Atomo sandara ir izotopai: nuo nuklidų simbolių iki atominės masės

Protonai, neutronai ir elektronai išmatuotais vienetais

Protono krūvis yra +1 elementariojo krūvio vienetais, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, o elektrono krūvis yra −1. Neutronas krūvio neturi. Masės paprastai nurodomos atominės masės vienetais (u, dar vadinamais daltonais, Da), kur 1 u yra viena dvyliktoji anglies-12 atomo masės, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Pagal NIST paskelbtas 2022 m. CODATA vertes protono masė yra 1.007276 u, neutrono – 1.008665 u, o elektrono – 0.000549 u. Protonas yra maždaug 1836 kartus sunkesnis už elektroną, todėl beveik visa atomo masė sutelkta branduolyje. Branduolys taip pat mažytis: jo spindulys yra 10⁻¹⁵ m eilės, o atomo spindulys – 10⁻¹⁰ m eilės. Todėl elektronai lemia atomo dydį ir jo chemines savybes, o branduolys – jo masę.

Nuklidų simbolių skaitymas ir dalelių skaičiavimas jonuose

Atominis numeris Z yra protonų skaičius. Jis apibrėžia elementą: kiekvienas atomas, turintis 17 protonų, yra chloras. Masės skaičius A yra bendras protonų ir neutronų skaičius, todėl neutronų skaičius lygus A − Z. Nuklido simbolyje A rašomas kaip viršutinis indeksas, o Z – kaip apatinis indeksas kairėje elemento simbolio pusėje, pavyzdžiui, ³⁵₁₇Cl. Kadangi simbolis jau nusako Z, apatinis indeksas dažnai praleidžiamas ir rašoma ³⁵Cl arba chloras-35.

Elektronų skaičius lygus protonų skaičiui tik neutraliame atome. Jonas, kurio krūvis q, turi Z − q elektronų, todėl teigiamas krūvis reiškia mažiau elektronų, o neigiamas – daugiau. Krūvis niekada nekeičia branduolio.

1 išspręstas pavyzdys. ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, taigi 26 protonai; 56 − 26 = 30 neutronų; 26 − 3 = 23 elektronai. ¹²⁷I⁻: 53 protonai, 127 − 53 = 74 neutronai ir 53 + 1 = 54 elektronai. ³⁴S²⁻: 16 protonų, 18 neutronų ir 18 elektronų. Atkreipkite dėmesį, kad ³⁴S²⁻ turi tiek pat elektronų kaip argono atomas; jonus izoelektroniniais daro vienodas elektronų skaičius, o ne vienodi masės skaičiai.

Kodėl izotopai reaguoja panašiai, bet skiriasi mase

Izotopai yra atomai, turintys tą patį Z, bet skirtingą neutronų skaičių. Chloras-35 ir chloras-37 abu turi po 17 protonų, o būdami neutralūs atomai – po 17 elektronų. Cheminę elgseną lemia elektronai, todėl abu izotopai sudaro tuos pačius junginius tais pačiais santykiais.

Nuo masės priklausančios savybės šiek tiek skiriasi. Lengvesnės molekulės toje pačioje temperatūroje juda greičiau, o ryšiai su sunkesniais izotopais reaguoja kiek lėčiau. Sunkiųjų elementų atveju šie efektai maži. Urano sodrinimas parodo, kokie maži. Pagal Grahamo dėsnį ²³⁵UF₆ ir ²³⁸UF₆ efuzijos greičių santykis yra √(M₂/M₁). Naudojant NIST izotopų mases, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol ir M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, todėl santykis yra √(352.041/349.034) = 1.0043. Vienas praėjimas pro barjerą lengvesnį izotopą praturtina mažiau nei puse procento, todėl sodrinimo gamykloms reikia daug nuosekliai sujungtų pakopų.

Svertiniai vidurkiai: nuo izotopų masių iki atominės masės

Periodinėje lentelėje nurodyta atominė masė nėra kurio nors vieno atomo masė. Tai vidutinė elemento atomų masė įprastame mėginyje, pasverta pagal tai, kiek paplitęs kiekvienas izotopas. Padauginkite kiekvieno izotopo masę iš jo dalinės gausos ir sudėkite sandaugas. Dalių suma turi būti lygi 1.

2 išspręstas pavyzdys. Magnis turi tris stabilius izotopus. Pagal NIST lenteles „Atomic Weights and Isotopic Compositions“: ²⁴Mg, 23.985042 u, gausa 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Sandaugos yra 18.94578, 2.49858 ir 2.86068 u, o jų suma – 24.30505 u. Griežtai taikant reikšminių skaitmenų taisykles keturženklėms gausoms, tai būtų suapvalinta iki 24.31 u. Palikus tris skaitmenis po kablelio, gaunama 24.305 u – įprastinė vertė, išspausdinta daugumoje periodinių lentelių.

