Structura atomului și izotopii: de la simbolurile nuclizilor la masa atomică

Protoni, neutroni și electroni în unități măsurate

Protonul poartă o sarcină de +1 în unități de sarcină elementară, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, iar electronul poartă −1. Neutronul nu are sarcină. Masele se dau de obicei în unități atomice de masă unificate (u, numite și daltoni, Da), unde 1 u este a douăsprezecea parte din masa unui atom de carbon-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Conform valorilor CODATA 2022 publicate de NIST, protonul are 1.007276 u, neutronul 1.008665 u, iar electronul 0.000549 u. Protonul este de aproximativ 1836 de ori mai greu decât electronul, deci aproape toată masa unui atom se află în nucleu. Nucleul este și minuscul: raza lui este de ordinul 10⁻¹⁵ m, în timp ce raza atomului este de ordinul 10⁻¹⁰ m. Prin urmare, electronii stabilesc dimensiunea atomului și chimia lui, iar nucleul îi stabilește masa.

Citirea simbolurilor nuclizilor și numărarea particulelor din ioni

Numărul atomic Z este numărul de protoni. El definește elementul: orice atom cu 17 protoni este clor. Numărul de masă A este numărul total de protoni și neutroni, deci numărul de neutroni este A − Z. Un simbol de nuclid scrie A ca exponent în stânga și Z ca indice în stânga simbolului elementului, ca în ³⁵₁₇Cl. Deoarece simbolul fixează deja Z, indicele este adesea omis, rezultând ³⁵Cl sau clor-35.

Numărul de electroni este egal cu numărul de protoni doar într-un atom neutru. Un ion cu sarcina q are Z − q electroni, deci o sarcină pozitivă înseamnă mai puțini electroni, iar o sarcină negativă înseamnă mai mulți. Sarcina nu schimbă niciodată nucleul.

Exemplu rezolvat 1. Pentru ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, deci 26 de protoni; 56 − 26 = 30 de neutroni; 26 − 3 = 23 de electroni. Pentru ¹²⁷I⁻: 53 de protoni, 127 − 53 = 74 de neutroni și 53 + 1 = 54 de electroni. Pentru ³⁴S²⁻: 16 protoni, 18 neutroni și 18 electroni. Observă că ³⁴S²⁻ are același număr de electroni ca un atom de argon; ionii sunt izoelectronici datorită numărului egal de electroni, nu datorită numerelor de masă egale.

De ce izotopii reacționează la fel, dar diferă prin masă

Izotopii sunt atomi cu același Z, dar cu număr diferit de neutroni. Clorul-35 și clorul-37 au amândoi 17 protoni și, ca atomi neutri, 17 electroni. Comportamentul chimic este controlat de electroni, deci cei doi izotopi formează aceiași compuși în aceleași proporții.

Proprietățile care depind de masă diferă totuși ușor. Moleculele mai ușoare se mișcă mai repede la o temperatură dată, iar legăturile cu izotopi mai grei reacționează puțin mai lent. Aceste efecte sunt mici pentru elementele grele. Îmbogățirea uraniului arată cât de mici sunt. Conform legii lui Graham, vitezele de efuziune ale ²³⁵UF₆ și ²³⁸UF₆ sunt în raportul √(M₂/M₁). Folosind masele izotopice NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol și M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, deci raportul este √(352.041/349.034) = 1.0043. O singură trecere printr-o barieră îmbogățește izotopul mai ușor cu mai puțin de jumătate de procent, motiv pentru care instalațiile de îmbogățire au nevoie de multe trepte în serie.

Medii ponderate: de la masele izotopilor la masa atomică

Masa atomică din tabelul periodic nu este masa unui atom anume. Este masa medie a atomilor elementului într-o probă obișnuită, ponderată după cât de frecvent este fiecare izotop. Înmulțește masa fiecărui izotop cu abundența sa fracționară și adună produsele. Fracțiile trebuie să aibă suma 1.

Exemplu rezolvat 2. Magneziul are trei izotopi stabili. Din tabelele NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, abundență 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Produsele sunt 18.94578, 2.49858 și 2.86068 u, iar suma lor este 24.30505 u. Aplicate strict abundențelor cu patru cifre, regulile cifrelor semnificative ar rotunji rezultatul la 24.31 u. Păstrat cu trei zecimale, este 24.305 u, valoarea convențională tipărită în majoritatea tabelelor periodice.

