Атомдун түзүлүшү жана изотоптор: нуклид белгилеринен атомдук салмакка чейин

Өлчөнгөн бирдиктердеги протондор, нейтрондор жана электрондор

Протон элементардык заряддын бирдиктеринде +1 заряд алып жүрөт, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ал эми электрон −1 заряд алып жүрөт. Нейтрондун заряды жок. Массалар адатта бирдиктүү атомдук масса бирдиктери менен берилет (u, дальтон деп да аталат, Da), мында 1 u — көмүртек-12 атомунун массасынын он экиден бири, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST жарыялаган 2022-жылдагы CODATA маанилери боюнча протон 1.007276 u, нейтрон 1.008665 u жана электрон 0.000549 u. Протон электрондон болжол менен 1836 эсе оор, ошондуктан атомдун массасынын дээрлик баары ядрого топтолгон. Ядро ошондой эле өтө кичинекей: анын радиусу 10⁻¹⁵ m тартибинде, ал эми атомдун радиусу 10⁻¹⁰ m тартибинде. Демек, атомдун өлчөмүн жана химиясын электрондор, ал эми массасын ядро аныктайт.

Нуклид белгилерин окуу жана иондордогу бөлүкчөлөрдү саноо

Атомдук номер Z — протондордун саны. Ал элементти аныктайт: 17 протону бар ар бир атом — хлор. Массалык сан A — протондор менен нейтрондордун жалпы саны, ошондуктан нейтрондордун саны A − Z. Нуклид белгиси A ны элементтин белгисинин сол жагына жогорку индекс, ал эми Z ти сол жагына төмөнкү индекс катары жазат, мисалы ³⁵₁₇Cl. Белги Z ти мурунтан эле аныктагандыктан, төмөнкү индекс көбүнчө түшүрүлүп калат да, ³⁵Cl же хлор-35 болуп жазылат.

Электрондордун саны протондордун санына нейтралдуу атомдо гана барабар. Заряды q болгон иондо Z − q электрон бар, ошондуктан оң заряд электрондор азыраак, ал эми терс заряд көбүрөөк дегенди билдирет. Заряд ядрону эч качан өзгөртпөйт.

Чыгарылган 1-мисал. ⁵⁶Fe³⁺ үчүн: Z = 26, демек 26 протон; 56 − 26 = 30 нейтрон; 26 − 3 = 23 электрон. ¹²⁷I⁻ үчүн: 53 протон, 127 − 53 = 74 нейтрон жана 53 + 1 = 54 электрон. ³⁴S²⁻ үчүн: 16 протон, 18 нейтрон жана 18 электрон. ³⁴S²⁻ тин электрондорунун саны аргон атомунукундай экенине көңүл буруңуз; иондорду изоэлектрондук кылган нерсе массалык сандардын эмес, электрондордун сандарынын дал келиши.

Изотоптор эмне үчүн окшош реакцияга кирет, бирок массасы боюнча айырмаланат

Изотоптор — Z и бирдей, бирок нейтрондорунун саны ар башка атомдор. Хлор-35 менен хлор-37 экөөнүн тең 17 протону жана нейтралдуу атом катары 17 электрону бар. Химиялык жүрүм-турумду электрондор башкарат, ошондуктан эки изотоп бирдей кошулмаларды бирдей катыштарда түзөт.

Массага көз каранды касиеттер бир аз айырмаланат. Берилген температурада жеңилирээк молекулалар тезирээк кыймылдайт, ал эми оорураак изотоптор менен түзүлгөн байланыштар бир аз жайыраак реакцияга кирет. Оор элементтер үчүн бул эффекттер кичине. Урандын байытылышы алардын канчалык кичине экенин көрсөтөт. Грэмдин мыйзамы боюнча ²³⁵UF₆ жана ²³⁸UF₆ тын эффузия ылдамдыктары √(M₂/M₁) катышында. NIST изотоп массаларын колдонсок, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol жана M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, ошондуктан катыш √(352.041/349.034) = 1.0043. Тосмо аркылуу бир жолу өтүү жеңилирээк изотопту жарым пайыздан аз байытат, ошондуктан байытуучу заводдорго удаалаш туташтырылган көптөгөн баскычтар керек.

Салмактанган орточо маани: изотоп массаларынан атомдук салмакка чейин

Мезгилдик таблицадагы атомдук салмак кандайдыр бир жалгыз атомдун массасы эмес. Бул ар бир изотоп канчалык кеңири таралганы боюнча салмактанган, кадимки үлгүдөгү элемент атомдорунун орточо массасы. Ар бир изотоптун массасын анын үлүштүк таралышына көбөйтүп, көбөйтүндүлөрдү кошуңуз. Үлүштөрдүн суммасы 1ге барабар болушу керек.

Чыгарылган 2-мисал. Магнийдин үч туруктуу изотобу бар. NIST тин «Атомдук салмактар жана изотоптук курамдар» таблицаларынан: ²⁴Mg, 23.985042 u, таралышы 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Көбөйтүндүлөр 18.94578, 2.49858 жана 2.86068 u, ал эми алардын суммасы 24.30505 u. Төрт цифралуу таралыштарга катуу маанилүү цифра эрежелерин колдонсок, бул 24.31 u га чейин тегеректелет. Үч ондук белгиге чейин сакталса, ал 24.305 u, мезгилдик таблицалардын көбүндө басылган шарттуу маани.

