Struktura atomike dhe izotopet: nga simbolet e nuklideve te pesha atomike

Protonet, neutronet dhe elektronet në njësi të matura

Protoni mbart një ngarkesë +1 në njësi të ngarkesës elementare, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, dhe elektroni mbart −1. Neutroni nuk ka ngarkesë. Masat zakonisht jepen në njësi të unifikuara të masës atomike (u, të quajtura edhe dalton, Da), ku 1 u është një e dymbëdhjeta e masës së një atomi karbon-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Sipas vlerave CODATA 2022 të publikuara nga NIST, protoni është 1.007276 u, neutroni 1.008665 u dhe elektroni 0.000549 u. Protoni është rreth 1836 herë më i rëndë se elektroni, ndaj pothuajse e gjithë masa e një atomi ndodhet në bërthamë. Bërthama është gjithashtu shumë e vogël: rrezja e saj është e rendit 10⁻¹⁵ m, ndërsa rrezja e atomit është e rendit 10⁻¹⁰ m. Prandaj elektronet përcaktojnë madhësinë dhe kiminë e një atomi, ndërsa bërthama përcakton masën e tij.

Leximi i simboleve të nuklideve dhe numërimi i grimcave në jone

Numri atomik Z është numri i protoneve. Ai e përcakton elementin: çdo atom me 17 protone është klor. Numri i masës A është numri i përgjithshëm i protoneve dhe neutroneve, ndaj numri i neutroneve është A − Z. Një simbol nuklidi e shkruan A si indeks të sipërm majtas dhe Z si indeks të poshtëm majtas të simbolit të elementit, si te ³⁵₁₇Cl. Meqenëse simboli e cakton tashmë Z, indeksi i poshtëm shpesh hiqet, duke dhënë ³⁵Cl ose klor-35.

Elektronet janë të barabarta me protonet vetëm në një atom neutral. Një jon me ngarkesë q ka Z − q elektrone, ndaj një ngarkesë pozitive do të thotë më pak elektrone dhe një ngarkesë negative do të thotë më shumë. Ngarkesa nuk e ndryshon kurrë bërthamën.

Shembull i zgjidhur 1. Për ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, pra 26 protone; 56 − 26 = 30 neutrone; 26 − 3 = 23 elektrone. Për ¹²⁷I⁻: 53 protone, 127 − 53 = 74 neutrone dhe 53 + 1 = 54 elektrone. Për ³⁴S²⁻: 16 protone, 18 neutrone dhe 18 elektrone. Vëre që ³⁴S²⁻ ka të njëjtin numër elektronesh si një atom argoni; jonet i bën izoelektronike numri i njëjtë i elektroneve, jo numri i njëjtë i masës.

Pse izotopet reagojnë njësoj, por ndryshojnë në masë

Izotopet janë atome me të njëjtin Z, por me numër të ndryshëm neutronesh. Klori-35 dhe klori-37 kanë të dy 17 protone dhe, si atome neutrale, 17 elektrone. Sjellja kimike kontrollohet nga elektronet, ndaj dy izotopet formojnë të njëjtat përbërje në të njëjtat raporte.

Vetitë që varen nga masa ndryshojnë pak. Molekulat më të lehta lëvizin më shpejt në një temperaturë të dhënë dhe lidhjet me izotope më të rënda reagojnë pak më ngadalë. Këto efekte janë të vogla për elementët e rëndë. Pasurimi i uraniumit tregon sa të vogla janë. Sipas ligjit të Graham-it, shpejtësitë e efuzionit të ²³⁵UF₆ dhe ²³⁸UF₆ janë në raportin √(M₂/M₁). Me masat izotopike të NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol dhe M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, ndaj raporti është √(352.041/349.034) = 1.0043. Një kalim nëpër një membranë e pasuron izotopin më të lehtë me më pak se gjysmë përqindëshi, prandaj impiantet e pasurimit kanë nevojë për shumë faza në seri.

Mesataret e ponderuara: nga masat izotopike te pesha atomike

Pesha atomike në tabelën periodike nuk është masa e ndonjë atomi të vetëm. Ajo është masa mesatare e atomeve të elementit në një mostër të zakonshme, e ponderuar sipas sa i përhapur është secili izotop. Shumëzo masën e çdo izotopi me bollëkun e tij si thyesë dhe mblidh prodhimet. Thyesat duhet të japin shumën 1.

Shembull i zgjidhur 2. Magnezi ka tre izotope të qëndrueshëm. Nga tabelat e NIST për peshat atomike dhe përbërjet izotopike: ²⁴Mg, 23.985042 u, bollëk 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Prodhimet janë 18.94578, 2.49858 dhe 2.86068 u, dhe shuma e tyre është 24.30505 u. Rregullat strikte të shifrave domethënëse, të zbatuara për bollëqet me katër shifra, do ta rrumbullakonin këtë në 24.31 u. E mbajtur me tri shifra pas presjes, ajo është 24.305 u, vlera konvencionale e shtypur në shumicën e tabelave periodike.