Fă același calcul pentru clor, folosind ³⁵Cl la 34.968853 u cu abundența 0.7576 și ³⁷Cl la 36.965903 u cu 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. O estimare rapidă prinde erorile: media trebuie să se afle între masele izotopilor și mai aproape de izotopul mai abundent.

Calculul invers pentru aflarea abundenței unui izotop

Dacă un element are doi izotopi și cunoști masa atomică, poți calcula abundențele. Notează cu x fracția primului izotop; fracția celui de-al doilea este atunci 1 − x. Scrie media ponderată ca ecuație și rezolv-o în raport cu x.

Exemplu rezolvat 3. Cuprul are masa atomică standard 63.546 și doi izotopi stabili, ⁶³Cu la 62.929598 u și ⁶⁵Cu la 64.927790 u (NIST). Atunci 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Prin rearanjare se obține x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Așadar cuprul este 69.15% ⁶³Cu și 30.85% ⁶⁵Cu, ceea ce reproduce abundențele NIST de 0.6915 și 0.3085.

Această metodă funcționează doar pentru doi izotopi. Cu trei, o singură medie dă o ecuație cu două necunoscute și ai nevoie de o altă măsurătoare, de exemplu un spectru de masă.

Tipare izotopice într-un spectru de masă

Un spectrometru de masă ionizează o probă, separă ionii după raportul masă/sarcină și înregistrează câți ajung la fiecare valoare. Pentru un singur element, înălțimile picurilor dau direct abundențele izotopice. La molecule, izotopii se combină și produc tipare recognoscibile.

Exemplu rezolvat 4. Prezice tiparul ionului molecular al Cl₂. Fie p = 0.7576 pentru ³⁵Cl și q = 0.2424 pentru ³⁷Cl. O moleculă este ³⁵Cl–³⁵Cl (masa 70) cu probabilitatea p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) cu probabilitatea 2pq = 0.3673 și ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) cu probabilitatea q² = 0.0588. Factorul 2 numără cele două moduri de a obține câte unul din fiecare. Scalat astfel încât picul cel mai înalt să fie 100, tiparul este 100 : 64.0 : 10.2.

De aici decurg două scurtături. Un compus cu un atom de clor prezintă picuri la două unități de masă distanță, în raport de aproximativ 3 : 1, deoarece p/q = 3.13. Un compus cu un atom de brom prezintă două picuri de înălțime aproape egală, deoarece NIST indică ⁷⁹Br la 0.5069 și ⁸¹Br la 0.4931.

Greșeli la structura atomului care costă puncte

Majoritatea greșelilor provin din confundarea celor trei numere sau din tratarea masei atomice ca proprietate a unui singur atom. Scrie Z, A și sarcina înainte să numeri ceva.

• Schimbarea numărului de protoni pentru a forma un ion. Sarcina schimbă doar electronii; protonii fixează elementul.
• Adăugarea de electroni pentru un ion pozitiv. Un ion 3+ are cu trei electroni mai puțin decât atomul.
• Citirea masei atomice ca număr de masă. Niciun atom de clor nu are masa de 35.45 u; aceasta este o medie a unor atomi de aproximativ 35 u și 37 u.
• Folosirea procentelor ca fracții fără împărțire la 100, ceea ce dă o medie de 100 de ori prea mare.
• Omiterea factorului 2 pentru perechile mixte de izotopi, precum ³⁵Cl–³⁷Cl, la prezicerea unui spectru de masă.
• Numirea a doi nuclizi drept izotopi pentru că au același număr de masă. ¹⁴C și ¹⁴N au același A, dar sunt elemente diferite.

Defectul de masă și masele atomice exprimate ca interval

Adunarea a șase protoni, șase neutroni și șase electroni cu masele CODATA dă 12.0989 u, însă un atom de carbon-12 are exact 12 u. Cei 0.0989 u lipsă, aproximativ 0.82% din total, corespund energiei eliberate la formarea nucleului. Acest defect de masă explică de ce masele izotopilor nu sunt numere întregi și este punctul de plecare pentru energia de legătură nucleară.

La unele elemente, amestecul de izotopi variază suficient între sursele naturale încât Comisia IUPAC pentru Abundențe Izotopice și Mase Atomice raportează un interval în locul unui singur număr. Clorul este indicat ca [35.446, 35.457], iar magneziul ca [24.304, 24.307]. Pentru calculele obișnuite, folosește valorile convenționale unice, 35.45 și 24.305, dacă cursul tău nu precizează altfel.