Атомын бүтэц ба изотоп: нуклидын тэмдэглэгээнээс атомын жин хүртэл

Хэмжсэн нэгж дэх протон, нейтрон ба электрон

Протон элементар цэнэгийн нэгжээр +1 цэнэгтэй, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, электрон −1 цэнэгтэй. Нейтрон цэнэггүй. Массыг ихэвчлэн атомын массын нэгдсэн нэгжээр (u, мөн дальтон, Da гэж нэрлэдэг) өгдөг бөгөөд 1 u нь нүүрстөрөгч-12 атомын массын арван хоёрны нэг, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST-ийн нийтэлсэн 2022 оны CODATA утгаар протон 1.007276 u, нейтрон 1.008665 u, электрон 0.000549 u. Протон электроноос ойролцоогоор 1836 дахин хүнд тул атомын массын бараг бүх нь цөмд оршдог. Цөм бас өчүүхэн: түүний радиус 10⁻¹⁵ m-ийн эрэмбэтэй, харин атомын радиус 10⁻¹⁰ m-ийн эрэмбэтэй. Иймээс электронууд атомын хэмжээ ба химийн шинжийг, цөм түүний массыг тодорхойлно.

Нуклидын тэмдэглэгээг унших ба ион дахь бөөмсийг тоолох

Атомын дугаар Z нь протоны тоо. Энэ нь элементийг тодорхойлно: 17 протонтой атом бүр хлор. Массын тоо A нь протон ба нейтроны нийт тоо тул нейтроны тоо A − Z. Нуклидын тэмдэглэгээ нь элементийн тэмдгийн зүүн дээд индексээр A-г, зүүн доод индексээр Z-г бичдэг, ³⁵₁₇Cl гэх мэт. Тэмдэг өөрөө Z-г тогтоодог тул доод индексийг ихэвчлэн орхиж ³⁵Cl эсвэл хлор-35 гэж бичдэг.

Электроны тоо зөвхөн саармаг атомд протоны тоотой тэнцүү. q цэнэгтэй ион Z − q электронтой тул эерэг цэнэг цөөн электрон, сөрөг цэнэг илүү электрон гэсэн үг. Цэнэг цөмийг хэзээ ч өөрчилдөггүй.

1-р жишээ. ⁵⁶Fe³⁺-ийн хувьд: Z = 26, иймээс 26 протон; 56 − 26 = 30 нейтрон; 26 − 3 = 23 электрон. ¹²⁷I⁻-ийн хувьд: 53 протон, 127 − 53 = 74 нейтрон, 53 + 1 = 54 электрон. ³⁴S²⁻-ийн хувьд: 16 протон, 18 нейтрон, 18 электрон. ³⁴S²⁻ нь аргоны атомтай ижил тооны электронтой гэдгийг анзаар; ионуудыг изоэлектрон болгодог нь массын тоо таарах биш, электроны тоо таарах явдал.

Изотопууд яагаад ижил урвалд ордог ч массаараа ялгаатай вэ

Изотопууд нь Z ижил боловч нейтроны тоо өөр атомууд. Хлор-35 ба хлор-37 хоёулаа 17 протонтой бөгөөд саармаг атом байхдаа 17 электронтой. Химийн шинжийг электронууд удирддаг тул хоёр изотоп ижил нэгдлүүдийг ижил харьцаагаар үүсгэнэ.

Массаас хамаардаг шинж чанарууд бага зэрэг ялгаатай. Өгөгдсөн температурт хөнгөн молекулууд илүү хурдан хөдөлж, хүнд изотоптой холбоо арай удаан урвалд ордог. Хүнд элементүүдэд эдгээр нөлөө бага. Ураныг баяжуулах нь хэр бага болохыг харуулна. Грэмийн хуулиар ²³⁵UF₆ ба ²³⁸UF₆-ийн эффузийн хурдны харьцаа √(M₂/M₁). NIST-ийн изотопын массаар M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol ба M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol тул харьцаа √(352.041/349.034) = 1.0043. Хаалтаар нэг удаа нэвтрэхэд хөнгөн изотоп хагас хувиас бага баяждаг тул баяжуулах үйлдвэрүүд дараалсан олон шат шаарддаг.

Жинлэсэн дундаж: изотопын массаас атомын жин хүртэл

Үелэх систем дээрх атомын жин нь аль нэг атомын масс биш. Энэ нь ердийн дээж дэх элементийн атомуудын дундаж масс бөгөөд изотоп бүр хэр түгээмэл байгаагаар жинлэгдсэн. Изотоп бүрийн массыг түүний хувь тархалтаар үржүүлж, үржвэрүүдийг нэм. Хувиудын нийлбэр 1 байх ёстой.

2-р жишээ. Магни гурван тогтвортой изотоптой. NIST-ийн Atomic Weights and Isotopic Compositions хүснэгтээс: ²⁴Mg, 23.985042 u, тархалт 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Үржвэрүүд 18.94578, 2.49858 ба 2.86068 u, нийлбэр нь 24.30505 u. Дөрвөн цифртэй тархалтад ач холбогдолтой цифрийн дүрмийг чанд мөрдвөл үүнийг 24.31 u болгон бөөрөнхийлнө. Аравтын гурван оронтой үлдээвэл 24.305 u, ихэнх үелэх систем дээр хэвлэгддэг заншлын утга.

