Struktur Atom dan Isotop: Daripada Simbol Nuklid kepada Jisim Atom

Proton, neutron dan elektron dalam unit terukur

Proton membawa cas +1 dalam unit cas asas, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, dan elektron membawa −1. Neutron tidak bercas. Jisim biasanya diberikan dalam unit jisim atom bersatu (u, juga dipanggil dalton, Da), dengan 1 u ialah satu perdua belas jisim atom karbon-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Berdasarkan nilai CODATA 2022 yang diterbitkan oleh NIST, proton ialah 1.007276 u, neutron ialah 1.008665 u dan elektron ialah 0.000549 u. Proton kira-kira 1836 kali lebih berat daripada elektron, jadi hampir semua jisim atom terletak dalam nukleus. Nukleus juga sangat kecil: jejarinya berperingkat 10⁻¹⁵ m, manakala jejari atom berperingkat 10⁻¹⁰ m. Oleh itu, elektron menentukan saiz atom dan sifat kimianya, dan nukleus menentukan jisimnya.

Membaca simbol nuklid dan mengira zarah dalam ion

Nombor atom Z ialah bilangan proton. Ia menentukan unsur: setiap atom dengan 17 proton ialah klorin. Nombor jisim A ialah jumlah proton dan neutron, jadi bilangan neutron ialah A − Z. Simbol nuklid menulis A sebagai superskrip kiri dan Z sebagai subskrip kiri pada simbol unsur, seperti dalam ³⁵₁₇Cl. Oleh sebab simbol itu sudah menetapkan Z, subskrip sering digugurkan, menghasilkan ³⁵Cl atau klorin-35.

Bilangan elektron sama dengan bilangan proton hanya dalam atom neutral. Ion dengan cas q mempunyai Z − q elektron, jadi cas positif bermakna lebih sedikit elektron dan cas negatif bermakna lebih banyak. Cas tidak pernah mengubah nukleus.

Contoh penyelesaian 1. Bagi ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, jadi 26 proton; 56 − 26 = 30 neutron; 26 − 3 = 23 elektron. Bagi ¹²⁷I⁻: 53 proton, 127 − 53 = 74 neutron dan 53 + 1 = 54 elektron. Bagi ³⁴S²⁻: 16 proton, 18 neutron dan 18 elektron. Perhatikan bahawa ³⁴S²⁻ mempunyai bilangan elektron yang sama dengan atom argon; bilangan elektron yang sepadan, bukan nombor jisim yang sepadan, yang menjadikan ion isoelektronik.

Mengapa isotop bertindak balas secara serupa tetapi berbeza jisim

Isotop ialah atom dengan Z yang sama tetapi bilangan neutron yang berbeza. Klorin-35 dan klorin-37 kedua-duanya mempunyai 17 proton dan, sebagai atom neutral, 17 elektron. Kelakuan kimia dikawal oleh elektron, jadi kedua-dua isotop membentuk sebatian yang sama dalam nisbah yang sama.

Sifat yang bergantung pada jisim memang berbeza sedikit. Molekul yang lebih ringan bergerak lebih pantas pada suhu tertentu, dan ikatan kepada isotop yang lebih berat bertindak balas sedikit lebih perlahan. Kesan ini kecil bagi unsur berat. Pengayaan uranium menunjukkan betapa kecilnya. Menurut hukum Graham, kadar efusi ²³⁵UF₆ dan ²³⁸UF₆ berada dalam nisbah √(M₂/M₁). Menggunakan jisim isotop NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol dan M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, jadi nisbahnya ialah √(352.041/349.034) = 1.0043. Satu laluan melalui penghadang memperkaya isotop yang lebih ringan kurang daripada setengah peratus, itulah sebabnya loji pengayaan memerlukan banyak peringkat secara bersiri.

Purata berwajaran: daripada jisim isotop kepada jisim atom

Jisim atom pada jadual berkala bukan jisim mana-mana satu atom. Ia ialah purata jisim atom unsur itu dalam sampel biasa, diwajarkan mengikut betapa lazimnya setiap isotop. Darabkan jisim setiap isotop dengan pecahan kelimpahannya dan tambahkan hasil darabnya. Pecahan-pecahan itu mesti berjumlah 1.

Contoh penyelesaian 2. Magnesium mempunyai tiga isotop stabil. Daripada jadual Atomic Weights and Isotopic Compositions NIST: ²⁴Mg, 23.985042 u, kelimpahan 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Hasil darabnya ialah 18.94578, 2.49858 dan 2.86068 u, dan jumlahnya ialah 24.30505 u. Peraturan angka bererti yang ketat, jika digunakan pada kelimpahan empat digit, akan membundarkan ini kepada 24.31 u. Jika dikekalkan kepada tiga tempat perpuluhan, ia ialah 24.305 u, nilai lazim yang dicetak pada kebanyakan jadual berkala.

