Atoma uzbūve un izotopi: no nuklīdu simboliem līdz atomsvaram

Protoni, neitroni un elektroni izmērītās vienībās

Protona lādiņš ir +1 elementārlādiņa vienībās, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, un elektrona lādiņš ir −1. Neitronam lādiņa nav. Masas parasti norāda atommasas vienībās (u, sauktas arī par daltoniem, Da), kur 1 u ir viena divpadsmitā daļa no oglekļa-12 atoma masas, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Saskaņā ar NIST publicētajām 2022. gada CODATA vērtībām protona masa ir 1.007276 u, neitrona 1.008665 u un elektrona 0.000549 u. Protons ir apmēram 1836 reizes smagāks par elektronu, tāpēc gandrīz visa atoma masa atrodas kodolā. Kodols ir arī sīks: tā rādiuss ir 10⁻¹⁵ m kārtā, bet atoma rādiuss ir 10⁻¹⁰ m kārtā. Tāpēc elektroni nosaka atoma izmēru un tā ķīmiju, bet kodols nosaka tā masu.

Nuklīdu simbolu nolasīšana un daļiņu skaitīšana jonos

Atomnumurs Z ir protonu skaits. Tas nosaka elementu: katrs atoms ar 17 protoniem ir hlors. Masas skaitlis A ir protonu un neitronu kopskaits, tāpēc neitronu skaits ir A − Z. Nuklīda simbolā A raksta kā augšējo indeksu un Z kā apakšējo indeksu elementa simbola kreisajā pusē, piemēram, ³⁵₁₇Cl. Tā kā simbols jau nosaka Z, apakšējo indeksu bieži izlaiž, iegūstot ³⁵Cl jeb hlors-35.

Elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu tikai neitrālā atomā. Jonam ar lādiņu q ir Z − q elektronu, tāpēc pozitīvs lādiņš nozīmē mazāk elektronu, bet negatīvs lādiņš nozīmē vairāk. Lādiņš nekad nemaina kodolu.

Risinātais piemērs 1. Jonam ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, tātad 26 protoni; 56 − 26 = 30 neitroni; 26 − 3 = 23 elektroni. Jonam ¹²⁷I⁻: 53 protoni, 127 − 53 = 74 neitroni un 53 + 1 = 54 elektroni. Jonam ³⁴S²⁻: 16 protoni, 18 neitroni un 18 elektroni. Ievērojiet, ka ³⁴S²⁻ ir tikpat elektronu kā argona atomam; jonus padara izoelektroniskus vienāds elektronu skaits, nevis vienādi masas skaitļi.

Kāpēc izotopi reaģē līdzīgi, bet atšķiras pēc masas

Izotopi ir atomi ar vienādu Z, bet atšķirīgu neitronu skaitu. Gan hloram-35, gan hloram-37 ir 17 protoni un, kā neitrāliem atomiem, 17 elektroni. Ķīmisko uzvedību nosaka elektroni, tāpēc abi izotopi veido tos pašus savienojumus tajās pašās attiecībās.

Īpašības, kas ir atkarīgas no masas, gan nedaudz atšķiras. Vieglākas molekulas noteiktā temperatūrā pārvietojas ātrāk, un saites ar smagākiem izotopiem reaģē nedaudz lēnāk. Smagiem elementiem šie efekti ir mazi. Urāna bagātināšana parāda, cik mazi. Saskaņā ar Grehema likumu ²³⁵UF₆ un ²³⁸UF₆ efūzijas ātrumu attiecība ir √(M₂/M₁). Izmantojot NIST izotopu masas, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol un M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, tāpēc attiecība ir √(352.041/349.034) = 1.0043. Viena izkļūšana caur barjeru bagātina vieglāko izotopu par mazāk nekā pusprocentu, tāpēc bagātināšanas rūpnīcām vajadzīgi daudzi secīgi posmi.

Svērtie vidējie: no izotopu masām līdz atomsvaram

Atomsvars periodiskajā tabulā nav neviena atsevišķa atoma masa. Tā ir elementa atomu vidējā masa parastā paraugā, svērta pēc tā, cik izplatīts ir katrs izotops. Reiziniet katra izotopa masu ar tā izplatības daļu un saskaitiet reizinājumus. Daļu summai jābūt 1.

Risinātais piemērs 2. Magnijam ir trīs stabili izotopi. Pēc NIST tabulām “Atomic Weights and Isotopic Compositions”: ²⁴Mg, 23.985042 u, izplatība 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Reizinājumi ir 18.94578, 2.49858 un 2.86068 u, un to summa ir 24.30505 u. Stingri nozīmīgo ciparu noteikumi, piemēroti četrciparu izplatībām, to noapaļotu līdz 24.31 u. Saglabājot trīs decimālzīmes, tas ir 24.305 u, ierastā vērtība, kas norādīta lielākajā daļā periodisko tabulu.