Bëj të njëjtën llogaritje për klorin, me ³⁵Cl në 34.968853 u me bollëk 0.7576 dhe ³⁷Cl në 36.965903 u me 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Një vlerësim i shpejtë i kap gabimet: mesatarja duhet të jetë midis masave të izotopeve dhe më afër atij më të përhapur.

Puna mbrapsht për të gjetur bollëkun e një izotopi

Nëse një element ka dy izotope dhe e njeh peshën atomike, mund të zgjidhësh për bollëqet. Quaje x thyesën e izotopit të parë; atëherë i dyti është 1 − x. Shkruaje mesataren e ponderuar si ekuacion dhe zgjidhe për x.

Shembull i zgjidhur 3. Bakri ka peshë atomike standarde 63.546 dhe dy izotope të qëndrueshëm, ⁶³Cu me 62.929598 u dhe ⁶⁵Cu me 64.927790 u (NIST). Atëherë 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Duke e rirregulluar, del x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Pra bakri është 69.15% ⁶³Cu dhe 30.85% ⁶⁵Cu, çka riprodhon bollëqet e NIST 0.6915 dhe 0.3085.

Kjo metodë funksionon vetëm për dy izotope. Me tre, një mesatare jep një ekuacion me dy të panjohura dhe të duhet një matje tjetër, si një spektër masash.

Modelet izotopike në një spektër masash

Një spektrometër masash e jonizon një mostër, i ndan jonet sipas raportit masë–ngarkesë dhe regjistron sa arrijnë në çdo vlerë. Për një element të vetëm, lartësitë e majave japin drejtpërdrejt bollëkun e izotopeve. Për molekulat, izotopet kombinohen dhe prodhojnë modele të dallueshme.

Shembull i zgjidhur 4. Parashiko modelin e jonit molekular të Cl₂. Le të jetë p = 0.7576 për ³⁵Cl dhe q = 0.2424 për ³⁷Cl. Një molekulë është ³⁵Cl–³⁵Cl (masa 70) me probabilitet p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (masa 72) me probabilitet 2pq = 0.3673 dhe ³⁷Cl–³⁷Cl (masa 74) me probabilitet q² = 0.0588. Faktori 2 numëron dy mënyrat për të marrë nga një të secilit. I shkallëzuar që maja më e lartë të jetë 100, modeli është 100 : 64.0 : 10.2.

Prej këtu rrjedhin dy shkurtore. Një përbërje me një atom klori tregon maja me dy njësi mase larg njëra-tjetrës në raport rreth 3 : 1, sepse p/q = 3.13. Një përbërje me një atom bromi tregon dy maja me lartësi pothuajse të barabartë, sepse NIST e liston ⁷⁹Br në 0.5069 dhe ⁸¹Br në 0.4931.

Gabimet e strukturës atomike që kushtojnë pikë

Shumica e gabimeve vijnë nga ngatërrimi i tri numërimeve ose nga trajtimi i peshës atomike si veti e një atomi të vetëm. Shkruaj Z, A dhe ngarkesën para se të numërosh çfarëdo.

• Ndryshimi i numrit të protoneve për të formuar një jon. Ngarkesa ndryshon vetëm elektronet; protonet e përcaktojnë elementin.
• Shtimi i elektroneve për një jon pozitiv. Një jon 3+ ka tre elektrone më pak se atomi.
• Leximi i peshës atomike si numër mase. Asnjë atom klori nuk ka masë 35.45 u; ajo është mesatare e atomeve me rreth 35 u dhe 37 u.
• Përdorimi i përqindjeve si thyesa pa i pjesëtuar me 100, çka jep një mesatare 100 herë më të madhe.
• Harrimi i faktorit 2 për çiftet e përziera të izotopeve, si ³⁵Cl–³⁷Cl, kur parashikon një spektër masash.
• Quajtja izotope e dy nuklideve sepse kanë të njëjtin numër mase. ¹⁴C dhe ¹⁴N kanë të njëjtin A, por janë elementë të ndryshëm.

Defekti i masës dhe peshat atomike në interval

Mbledhja e gjashtë protoneve, gjashtë neutroneve dhe gjashtë elektroneve me masat CODATA jep 12.0989 u, ndërsa një atom karbon-12 është saktësisht 12 u. 0.0989 u që mungojnë, rreth 0.82% e totalit, i përgjigjen energjisë së çliruar kur u formua bërthama. Ky defekt i masës është arsyeja pse masat izotopike nuk janë numra të plotë dhe është pika e nisjes për energjinë e lidhjes bërthamore.

Për disa elementë, përzierja e izotopeve ndryshon aq shumë midis burimeve natyrore sa Komisioni i IUPAC-ut për Bollëkun Izotopik dhe Peshat Atomike raporton një interval në vend të një numri të vetëm. Klori listohet si [35.446, 35.457] dhe magnezi si [24.304, 24.307]. Për llogaritjet e zakonshme, përdor vlerat e vetme konvencionale, 35.45 dhe 24.305, përveç nëse kursi yt thotë ndryshe.