अणू संरचना आणि समस्थानिक: न्यूक्लाइड चिन्हांपासून अणुभारापर्यंत

मोजलेल्या एककांमधील प्रोटॉन, न्यूट्रॉन आणि इलेक्ट्रॉन

मूलभूत प्रभार, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, च्या एककांत प्रोटॉनवर +1 प्रभार असतो आणि इलेक्ट्रॉनवर −1 असतो. न्यूट्रॉनवर प्रभार नसतो. वस्तुमाने सहसा एकीकृत अणू वस्तुमान एककांत (u, ज्यांना डाल्टन, Da, असेही म्हणतात) दिली जातात, जेथे 1 u म्हणजे कार्बन-12 अणूच्या वस्तुमानाचा एक बारांश, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST ने प्रकाशित केलेल्या 2022 च्या CODATA मूल्यांनुसार प्रोटॉन 1.007276 u, न्यूट्रॉन 1.008665 u आणि इलेक्ट्रॉन 0.000549 u आहे. प्रोटॉन इलेक्ट्रॉनपेक्षा सुमारे 1836 पट जड आहे, म्हणून अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान केंद्रकात असते. केंद्रकही अतिशय लहान असते: त्याची त्रिज्या 10⁻¹⁵ m च्या कोटीची असते, तर अणूची त्रिज्या 10⁻¹⁰ m च्या कोटीची असते. म्हणून इलेक्ट्रॉन अणूचा आकार आणि त्याचे रसायनशास्त्र ठरवतात, आणि केंद्रक त्याचे वस्तुमान ठरवते.

न्यूक्लाइड चिन्हे वाचणे आणि आयनांमधील कण मोजणे

अणुअंक Z म्हणजे प्रोटॉनची संख्या. तो मूलद्रव्य निश्चित करतो: 17 प्रोटॉन असलेला प्रत्येक अणू क्लोरीन असतो. वस्तुमानांक A म्हणजे प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉनची एकूण संख्या, म्हणून न्यूट्रॉनची संख्या A − Z असते. न्यूक्लाइड चिन्ह मूलद्रव्याच्या चिन्हावर A डावीकडील उर्ध्वलिपी म्हणून आणि Z डावीकडील अधोलिपी म्हणून लिहिते, जसे ³⁵₁₇Cl. चिन्हाने Z आधीच निश्चित होत असल्याने अधोलिपी अनेकदा वगळली जाते, आणि ³⁵Cl किंवा क्लोरीन-35 असे लिहिले जाते.

इलेक्ट्रॉनांची संख्या प्रोटॉनइतकी फक्त उदासीन अणूमध्ये असते. q प्रभार असलेल्या आयनामध्ये Z − q इलेक्ट्रॉन असतात, म्हणून धन प्रभार म्हणजे कमी इलेक्ट्रॉन आणि ऋण प्रभार म्हणजे अधिक इलेक्ट्रॉन. प्रभारामुळे केंद्रक कधीही बदलत नाही.

सोडवलेले उदाहरण 1. ⁵⁶Fe³⁺ साठी: Z = 26, म्हणून 26 प्रोटॉन; 56 − 26 = 30 न्यूट्रॉन; 26 − 3 = 23 इलेक्ट्रॉन. ¹²⁷I⁻ साठी: 53 प्रोटॉन, 127 − 53 = 74 न्यूट्रॉन आणि 53 + 1 = 54 इलेक्ट्रॉन. ³⁴S²⁻ साठी: 16 प्रोटॉन, 18 न्यूट्रॉन आणि 18 इलेक्ट्रॉन. लक्षात घ्या की ³⁴S²⁻ मध्ये आर्गन अणूइतकेच इलेक्ट्रॉन आहेत; आयन समइलेक्ट्रॉनिक ठरतात ते जुळणाऱ्या इलेक्ट्रॉन संख्येमुळे, जुळणाऱ्या वस्तुमानांकांमुळे नव्हे.

समस्थानिक सारख्याच अभिक्रिया का करतात पण वस्तुमानात का वेगळे असतात

समस्थानिक म्हणजे Z समान पण न्यूट्रॉनची संख्या वेगवेगळी असलेले अणू. क्लोरीन-35 आणि क्लोरीन-37 या दोघांमध्येही 17 प्रोटॉन असतात आणि, उदासीन अणू म्हणून, 17 इलेक्ट्रॉन असतात. रासायनिक वर्तन इलेक्ट्रॉन नियंत्रित करतात, म्हणून दोन्ही समस्थानिक त्याच गुणोत्तरांत तीच संयुगे बनवतात.

