Атомска структура и изотопи: од симболите на нуклидите до атомската тежина

Протони, неутрони и електрони во мерни единици

Протонот носи полнеж од +1 во единици на елементарниот полнеж, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, а електронот носи −1. Неутронот нема полнеж. Масите обично се даваат во унифицирани атомски единици за маса (u, наречени и далтони, Da), каде 1 u е една дванаесеттина од масата на атомот на јаглерод-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Според вредностите CODATA од 2022 година објавени од NIST, протонот има 1.007276 u, неутронот 1.008665 u, а електронот 0.000549 u. Протонот е околу 1836 пати потежок од електронот, па речиси целата маса на атомот се наоѓа во јадрото. Јадрото е и многу мало: неговиот радиус е од редот на 10⁻¹⁵ m, додека радиусот на атомот е од редот на 10⁻¹⁰ m. Затоа електроните ги определуваат големината и хемијата на атомот, а јадрото ја определува неговата маса.

Читање симболи на нуклиди и броење честички во јоните

Атомскиот број Z е бројот на протони. Тој го дефинира елементот: секој атом со 17 протони е хлор. Масениот број A е вкупниот број протони и неутрони, па бројот на неутрони е A − Z. Симболот на нуклидот го пишува A како лев горен индекс и Z како лев долен индекс до симболот на елементот, како во ³⁵₁₇Cl. Бидејќи симболот веќе го определува Z, долниот индекс често се испушта, па се добива ³⁵Cl или хлор-35.

Бројот на електрони е еднаков на бројот на протони само кај неутрален атом. Јонот со полнеж q има Z − q електрони, па позитивниот полнеж значи помалку електрони, а негативниот повеќе. Полнежот никогаш не го менува јадрото.

Решен пример 1. За ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, значи 26 протони; 56 − 26 = 30 неутрони; 26 − 3 = 23 електрони. За ¹²⁷I⁻: 53 протони, 127 − 53 = 74 неутрони и 53 + 1 = 54 електрони. За ³⁴S²⁻: 16 протони, 18 неутрони и 18 електрони. Забележете дека ³⁴S²⁻ има ист број електрони како атомот на аргон; јоните ги прави изоелектронски еднаквиот број електрони, а не еднаквиот масен број.

Зошто изотопите реагираат слично, а се разликуваат по маса

Изотопите се атоми со ист Z, но со различен број неутрони. Хлор-35 и хлор-37 имаат по 17 протони и, како неутрални атоми, по 17 електрони. Хемиското однесување го контролираат електроните, па двата изотопа ги образуваат истите соединенија во истите односи.

Својствата што зависат од масата сепак малку се разликуваат. Полесните молекули се движат побрзо на дадена температура, а врските со потешките изотопи реагираат малку побавно. Овие ефекти се мали кај тешките елементи. Збогатувањето на ураниумот покажува колку се мали. Според Грејамовиот закон, брзините на ефузија на ²³⁵UF₆ и ²³⁸UF₆ се во однос √(M₂/M₁). Со масите на изотопите од NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol и M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, па односот е √(352.041/349.034) = 1.0043. Едно минување низ преграда го збогатува полесниот изотоп за помалку од половина процент, и затоа на постројките за збогатување им се потребни многу степени поврзани сериски.

Пондерирани просеци: од масите на изотопите до атомската тежина

Атомската тежина во периодниот систем не е масата на ниту еден поединечен атом. Таа е просечната маса на атомите на елементот во нормален примерок, пондерирана според тоа колку е застапен секој изотоп. Помножете ја масата на секој изотоп со неговата застапеност изразена како дропка и соберете ги производите. Дропките мора да даваат збир 1.

Решен пример 2. Магнезиумот има три стабилни изотопи. Од табелите на NIST за атомски тежини и изотопски состави: ²⁴Mg, 23.985042 u, застапеност 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Производите се 18.94578, 2.49858 и 2.86068 u, а нивниот збир е 24.30505 u. Строгите правила за значајни цифри применети на застапеностите со четири цифри би го заокружиле ова на 24.31 u. Задржано на три децимални места, тоа е 24.305 u, вообичаената вредност отпечатена во повеќето периодни системи.

