परमाणु संरचना र समस्थानिक: न्युक्लाइड सङ्केतदेखि परमाणु भारसम्म

मापन गरिएका एकाइमा प्रोटोन, न्युट्रोन र इलेक्ट्रोन

प्रोटोनले प्राथमिक आवेशको एकाइमा +1 आवेश बोक्छ, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, र इलेक्ट्रोनले −1 बोक्छ। न्युट्रोनमा कुनै आवेश हुँदैन। द्रव्यमान सामान्यतः एकीकृत परमाणु द्रव्यमान एकाइमा दिइन्छ (u, जसलाई डाल्टन, Da, पनि भनिन्छ), जहाँ 1 u कार्बन-12 परमाणुको द्रव्यमानको बाह्रौँ भाग, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg, हो।

NIST ले प्रकाशित गरेका 2022 CODATA मानअनुसार प्रोटोन 1.007276 u, न्युट्रोन 1.008665 u र इलेक्ट्रोन 0.000549 u हुन्छ। प्रोटोन इलेक्ट्रोनभन्दा करिब 1836 गुणा भारी हुन्छ, त्यसैले परमाणुको लगभग सबै द्रव्यमान नाभिकमा हुन्छ। नाभिक निकै सानो पनि हुन्छ: यसको अर्धव्यास 10⁻¹⁵ m को क्रमको हुन्छ, जबकि परमाणुको अर्धव्यास 10⁻¹⁰ m को क्रमको हुन्छ। त्यसैले इलेक्ट्रोनले परमाणुको आकार र रसायनशास्त्र तय गर्छन्, र नाभिकले यसको द्रव्यमान तय गर्छ।

न्युक्लाइड सङ्केत पढ्ने र आयनमा कण गन्ने

परमाणु क्रमाङ्क Z भनेको प्रोटोनको सङ्ख्या हो। यसले तत्व परिभाषित गर्छ: 17 प्रोटोन भएको हरेक परमाणु क्लोरिन हो। द्रव्यमान सङ्ख्या A प्रोटोन र न्युट्रोनको कुल सङ्ख्या हो, त्यसैले न्युट्रोनको सङ्ख्या A − Z हुन्छ। न्युक्लाइड सङ्केतले तत्वको सङ्केतमा A लाई बायाँ माथिल्लो अंक र Z लाई बायाँ तल्लो अंकका रूपमा लेख्छ, जस्तै ³⁵₁₇Cl। सङ्केतले नै Z तय गर्ने भएकाले तल्लो अंक प्रायः हटाइन्छ, र ³⁵Cl वा क्लोरिन-35 लेखिन्छ।

तटस्थ परमाणुमा मात्र इलेक्ट्रोनको सङ्ख्या प्रोटोनको सङ्ख्या बराबर हुन्छ। q आवेश भएको आयनमा Z − q इलेक्ट्रोन हुन्छन्, त्यसैले धनात्मक आवेशको अर्थ कम इलेक्ट्रोन र ऋणात्मक आवेशको अर्थ बढी इलेक्ट्रोन हो। आवेशले नाभिकलाई कहिल्यै बदल्दैन।

हल गरिएको उदाहरण 1। ⁵⁶Fe³⁺ का लागि: Z = 26, त्यसैले 26 प्रोटोन; 56 − 26 = 30 न्युट्रोन; 26 − 3 = 23 इलेक्ट्रोन। ¹²⁷I⁻ का लागि: 53 प्रोटोन, 127 − 53 = 74 न्युट्रोन र 53 + 1 = 54 इलेक्ट्रोन। ³⁴S²⁻ का लागि: 16 प्रोटोन, 18 न्युट्रोन र 18 इलेक्ट्रोन। ध्यान दिनुहोस्, ³⁴S²⁻ मा आर्गन परमाणुमा जति नै इलेक्ट्रोन हुन्छन्; आयनलाई समइलेक्ट्रोनी बनाउने कुरा मिल्दो इलेक्ट्रोन सङ्ख्या हो, मिल्दो द्रव्यमान सङ्ख्या होइन।

समस्थानिकले किन उस्तै अभिक्रिया गर्छन् तर द्रव्यमानमा फरक हुन्छन्

समस्थानिक भनेका Z उही तर न्युट्रोनको सङ्ख्या फरक भएका परमाणु हुन्। क्लोरिन-35 र क्लोरिन-37 दुवैमा 17 प्रोटोन र, तटस्थ परमाणुका रूपमा, 17 इलेक्ट्रोन हुन्छन्। रासायनिक व्यवहार इलेक्ट्रोनले नियन्त्रण गर्छन्, त्यसैले दुवै समस्थानिकले उस्तै अनुपातमा उस्तै यौगिक बनाउँछन्।