Atlikite tą patį skaičiavimą chlorui, naudodami ³⁵Cl, kurio masė 34.968853 u ir gausa 0.7576, ir ³⁷Cl, kurio masė 36.965903 u ir gausa 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Greitas įvertis padeda pastebėti klaidas: vidurkis turi būti tarp izotopų masių ir arčiau gausesniojo izotopo masės.

Skaičiavimas atgal: izotopo gausos radimas

Jei elementas turi du izotopus ir žinote atominę masę, galite apskaičiuoti gausas. Pirmojo izotopo dalį pažymėkite x; tada antrojo dalis yra 1 − x. Užrašykite svertinį vidurkį kaip lygtį ir išspręskite ją x atžvilgiu.

3 išspręstas pavyzdys. Vario standartinė atominė masė yra 63.546, ir jis turi du stabilius izotopus: ⁶³Cu, kurio masė 62.929598 u, ir ⁶⁵Cu, kurio masė 64.927790 u (NIST). Tada 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Pertvarkius gaunama x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Taigi varis sudarytas iš 69.15% ⁶³Cu ir 30.85% ⁶⁵Cu, o tai atkuria NIST gausas 0.6915 ir 0.3085.

Šis metodas tinka tik dviem izotopams. Kai jų trys, vienas vidurkis duoda vieną lygtį su dviem nežinomaisiais, ir reikia dar vieno matavimo, pavyzdžiui, masių spektro.

Izotopų vaizdai masių spektre

Masių spektrometras jonizuoja mėginį, atskiria jonus pagal masės ir krūvio santykį ir užregistruoja, kiek jų pasiekia kiekvieną vertę. Vieno elemento atveju smailių aukščiai tiesiogiai parodo izotopų gausas. Molekulėse izotopai jungiasi ir sukuria atpažįstamus vaizdus.

4 išspręstas pavyzdys. Numatykite Cl₂ molekulinio jono smailių vaizdą. Tegul p = 0.7576 izotopui ³⁵Cl ir q = 0.2424 izotopui ³⁷Cl. Molekulė yra ³⁵Cl–³⁵Cl (masė 70) su tikimybe p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masė 72) su tikimybe 2pq = 0.3673 ir ³⁷Cl–³⁷Cl (masė 74) su tikimybe q² = 0.0588. Daugiklis 2 įvertina du būdus gauti po vieną kiekvieno izotopo. Perskaičiavus taip, kad aukščiausia smailė būtų 100, vaizdas yra 100 : 64.0 : 10.2.

Iš to išplaukia dvi paprastos taisyklės. Junginys su vienu chloro atomu rodo smailes, nutolusias per du masės vienetus, kurių santykis yra maždaug 3 : 1, nes p/q = 3.13. Junginys su vienu bromo atomu rodo dvi beveik vienodo aukščio smailes, nes NIST nurodo ⁷⁹Br gausą 0.5069, o ⁸¹Br – 0.4931.

Atomo sandaros klaidos, kainuojančios taškų

Dauguma klaidų kyla supainiojus tris skaičius arba laikant atominę masę vieno atomo savybe. Prieš ką nors skaičiuodami, užsirašykite Z, A ir krūvį.

• Protonų skaičiaus keitimas norint gauti joną. Krūvis keičia tik elektronų skaičių; protonai lemia elementą.
• Elektronų pridėjimas teigiamam jonui. 3+ jonas turi trimis elektronais mažiau nei atomas.
• Atominės masės painiojimas su masės skaičiumi. Nė vieno chloro atomo masė nėra 35.45 u; tai maždaug 35 u ir 37 u masės atomų vidurkis.
• Procentų naudojimas kaip dalių nepadalijus iš 100, dėl ko gaunamas 100 kartų per didelis vidurkis.
• Pamirštas daugiklis 2 mišrioms izotopų poroms, pavyzdžiui, ³⁵Cl–³⁷Cl, numatant masių spektrą.
• Dviejų nuklidų vadinimas izotopais dėl to, kad jų masės skaičius vienodas. ¹⁴C ir ¹⁴N turi tą patį A, bet yra skirtingi elementai.

Masės defektas ir intervalinės atominės masės

Sudėjus šešių protonų, šešių neutronų ir šešių elektronų CODATA mases, gaunama 12.0989 u, tačiau anglies-12 atomo masė yra lygiai 12 u. Trūkstami 0.0989 u, maždaug 0.82% visos masės, atitinka energiją, išsiskyrusią susidarant branduoliui. Dėl šio masės defekto izotopų masės nėra sveikieji skaičiai, ir nuo jo pradedama skaičiuoti branduolio ryšio energija.

Kai kurių elementų izotopų sudėtis skirtinguose gamtiniuose šaltiniuose kinta tiek, kad IUPAC Izotopų gausų ir atominių masių komisija nurodo intervalą, o ne vieną skaičių. Chloro atominė masė pateikiama kaip [35.446, 35.457], o magnio – kaip [24.304, 24.307]. Įprastiniuose skaičiavimuose naudokite sutartines pavienes vertes 35.45 ir 24.305, nebent jūsų kurse nurodyta kitaip.