Направете ја истата пресметка за хлорот, со ³⁵Cl од 34.968853 u со застапеност 0.7576 и ³⁷Cl од 36.965903 u со 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Брза проценка фаќа грешки: просекот мора да лежи меѓу масите на изотопите и поблиску до позастапениот.

Пресметување наназад за наоѓање на застапеноста на изотопот

Ако елементот има два изотопа и ја знаете атомската тежина, можете да ги пресметате застапеностите. Означете го уделот на првиот изотоп со x; тогаш вториот е 1 − x. Запишете го пондерираниот просек како равенка и решете ја по x.

Решен пример 3. Бакарот има стандардна атомска тежина 63.546 и два стабилни изотопа, ⁶³Cu од 62.929598 u и ⁶⁵Cu од 64.927790 u (NIST). Тогаш 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Со преуредување се добива x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Значи бакарот е 69.15% ⁶³Cu и 30.85% ⁶⁵Cu, што ги репродуцира застапеностите од NIST од 0.6915 и 0.3085.

Овој метод функционира само за два изотопа. Со три, еден просек дава една равенка со две непознати, па ви треба уште едно мерење, како масен спектар.

Изотопски шеми во масениот спектар

Масениот спектрометар го јонизира примерокот, ги раздвојува јоните според односот маса–полнеж и бележи колку пристигнуваат при секоја вредност. За еден елемент, висините на пиковите директно ги даваат застапеностите на изотопите. Кај молекулите, изотопите се комбинираат и создаваат препознатливи шеми.

Решен пример 4. Предвидете ја шемата на молекулскиот јон на Cl₂. Нека p = 0.7576 за ³⁵Cl и q = 0.2424 за ³⁷Cl. Молекулата е ³⁵Cl–³⁵Cl (маса 70) со веројатност p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (маса 72) со веројатност 2pq = 0.3673 и ³⁷Cl–³⁷Cl (маса 74) со веројатност q² = 0.0588. Факторот 2 ги брои двата начина да се добие по еден од секој. Скалирана така што највисокиот пик е 100, шемата е 100 : 64.0 : 10.2.

Оттука следат две кратенки. Соединение со еден атом хлор покажува пикови оддалечени две масени единици во однос од околу 3 : 1, бидејќи p/q = 3.13. Соединение со еден атом бром покажува два пика со речиси еднаква висина, бидејќи NIST ги наведува ⁷⁹Br со 0.5069 и ⁸¹Br со 0.4931.

Грешки во атомската структура што чинат поени

Повеќето грешки доаѓаат од мешање на трите броја или од третирање на атомската тежина како својство на еден атом. Запишете ги Z, A и полнежот пред да броите што било.

• Менување на бројот на протони за да се добие јон. Полнежот ги менува само електроните; протоните го определуваат елементот.
• Додавање електрони за позитивен јон. Јонот 3+ има три електрони помалку од атомот.
• Читање на атомската тежина како масен број. Ниту еден атом на хлор нема маса од 35.45 u; тоа е просек на атоми од околу 35 u и 37 u.
• Користење проценти како дропки без делење со 100, што дава просек 100 пати преголем.
• Заборавање на факторот 2 за мешани изотопски парови, како ³⁵Cl–³⁷Cl, при предвидување масен спектар.
• Нарекување два нуклида изотопи бидејќи имаат ист масен број. ¹⁴C и ¹⁴N го делат A, но се различни елементи.

Масен дефект и интервални атомски тежини

Собирањето на шест протони, шест неутрони и шест електрони со масите од CODATA дава 12.0989 u, а сепак атомот на јаглерод-12 има точно 12 u. Недостасувачките 0.0989 u, околу 0.82% од вкупното, одговараат на енергијата ослободена кога се формирало јадрото. Овој масен дефект е причината зошто масите на изотопите не се цели броеви и е почетната точка за нуклеарната енергија на врзување.

Кај некои елементи, изотопскиот состав доволно варира меѓу природните извори, па Комисијата за изотопски застапености и атомски тежини на IUPAC наведува интервал наместо еден број. Хлорот е наведен како [35.446, 35.457], а магнезиумот како [24.304, 24.307]. За обични пресметки користете ги вообичаените единечни вредности, 35.45 и 24.305, освен ако вашиот курс не бара поинаку.