³Cu және 64.927790 u ⁶⁵Cu (NIST). Онда 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Түрлендіргенде x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 шығады. Демек мыс 69.15% ⁶³Cu және 30.85% ⁶⁵Cu-дан тұрады, бұл NIST келтірген 0.6915 және 0.3085 таралу үлестерін қайталайды.

Бұл әдіс тек екі изотоп үшін жұмыс істейді. Үш изотоп болса, бір орташа мән екі белгісізі бар бір теңдеу береді, сондықтан масс-спектр сияқты тағы бір өлшеу қажет.

Масс-спектрдегі изотоптық үлгілер

Масс-спектрометр үлгіні иондап, иондарды массаның зарядқа қатынасы бойынша бөледі және әр мәнге қанша ион келетінін тіркейді. Жалғыз элемент үшін шыңдардың биіктіктері изотоптардың таралуын тікелей береді. Молекулаларда изотоптар біріге отырып, танымал үлгілер түзеді.

4-шешілген мысал. Cl₂ молекулалық ионының үлгісін болжаңыз. ³⁵Cl үшін p = 0.7576 және ³⁷Cl үшін q = 0.2424 деп алайық. Молекула p² = 0.5740 ықтималдықпен ³⁵Cl–³⁵Cl (масса 70), 2pq = 0.3673 ықтималдықпен ³⁵Cl–³⁷Cl (масса 72), және q² = 0.0588 ықтималдықпен ³⁷Cl–³⁷Cl (масса 74) болады. 2 көбейткіші әрқайсысынан бір-бірден алудың екі жолын санайды. Ең биік шың 100 болатындай масштабталса, үлгі 100 : 64.0 : 10.2 болады.

Осыдан екі қысқа жол шығады. Бір хлор атомы бар қосылыс шамамен 3 : 1 қатынасындағы, бір-бірінен екі масса бірлігіне алшақ шыңдар көрсетеді, өйткені p/q = 3.13. Бір бром атомы бар қосылыс биіктігі дерлік бірдей екі шың көрсетеді, өйткені NIST ⁷⁹Br үшін 0.5069 және ⁸¹Br үшін 0.4931 мәндерін келтіреді.

Ұпай жоғалтатын атом құрылысы қателері

Қателердің көбі үш санды шатастырудан немесе атомдық салмақты жеке атомның қасиеті деп санаудан туындайды. Бірдеңе санамас бұрын Z, A және зарядты жазып алыңыз.

• Ион алу үшін протондар санын өзгерту. Заряд тек электрондарды өзгертеді; протондар элементті анықтайды.
• Оң ион үшін электрондар қосу. 3+ ионында атомға қарағанда үш электрон аз.
• Атомдық салмақты массалық сан деп оқу. Ешбір хлор атомының массасы 35.45 u емес; бұл шамамен 35 u және 37 u атомдардың орташасы.
• Пайыздарды 100-ге бөлмей үлес ретінде қолдану, бұл орташа мәнді 100 есе үлкен етеді.
• Масс-спектрді болжағанда ³⁵Cl–³⁷Cl сияқты аралас изотоп жұптары үшін 2 көбейткішін ұмыту.
• Массалық сандары бірдей болғандықтан екі нуклидті изотоптар деп атау. ¹⁴C пен ¹⁴N бірдей A мәніне ие, бірақ әртүрлі элементтер.

Масса ақауы және атомдық салмақтың аралықтары

CODATA массаларымен алты протонды, алты нейтронды және алты электронды қосқанда 12.0989 u шығады, ал көміртек-12 атомы дәл 12 u. Жетіспейтін 0.0989 u, жалпы массаның шамамен 0.82%, ядро түзілгенде бөлінген энергияға сәйкес келеді. Изотоп массаларының бүтін сан болмауының себебі — осы масса ақауы, және ол ядролық байланыс энергиясының бастау нүктесі.

Кейбір элементтер үшін изотоптық құрам табиғи көздер арасында едәуір өзгеретіндіктен, IUPAC-тың Изотоптардың таралуы және атомдық салмақтар жөніндегі комиссиясы жалғыз санның орнына аралық береді. Хлор [35.446, 35.457], ал магний [24.304, 24.307] деп көрсетілген. Курсыңызда басқаша айтылмаса, қарапайым есептеулер үшін 35.45 және 24.305 шартты жалғыз мәндерін қолданыңыз.