वस्तुमानावर अवलंबून असलेले गुणधर्म मात्र थोडे वेगळे असतात. दिलेल्या तापमानावर हलके रेणू अधिक वेगाने हालचाल करतात, आणि जड समस्थानिकांशी असलेले बंध थोड्या मंद गतीने अभिक्रिया करतात. जड मूलद्रव्यांसाठी हे परिणाम लहान असतात. युरेनियम समृद्धीकरण ते किती लहान आहेत ते दाखवते. ग्रॅहॅमच्या नियमानुसार ²³⁵UF₆ आणि ²³⁸UF₆ यांच्या निःसरण दरांचे गुणोत्तर √(M₂/M₁) असते. NIST समस्थानिक वस्तुमाने वापरून M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol आणि M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, म्हणून गुणोत्तर √(352.041/349.034) = 1.0043 आहे. अडथळ्यातून एकदा गेल्याने हलका समस्थानिक अर्ध्या टक्क्यापेक्षा कमी समृद्ध होतो, म्हणूनच समृद्धीकरण संयंत्रांना एकामागोमाग अनेक टप्पे लागतात.

भारित सरासरी: समस्थानिक वस्तुमानांपासून अणुभारापर्यंत

आवर्त सारणीवरील अणुभार हे कोणत्याही एका अणूचे वस्तुमान नसते. ते सामान्य नमुन्यातील त्या मूलद्रव्याच्या अणूंचे सरासरी वस्तुमान असते, प्रत्येक समस्थानिक किती सामान्य आहे त्यानुसार भारित. प्रत्येक समस्थानिकाच्या वस्तुमानाला त्याच्या अंशात्मक विपुलतेने गुणा आणि गुणाकार जोडा. अंशांची बेरीज 1 असली पाहिजे.

सोडवलेले उदाहरण 2. मॅग्नेशियमचे तीन स्थिर समस्थानिक आहेत. NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions तक्त्यांवरून: ²⁴Mg, 23.985042 u, विपुलता 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. गुणाकार 18.94578, 2.49858 आणि 2.86068 u आहेत, आणि त्यांची बेरीज 24.30505 u आहे. चार-अंकी विपुलतांना सार्थ अंकांचे काटेकोर नियम लावल्यास हे 24.31 u पर्यंत पूर्णांकित होईल. तीन दशांश स्थानांपर्यंत ठेवल्यास ते 24.305 u आहे, बहुतेक आवर्त सारण्यांवर छापलेले रूढ मूल्य.

हीच गणना क्लोरीनसाठी करा, 0.7576 विपुलतेसह 34.968853 u वरील ³⁵Cl आणि 0.2424 सह 36.965903 u वरील ³⁷Cl वापरून: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. झटपट अंदाज चुका पकडतो: सरासरी समस्थानिक वस्तुमानांच्या दरम्यान आणि अधिक विपुल समस्थानिकाच्या जवळ असली पाहिजे.

उलट दिशेने काम करून समस्थानिकाची विपुलता शोधणे

एखाद्या मूलद्रव्याचे दोन समस्थानिक असतील आणि तुम्हाला अणुभार माहीत असेल, तर तुम्ही विपुलता सोडवू शकता. पहिल्या समस्थानिकाच्या अंशाला x म्हणा; मग दुसरा 1 − x असतो. भारित सरासरी समीकरण म्हणून लिहा आणि x सोडवा.

सोडवलेले उदाहरण 3. तांब्याचा प्रमाणित अणुभार 63.546 आहे आणि त्याचे दोन स्थिर समस्थानिक आहेत, 62.929598 u वरील ⁶³Cu आणि 64.927790 u वरील ⁶⁵Cu (NIST). मग 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. पुनर्मांडणी केल्यास x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 मिळते. म्हणून तांबे 69.15% ⁶³Cu आणि 30.85% ⁶⁵Cu आहे, जे NIST च्या 0.6915 आणि 0.3085 या विपुलता पुन्हा देते.

ही पद्धत फक्त दोन समस्थानिकांसाठी चालते. तीन असल्यास, एक सरासरी दोन अज्ञातांचे एकच समीकरण देते, आणि तुम्हाला आणखी एक मापन लागते, जसे वस्तुमान वर्णपट.

वस्तुमान वर्णपटातील समस्थानिक नमुने

वस्तुमान वर्णपटमापक नमुन्याचे आयनीकरण करतो, आयनांना वस्तुमान-प्रभार गुणोत्तरानुसार वेगळे करतो आणि प्रत्येक मूल्यावर किती आयन पोहोचतात याची नोंद करतो. एकाच मूलद्रव्यासाठी शिखरांच्या उंची थेट समस्थानिकांची विपुलता देतात. रेणूंसाठी समस्थानिक एकत्र येऊन ओळखता येण्याजोगे नमुने निर्माण करतात.