Jalankan pengiraan yang sama bagi klorin, menggunakan ³⁵Cl pada 34.968853 u dengan kelimpahan 0.7576 dan ³⁷Cl pada 36.965903 u dengan 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Anggaran pantas dapat menangkap kesilapan: purata mesti terletak antara jisim isotop dan lebih dekat dengan isotop yang lebih melimpah.

Bekerja ke belakang untuk mencari kelimpahan isotop

Jika sesuatu unsur mempunyai dua isotop dan anda mengetahui jisim atomnya, anda boleh menyelesaikan kelimpahannya. Namakan pecahan isotop pertama sebagai x; isotop kedua kemudiannya ialah 1 − x. Tulis purata berwajaran sebagai persamaan dan selesaikan bagi x.

Contoh penyelesaian 3. Kuprum mempunyai jisim atom piawai 63.546 dan dua isotop stabil, ⁶³Cu pada 62.929598 u dan ⁶⁵Cu pada 64.927790 u (NIST). Maka 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Menyusun semula memberikan x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Jadi kuprum terdiri daripada 69.15% ⁶³Cu dan 30.85% ⁶⁵Cu, yang menghasilkan semula kelimpahan NIST 0.6915 dan 0.3085.

Kaedah ini hanya berfungsi untuk dua isotop. Dengan tiga, satu purata memberikan satu persamaan dengan dua anu, dan anda memerlukan satu lagi pengukuran, seperti spektrum jisim.

Corak isotop dalam spektrum jisim

Spektrometer jisim mengionkan sampel, memisahkan ion mengikut nisbah jisim kepada cas dan merekodkan berapa banyak yang tiba pada setiap nilai. Bagi satu unsur, ketinggian puncak memberikan kelimpahan isotop secara langsung. Bagi molekul, isotop bergabung dan menghasilkan corak yang mudah dikenali.

Contoh penyelesaian 4. Ramalkan corak ion molekul bagi Cl₂. Biarkan p = 0.7576 bagi ³⁵Cl dan q = 0.2424 bagi ³⁷Cl. Sesuatu molekul ialah ³⁵Cl–³⁵Cl (jisim 70) dengan kebarangkalian p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (jisim 72) dengan kebarangkalian 2pq = 0.3673, dan ³⁷Cl–³⁷Cl (jisim 74) dengan kebarangkalian q² = 0.0588. Faktor 2 mengira dua cara untuk mendapatkan satu daripada setiap isotop. Apabila diskalakan supaya puncak tertinggi ialah 100, coraknya ialah 100 : 64.0 : 10.2.

Dua jalan pintas terhasil. Sebatian dengan satu atom klorin menunjukkan puncak yang berjarak dua unit jisim dalam nisbah kira-kira 3 : 1, kerana p/q = 3.13. Sebatian dengan satu atom bromin menunjukkan dua puncak yang hampir sama tinggi, kerana NIST menyenaraikan ⁷⁹Br pada 0.5069 dan ⁸¹Br pada 0.4931.

Kesilapan struktur atom yang menyebabkan markah hilang

Kebanyakan kesilapan berpunca daripada mencampuradukkan tiga bilangan itu atau daripada menganggap jisim atom sebagai sifat satu atom. Tulis Z, A dan cas sebelum anda mengira apa-apa.

• Mengubah bilangan proton untuk membentuk ion. Cas hanya mengubah elektron; proton menetapkan unsur.
• Menambah elektron bagi ion positif. Ion 3+ mempunyai tiga elektron kurang daripada atomnya.
• Membaca jisim atom sebagai nombor jisim. Tiada atom klorin yang mempunyai jisim 35.45 u; ia ialah purata atom pada kira-kira 35 u dan 37 u.
• Menggunakan peratusan sebagai pecahan tanpa membahagi dengan 100, yang memberikan purata 100 kali terlalu besar.
• Terlupa faktor 2 bagi pasangan isotop bercampur, seperti ³⁵Cl–³⁷Cl, semasa meramalkan spektrum jisim.
• Menganggap dua nuklid sebagai isotop kerana mempunyai nombor jisim yang sama. ¹⁴C dan ¹⁴N berkongsi A tetapi ialah unsur yang berbeza.

Cacat jisim dan jisim atom berselang

Menambah enam proton, enam neutron dan enam elektron dengan jisim CODATA memberikan 12.0989 u, namun atom karbon-12 tepat 12 u. Jisim 0.0989 u yang hilang, kira-kira 0.82% daripada jumlah, sepadan dengan tenaga yang dibebaskan apabila nukleus terbentuk. Cacat jisim inilah sebabnya jisim isotop bukan nombor bulat, dan ia merupakan titik permulaan bagi tenaga ikatan nukleus.

Bagi sesetengah unsur, campuran isotop cukup berbeza antara sumber semula jadi sehingga Suruhanjaya IUPAC tentang Kelimpahan Isotop dan Jisim Atom melaporkan selang dan bukannya satu nombor. Klorin disenaraikan sebagai [35.446, 35.457] dan magnesium sebagai [24.304, 24.307]. Bagi pengiraan biasa, gunakan nilai tunggal lazim, 35.45 dan 24.305, melainkan kursus anda menyatakan sebaliknya.