Veiciet to pašu aprēķinu hloram, izmantojot ³⁵Cl ar 34.968853 u un izplatību 0.7576 un ³⁷Cl ar 36.965903 u un 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Ātrs novērtējums palīdz pamanīt kļūdas: vidējam jāatrodas starp izotopu masām un tuvāk izplatītākajam izotopam.

Izotopu izplatības atrašana, rēķinot atpakaļ

Ja elementam ir divi izotopi un jūs zināt atomsvaru, varat aprēķināt izplatību. Apzīmējiet pirmā izotopa daļu ar x; tad otrā daļa ir 1 − x. Uzrakstiet svērto vidējo kā vienādojumu un atrisiniet to attiecībā pret x.

Risinātais piemērs 3. Varam ir standarta atomsvars 63.546 un divi stabili izotopi, ⁶³Cu ar 62.929598 u un ⁶⁵Cu ar 64.927790 u (NIST). Tad 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Pārveidojot iegūst x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Tātad varš ir 69.15% ⁶³Cu un 30.85% ⁶⁵Cu, kas atbilst NIST izplatībām 0.6915 un 0.3085.

Šī metode darbojas tikai diviem izotopiem. Ar trim izotopiem viens vidējais dod vienu vienādojumu ar diviem nezināmajiem, un vajadzīgs vēl viens mērījums, piemēram, masas spektrs.

Izotopu raksti masas spektrā

Masas spektrometrs jonizē paraugu, atdala jonus pēc masas un lādiņa attiecības un reģistrē, cik jonu ierodas pie katras vērtības. Vienam elementam pīķu augstumi tieši dod izotopu izplatību. Molekulās izotopi kombinējas un veido atpazīstamus rakstus.

Risinātais piemērs 4. Paredziet Cl₂ molekulārā jona rakstu. Pieņemsim p = 0.7576 izotopam ³⁵Cl un q = 0.2424 izotopam ³⁷Cl. Molekula ir ³⁵Cl–³⁵Cl (masa 70) ar varbūtību p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) ar varbūtību 2pq = 0.3673 un ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) ar varbūtību q² = 0.0588. Reizinātājs 2 ņem vērā divus veidus, kā iegūt pa vienam no katra. Mērogojot tā, lai augstākais pīķis būtu 100, raksts ir 100 : 64.0 : 10.2.

No tā izriet divi saīsinājumi. Savienojumam ar vienu hlora atomu ir pīķi ar divu masas vienību atstarpi aptuveni 3 : 1 attiecībā, jo p/q = 3.13. Savienojumam ar vienu broma atomu ir divi gandrīz vienāda augstuma pīķi, jo NIST norāda ⁷⁹Br ar 0.5069 un ⁸¹Br ar 0.4931.

Atoma uzbūves kļūdas, kas maksā punktus

Lielākā daļa kļūdu rodas, sajaucot trīs skaitus vai uzskatot atomsvaru par viena atoma īpašību. Pirms kaut ko skaitāt, pierakstiet Z, A un lādiņu.

• Protonu skaita mainīšana, lai iegūtu jonu. Lādiņš maina tikai elektronus; protoni nosaka elementu.
• Elektronu pievienošana pozitīvam jonam. 3+ jonam ir par trim elektroniem mazāk nekā atomam.
• Atomsvara uzskatīšana par masas skaitli. Nevienam hlora atomam nav masas 35.45 u; tas ir vidējais no atomiem ar aptuveni 35 u un 37 u.
• Procentu izmantošana kā daļu, nedalot ar 100, kas dod 100 reizes par lielu vidējo.
• Aizmirsts reizinātājs 2 jauktiem izotopu pāriem, piemēram, ³⁵Cl–³⁷Cl, paredzot masas spektru.
• Divu nuklīdu saukšana par izotopiem tāpēc, ka tiem ir vienāds masas skaitlis. ¹⁴C un ¹⁴N ir kopīgs A, bet tie ir dažādi elementi.

Masas defekts un atomsvaru intervāli

Saskaitot sešus protonus, sešus neitronus un sešus elektronus ar CODATA masām, iegūst 12.0989 u, tomēr oglekļa-12 atoma masa ir tieši 12 u. Trūkstošie 0.0989 u, aptuveni 0.82% no kopsummas, atbilst enerģijai, kas izdalījās, veidojoties kodolam. Šis masas defekts ir iemesls, kāpēc izotopu masas nav veseli skaitļi, un tas ir sākumpunkts kodola saites enerģijai.

Dažiem elementiem izotopu sastāvs dažādos dabiskos avotos atšķiras tik daudz, ka IUPAC Izotopu izplatības un atomsvaru komisija norāda intervālu, nevis vienu skaitli. Hlors ir norādīts kā [35.446, 35.457] un magnijs kā [24.304, 24.307]. Parastos aprēķinos izmantojiet ierastās atsevišķās vērtības 35.45 un 24.305, ja vien jūsu kurss nenosaka citādi.