द्रव्यमानमा निर्भर गर्ने गुण भने अलिकति फरक हुन्छन्। दिइएको तापक्रममा हल्का अणु छिटो चल्छन्, र भारी समस्थानिकसँगका बन्धले अलि ढिलो अभिक्रिया गर्छन्। भारी तत्वका लागि यी प्रभाव साना हुन्छन्। युरेनियम संवर्धनले यी कति साना छन् भनी देखाउँछ। ग्रेहामको नियमअनुसार ²³⁵UF₆ र ²³⁸UF₆ का निःसरण दर √(M₂/M₁) अनुपातमा हुन्छन्। NIST का समस्थानिक द्रव्यमान प्रयोग गर्दा M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol र M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, त्यसैले अनुपात √(352.041/349.034) = 1.0043 हुन्छ। अवरोधबाट एकपटक पार गर्दा हल्का समस्थानिक आधा प्रतिशतभन्दा कम मात्र संवर्धित हुन्छ, त्यसैले संवर्धन संयन्त्रलाई शृङ्खलामा धेरै चरण चाहिन्छन्।

भारित औसत: समस्थानिकको द्रव्यमानदेखि परमाणु भारसम्म

आवर्त तालिकामा भएको परमाणु भार कुनै एउटा परमाणुको द्रव्यमान होइन। यो सामान्य नमुनामा रहेका तत्वका परमाणुहरूको औसत द्रव्यमान हो, जुन प्रत्येक समस्थानिक कति सामान्य छ भन्ने आधारमा भारित हुन्छ। प्रत्येक समस्थानिकको द्रव्यमानलाई यसको भिन्नात्मक प्रचुरताले गुणन गर्नुहोस् र गुणनफलहरू जोड्नुहोस्। भिन्नहरूको योग 1 हुनुपर्छ।

हल गरिएको उदाहरण 2। म्याग्नेसियमका तीनओटा स्थिर समस्थानिक छन्। NIST का Atomic Weights and Isotopic Compositions तालिकाबाट: ²⁴Mg, 23.985042 u, प्रचुरता 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101। गुणनफलहरू 18.94578, 2.49858 र 2.86068 u हुन्, र तिनको योग 24.30505 u हो। चार अंकका प्रचुरतामा सार्थक अंकका कडा नियम लागू गर्दा यो 24.31 u मा राउन्ड हुन्छ। तीन दशमलव स्थानसम्म राख्दा यो 24.305 u हुन्छ, जुन धेरैजसो आवर्त तालिकामा छापिने परम्परागत मान हो।

क्लोरिनका लागि पनि यही गणना गर्नुहोस्, 0.7576 प्रचुरतासहित 34.968853 u को ³⁵Cl र 0.2424 सहित 36.965903 u को ³⁷Cl प्रयोग गरेर: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u। छिटो अनुमानले त्रुटि समात्छ: औसत समस्थानिकका द्रव्यमानबीच र बढी प्रचुर समस्थानिकको नजिक हुनुपर्छ।

उल्टो दिशाबाट समस्थानिकको प्रचुरता पत्ता लगाउने

कुनै तत्वका दुईओटा समस्थानिक छन् र तपाईंलाई परमाणु भार थाहा छ भने तपाईं प्रचुरता हल गर्न सक्नुहुन्छ। पहिलो समस्थानिकको भिन्नलाई x भन्नुहोस्; त्यसपछि दोस्रो 1 − x हुन्छ। भारित औसतलाई समीकरणका रूपमा लेख्नुहोस् र x हल गर्नुहोस्।

हल गरिएको उदाहरण 3। तामाको मानक परमाणु भार 63.546 छ र यसका दुईओटा स्थिर समस्थानिक छन्, 62.929598 u को ⁶³Cu र 64.927790 u को ⁶⁵Cu (NIST)। त्यसपछि 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546। पुनर्व्यवस्थित गर्दा x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 आउँछ। त्यसैले तामा 69.15% ⁶³Cu र 30.85% ⁶⁵Cu हो, जसले NIST का 0.6915 र 0.3085 प्रचुरता पुनः उत्पादन गर्छ।

यो विधि दुई समस्थानिकका लागि मात्र काम गर्छ। तीनओटा हुँदा एउटा औसतले दुई अज्ञात भएको एउटा मात्र समीकरण दिन्छ, र तपाईंलाई द्रव्यमान स्पेक्ट्रम जस्तो अर्को मापन चाहिन्छ।

द्रव्यमान स्पेक्ट्रममा समस्थानिकका ढाँचा

द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमिटरले नमुनालाई आयनीकृत गर्छ, आयनलाई द्रव्यमान-आवेश अनुपातअनुसार छुट्याउँछ र प्रत्येक मानमा कतिओटा आइपुग्छन् भनी अभिलेख गर्छ। एउटै तत्वका लागि शिखरका उचाइले समस्थानिकको प्रचुरता सिधै दिन्छन्। अणुका लागि समस्थानिकहरू संयोजित भएर चिन्न सकिने ढाँचा बनाउँछन्।