Ошол эле эсептөөнү хлор үчүн жүргүзүңүз, таралышы 0.7576 болгон 34.968853 u дагы ³⁵Cl ди жана 0.2424 болгон 36.965903 u дагы ³⁷Cl ди колдонуп: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Тез баалоо каталарды кармайт: орточо маани изотоп массаларынын ортосунда жана көбүрөөк таралган изотопко жакыныраак жатышы керек.

Изотоптун таралышын табуу үчүн тескери эсептөө

Эгер элементтин эки изотобу болсо жана атомдук салмакты билсеңиз, таралыштарды таба аласыз. Биринчи изотоптун үлүшүн x деп белгилеңиз; анда экинчиси 1 − x болот. Салмактанган орточо маанини теңдеме катары жазып, x ти табыңыз.

Чыгарылган 3-мисал. Жездин стандарттуу атомдук салмагы 63.546 жана эки туруктуу изотобу бар: 62.929598 u дагы ⁶³Cu жана 64.927790 u дагы ⁶⁵Cu (NIST). Анда 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Өзгөртүп түзүү x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 берет. Демек, жез 69.15% ⁶³Cu жана 30.85% ⁶⁵Cu дан турат, бул NIST тин 0.6915 жана 0.3085 таралыштарын кайталайт.

Бул ыкма эки изотоп үчүн гана иштейт. Үч изотоп болгондо бир орточо маани эки белгисиздүү бир теңдемени берет, ошондуктан масс-спектр сыяктуу дагы бир өлчөө керек.

Масс-спектрдеги изотоп үлгүлөрү

Масс-спектрометр үлгүнү иондоштуруп, иондорду массанын зарядга катышы боюнча бөлөт жана ар бир мааниге канча ион жеткенин жазат. Жалгыз элемент үчүн чокулардын бийиктиктери изотоптордун таралышын түздөн-түз берет. Молекулаларда изотоптор айкалышып, таанылуучу үлгүлөрдү пайда кылат.

Чыгарылган 4-мисал. Cl₂ дин молекулалык иону үлгүсүн алдын ала айтыңыз. ³⁵Cl үчүн p = 0.7576 жана ³⁷Cl үчүн q = 0.2424 болсун. Молекула p² = 0.5740 ыктымалдуулук менен ³⁵Cl–³⁵Cl (масса 70), 2pq = 0.3673 ыктымалдуулук менен ³⁵Cl–³⁷Cl (масса 72) жана q² = 0.0588 ыктымалдуулук менен ³⁷Cl–³⁷Cl (масса 74) болот. 2 көбөйтүүчүсү ар биринен бирден алуунун эки жолун эсептейт. Эң бийик чоку 100 болгудай масштабдалганда үлгү 100 : 64.0 : 10.2 болот.

Мындан эки кыска жол келип чыгат. Бир хлор атому бар кошулма эки масса бирдигине алыс жайгашкан, болжол менен 3 : 1 катышындагы чокуларды көрсөтөт, анткени p/q = 3.13. Бир бром атому бар кошулма бийиктиги дээрлик бирдей эки чокуну көрсөтөт, анткени NIST ⁷⁹Br ди 0.5069 жана ⁸¹Br ди 0.4931 деп берет.

Упай жоготкон атомдун түзүлүшү боюнча каталар

Каталардын көбү үч санды чаташтыруудан же атомдук салмакты жалгыз атомдун касиети катары кароодон келип чыгат. Бир нерсени санаардан мурун Z ти, A ны жана зарядды жазып алыңыз.

• Ион түзүү үчүн протондордун санын өзгөртүү. Заряд электрондорду гана өзгөртөт; протондор элементти аныктайт.
• Оң ион үчүн электрондорду кошуу. 3+ иондо атомго караганда үч электрон аз.
• Атомдук салмакты массалык сан катары окуу. Эч бир хлор атомунун массасы 35.45 u эмес; бул болжол менен 35 u жана 37 u болгон атомдордун орточосу.
• Пайыздарды 100гө бөлбөй туруп үлүш катары колдонуу, бул 100 эсе чоң орточо маанини берет.
• Масс-спектрди алдын ала айтууда ³⁵Cl–³⁷Cl сыяктуу аралаш изотоп жуптары үчүн 2 көбөйтүүчүсүн унутуу.
• Массалык сандары бирдей болгону үчүн эки нуклидди изотоптор деп атоо. ¹⁴C жана ¹⁴N бирдей A га ээ, бирок алар ар башка элементтер.

Массанын дефекти жана интервалдык атомдук салмактар

Алты протонду, алты нейтронду жана алты электронду CODATA массалары менен кошсок, 12.0989 u чыгат, бирок көмүртек-12 атому так 12 u. Жетишпеген 0.0989 u, жалпынын болжол менен 0.82%, ядро пайда болгондо бөлүнүп чыккан энергияга туура келет. Бул массанын дефекти изотоп массаларынын эмне үчүн бүтүн сандар эместигин түшүндүрөт жана ядролук байланыш энергиясынын башталгыч чекити болуп саналат.

Айрым элементтер үчүн изотоптордун курамы табигый булактар арасында ушунчалык өзгөргөндүктөн, IUPAC тин Изотоптордун таралышы жана атомдук салмактар боюнча комиссиясы бир сандын ордуна интервал берет. Хлор [35.446, 35.457], ал эми магний [24.304, 24.307] деп көрсөтүлгөн. Курсуңуз башкача талап кылбаса, кадимки эсептөөлөр үчүн шарттуу жалгыз маанилерди, 35.45 жана 24.305, колдонуңуз.