Ижил тооцоог хлорт хий: ³⁵Cl 34.968853 u, тархалт 0.7576, ³⁷Cl 36.965903 u, 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Хурдан тооцоолол алдааг барина: дундаж изотопуудын массын хооронд, илүү элбэг изотоп руу ойр байх ёстой.

Буцаж бодож изотопын тархалтыг олох

Хэрэв элемент хоёр изотоптой бөгөөд атомын жинг нь мэдэж байвал тархалтыг бодож олж болно. Эхний изотопын хувийг x гэж тэмдэглэ; тэгвэл хоёр дахь нь 1 − x. Жинлэсэн дунджийг тэгшитгэл болгон бичиж x-ийг ол.

3-р жишээ. Зэс 63.546 стандарт атомын жинтэй бөгөөд ⁶³Cu 62.929598 u ба ⁶⁵Cu 64.927790 u гэсэн хоёр тогтвортой изотоптой (NIST). Тэгвэл 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Хувиргавал x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Иймээс зэс 69.15% ⁶³Cu ба 30.85% ⁶⁵Cu бөгөөд энэ нь NIST-ийн 0.6915 ба 0.3085 тархалтыг давтана.

Энэ арга зөвхөн хоёр изотопод ажиллана. Гурван изотоптой бол нэг дундаж хоёр үл мэдэгдэгчтэй нэг тэгшитгэл өгөх тул масс-спектр гэх мэт өөр хэмжилт хэрэгтэй.

Масс-спектр дэх изотопын хэв маяг

Масс-спектрометр дээжийг ионжуулж, ионуудыг масс-цэнэгийн харьцаагаар нь салгаж, утга бүрт хэд нь ирснийг бүртгэнэ. Ганц элементийн хувьд оргилуудын өндөр изотопын тархалтыг шууд өгнө. Молекулуудад изотопууд хослон танигдахуйц хэв маяг үүсгэнэ.

4-р жишээ. Cl₂-ийн молекул ионы хэв маягийг таамагла. ³⁵Cl-д p = 0.7576, ³⁷Cl-д q = 0.2424 гэж ав. Молекул ³⁵Cl–³⁵Cl (масс 70) байх магадлал p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (масс 72) байх магадлал 2pq = 0.3673, ³⁷Cl–³⁷Cl (масс 74) байх магадлал q² = 0.0588. 2 гэсэн үржигдэхүүн нь тус бүрээс нэгийг авах хоёр аргыг тоолно. Хамгийн өндөр оргилыг 100 болгон масштаблавал хэв маяг 100 : 64.0 : 10.2.

Үүнээс хоёр товчлол гарна. Нэг хлорын атомтай нэгдэл хоёр массын нэгжээр зөрсөн оргилуудыг ойролцоогоор 3 : 1 харьцаатай харуулна, учир нь p/q = 3.13. Нэг бромын атомтай нэгдэл бараг ижил өндөртэй хоёр оргил харуулна, учир нь NIST ⁷⁹Br-ийг 0.5069, ⁸¹Br-ийг 0.4931 гэж жагсаадаг.

Оноо алдагдуулдаг атомын бүтцийн алдаанууд

Ихэнх алдаа гурван тоог хольж хутгахаас эсвэл атомын жинг ганц атомын шинж чанар гэж үзэхээс үүснэ. Юуг ч тоолохоосоо өмнө Z, A ба цэнэгийг бич.

• Ион үүсгэхийн тулд протоны тоог өөрчлөх. Цэнэг зөвхөн электроныг өөрчилнө; протонууд элементийг тогтооно.
• Эерэг ионд электрон нэмэх. 3+ ион атомаас гурван электроноор цөөн.
• Атомын жинг массын тоо гэж унших. Ямар ч хлорын атом 35.45 u масстай биш; энэ нь ойролцоогоор 35 u ба 37 u масстай атомуудын дундаж.
• Хувийг 100-д хуваалгүйгээр бутархай мэт ашиглах нь дунджийг 100 дахин их гаргана.
• Масс-спектрийг таамаглахдаа ³⁵Cl–³⁷Cl гэх мэт холимог изотопын хосын 2 гэсэн үржигдэхүүнийг мартах.
• Хоёр нуклидыг массын тоо нь ижил учраас изотоп гэж нэрлэх. ¹⁴C ба ¹⁴N ижил A-тай боловч өөр элементүүд.

Массын дутагдал ба интервал атомын жин

CODATA-ийн массаар зургаан протон, зургаан нейтрон, зургаан электроныг нэмбэл 12.0989 u гарна, гэтэл нүүрстөрөгч-12 атом яг 12 u. Дутуу 0.0989 u буюу нийтийн ойролцоогоор 0.82% нь цөм үүсэхэд ялгарсан энергид харгалзана. Энэ массын дутагдал нь изотопын масс бүхэл тоо биш байдгийн шалтгаан бөгөөд цөмийн холбоосын энергийн эхлэл цэг юм.

Зарим элементийн изотопын хольц байгалийн эх үүсвэрүүдийн хооронд хангалттай их хэлбэлздэг тул IUPAC-ийн Изотопын тархалт ба атомын жингийн комисс ганц тооны оронд интервал мэдээлдэг. Хлорыг [35.446, 35.457], магнийг [24.304, 24.307] гэж жагсаасан. Ердийн тооцоонд хичээл тань өөрөөр заагаагүй бол заншлын ганц утга 35.45 ба 24.305-ыг ашигла.