हल गरिएको उदाहरण 4। Cl₂ को आणविक-आयन ढाँचा अनुमान गर्नुहोस्। ³⁵Cl का लागि p = 0.7576 र ³⁷Cl का लागि q = 0.2424 मान्नुहोस्। अणु p² = 0.5740 सम्भाव्यतासहित ³⁵Cl–³⁵Cl (द्रव्यमान 70), 2pq = 0.3673 सम्भाव्यतासहित ³⁵Cl–³⁷Cl (द्रव्यमान 72), र q² = 0.0588 सम्भाव्यतासहित ³⁷Cl–³⁷Cl (द्रव्यमान 74) हुन्छ। 2 को गुणकले प्रत्येकको एउटा पाउने दुई तरिका गन्छ। सबैभन्दा अग्लो शिखर 100 हुने गरी मापन गर्दा ढाँचा 100 : 64.0 : 10.2 हुन्छ।

यसबाट दुईओटा छोटो उपाय निस्कन्छन्। एउटा क्लोरिन परमाणु भएको यौगिकले दुई द्रव्यमान एकाइको अन्तरमा करिब 3 : 1 अनुपातका शिखर देखाउँछ, किनभने p/q = 3.13। एउटा ब्रोमिन परमाणु भएको यौगिकले लगभग बराबर उचाइका दुईओटा शिखर देखाउँछ, किनभने NIST ले ⁷⁹Br लाई 0.5069 र ⁸¹Br लाई 0.4931 मा सूचीबद्ध गर्छ।

अङ्क गुमाउन लगाउने परमाणु संरचनाका त्रुटि

अधिकांश गल्ती तीनओटा गणना आपसमा मिसाउँदा वा परमाणु भारलाई एउटै परमाणुको गुण ठान्दा हुन्छन्। केही गन्नुअघि Z, A र आवेश लेख्नुहोस्।

• आयन बनाउन प्रोटोनको सङ्ख्या बदल्नु। आवेशले इलेक्ट्रोन मात्र बदल्छ; प्रोटोनले तत्व तय गर्छन्।
• धनात्मक आयनका लागि इलेक्ट्रोन थप्नु। 3+ आयनमा परमाणुमा भन्दा तीनओटा कम इलेक्ट्रोन हुन्छन्।
• परमाणु भारलाई द्रव्यमान सङ्ख्या ठान्नु। कुनै पनि क्लोरिन परमाणुको द्रव्यमान 35.45 u हुँदैन; यो करिब 35 u र 37 u का परमाणुहरूको औसत हो।
• प्रतिशतलाई 100 ले भाग नगरी भिन्नका रूपमा प्रयोग गर्नु, जसले 100 गुणा ठूलो औसत दिन्छ।
• द्रव्यमान स्पेक्ट्रम अनुमान गर्दा ³⁵Cl–³⁷Cl जस्ता मिश्रित समस्थानिक जोडीका लागि 2 को गुणक बिर्सनु।
• दुई न्युक्लाइडको द्रव्यमान सङ्ख्या उही भएकाले तिनलाई समस्थानिक भन्नु। ¹⁴C र ¹⁴N को A उही हुन्छ तर तिनी फरक तत्व हुन्।

द्रव्यमान क्षति र अन्तराल परमाणु भार

CODATA का द्रव्यमान प्रयोग गरी छओटा प्रोटोन, छओटा न्युट्रोन र छओटा इलेक्ट्रोन जोड्दा 12.0989 u आउँछ, तर कार्बन-12 परमाणु ठ्याक्कै 12 u हुन्छ। हराएको 0.0989 u, कुलको करिब 0.82%, नाभिक बन्दा निस्केको ऊर्जासँग मेल खान्छ। यही द्रव्यमान क्षतिका कारण समस्थानिकका द्रव्यमान पूर्ण सङ्ख्या हुँदैनन्, र यो नाभिकीय बन्धन ऊर्जाको सुरुवाती बिन्दु हो।

केही तत्वका लागि प्राकृतिक स्रोतअनुसार समस्थानिकको मिश्रण यति फरक हुन्छ कि IUPAC को समस्थानिक प्रचुरता तथा परमाणु भार आयोगले एउटै सङ्ख्याको सट्टा अन्तराल प्रतिवेदन गर्छ। क्लोरिनलाई [35.446, 35.457] र म्याग्नेसियमलाई [24.304, 24.307] का रूपमा सूचीबद्ध गरिएको छ। साधारण गणनाका लागि, तपाईंको पाठ्यक्रमले अन्यथा नभनेसम्म, परम्परागत एकल मान 35.45 र 24.305 प्रयोग गर्नुहोस्।