सोडवलेले उदाहरण 4. Cl₂ च्या आण्विक-आयन नमुन्याचा अंदाज बांधा. ³⁵Cl साठी p = 0.7576 आणि ³⁷Cl साठी q = 0.2424 माना. रेणू p² = 0.5740 संभाव्यतेने ³⁵Cl–³⁵Cl (वस्तुमान 70), 2pq = 0.3673 संभाव्यतेने ³⁵Cl–³⁷Cl (वस्तुमान 72), आणि q² = 0.0588 संभाव्यतेने ³⁷Cl–³⁷Cl (वस्तुमान 74) असतो. 2 चा गुणक प्रत्येकी एक मिळण्याचे दोन मार्ग मोजतो. सर्वात उंच शिखर 100 होईल असे प्रमाणित केल्यास नमुना 100 : 64.0 : 10.2 आहे.

यातून दोन शॉर्टकट मिळतात. एक क्लोरीन अणू असलेले संयुग दोन वस्तुमान एकक अंतरावरील शिखरे सुमारे 3 : 1 च्या गुणोत्तरात दाखवते, कारण p/q = 3.13. एक ब्रोमीन अणू असलेले संयुग जवळजवळ समान उंचीची दोन शिखरे दाखवते, कारण NIST ⁷⁹Br 0.5069 वर आणि ⁸¹Br 0.4931 वर नोंदवते.

गुण गमवायला लावणाऱ्या अणू-संरचनेच्या चुका

बहुतेक चुका तीन संख्यांची सरमिसळ केल्यामुळे किंवा अणुभाराला एकाच अणूचा गुणधर्म मानल्यामुळे होतात. काहीही मोजण्यापूर्वी Z, A आणि प्रभार लिहा.

• आयन बनवण्यासाठी प्रोटॉनची संख्या बदलणे. प्रभार फक्त इलेक्ट्रॉन बदलतो; प्रोटॉन मूलद्रव्य निश्चित करतात.
• धन आयनासाठी इलेक्ट्रॉन जोडणे. 3+ आयनामध्ये अणूपेक्षा तीन इलेक्ट्रॉन कमी असतात.
• अणुभाराला वस्तुमानांक समजणे. कोणत्याही क्लोरीन अणूचे वस्तुमान 35.45 u नसते; ते सुमारे 35 u आणि 37 u वरील अणूंची सरासरी आहे.
• टक्केवारींना 100 ने न भागता अंश म्हणून वापरणे, ज्यामुळे सरासरी 100 पट मोठी येते.
• वस्तुमान वर्णपटाचा अंदाज बांधताना ³⁵Cl–³⁷Cl सारख्या मिश्र समस्थानिक जोड्यांसाठी 2 चा गुणक विसरणे.
• दोन न्यूक्लाइड्सचा वस्तुमानांक समान आहे म्हणून त्यांना समस्थानिक म्हणणे. ¹⁴C आणि ¹⁴N यांचा A सारखा आहे पण ती वेगवेगळी मूलद्रव्ये आहेत.

वस्तुमान त्रुटी आणि मध्यांतर अणुभार

CODATA वस्तुमाने वापरून सहा प्रोटॉन, सहा न्यूट्रॉन आणि सहा इलेक्ट्रॉन जोडल्यास 12.0989 u मिळतात, तरीही कार्बन-12 अणू नेमका 12 u असतो. गहाळ 0.0989 u, एकूणच्या सुमारे 0.82%, केंद्रक बनताना मुक्त झालेल्या ऊर्जेशी संबंधित आहे. या वस्तुमान त्रुटीमुळेच समस्थानिक वस्तुमाने पूर्ण संख्या नसतात, आणि केंद्रकीय बंधन ऊर्जेचा हाच प्रारंभबिंदू आहे.

काही मूलद्रव्यांसाठी समस्थानिकांचे मिश्रण नैसर्गिक स्रोतांनुसार इतके बदलते की IUPAC चा Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights एकाच संख्येऐवजी मध्यांतर नोंदवतो. क्लोरीन [35.446, 35.457] आणि मॅग्नेशियम [24.304, 24.307] असे नोंदवलेले आहेत. सामान्य गणनांसाठी, तुमचा अभ्यासक्रम वेगळे सांगत नसेल तर, 35.45 आणि 24.305 ही रूढ एकल मूल्ये वापरा.