Muundo wa Atomi na Isotopu: Kutoka Alama za Nuklidi hadi Uzito wa Atomi

Protoni, nyutroni na elektroni katika vizio vilivyopimwa

Protoni hubeba chaji ya +1 katika vizio vya chaji ya msingi, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, na elektroni hubeba −1. Nyutroni haina chaji. Uzito kwa kawaida hutolewa kwa vizio vya uzito wa atomi vilivyounganishwa (u, vinavyoitwa pia daltoni, Da), ambapo u 1 ni sehemu moja ya kumi na mbili ya uzito wa atomi ya kaboni-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Kutoka kwa thamani za CODATA za 2022 zilizochapishwa na NIST, protoni ni 1.007276 u, nyutroni ni 1.008665 u na elektroni ni 0.000549 u. Protoni ni nzito takriban mara 1836 kuliko elektroni, kwa hivyo karibu uzito wote wa atomi uko kwenye kiini. Kiini pia ni kidogo sana: radius yake ni ya kiwango cha 10⁻¹⁵ m, wakati radius ya atomi ni ya kiwango cha 10⁻¹⁰ m. Kwa hivyo elektroni huamua ukubwa wa atomi na kemia yake, na kiini huamua uzito wake.

Kusoma alama za nuklidi na kuhesabu chembe katika ioni

Namba ya atomi Z ni idadi ya protoni. Ndiyo inayofafanua elementi: kila atomi yenye protoni 17 ni klorini. Namba ya uzito A ni jumla ya protoni na nyutroni, kwa hivyo idadi ya nyutroni ni A − Z. Alama ya nuklidi huandika A kama kipeo cha juu upande wa kushoto na Z kama kipeo cha chini upande wa kushoto wa alama ya elementi, kama katika ³⁵₁₇Cl. Kwa kuwa alama tayari inaweka Z, kipeo cha chini mara nyingi huachwa, na kutoa ³⁵Cl au klorini-35.

Elektroni ni sawa na protoni katika atomi isiyo na chaji pekee. Ioni yenye chaji q ina elektroni Z − q, kwa hivyo chaji chanya inamaanisha elektroni chache zaidi na chaji hasi inamaanisha elektroni nyingi zaidi. Chaji haibadilishi kiini kamwe.

Mfano uliotatuliwa 1. Kwa ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, kwa hivyo protoni 26; 56 − 26 = nyutroni 30; 26 − 3 = elektroni 23. Kwa ¹²⁷I⁻: protoni 53, 127 − 53 = nyutroni 74 na 53 + 1 = elektroni 54. Kwa ³⁴S²⁻: protoni 16, nyutroni 18 na elektroni 18. Angalia kwamba ³⁴S²⁻ ina idadi sawa ya elektroni na atomi ya aragoni; idadi sawa ya elektroni ndiyo inayofanya ioni kuwa isoelektroniki, si namba sawa za uzito.

Kwa nini isotopu huitikia vivyo hivyo lakini hutofautiana kwa uzito

Isotopu ni atomi zenye Z ile ile lakini idadi tofauti za nyutroni. Klorini-35 na klorini-37 zote zina protoni 17 na, kama atomi zisizo na chaji, elektroni 17. Tabia ya kikemia hudhibitiwa na elektroni, kwa hivyo isotopu hizo mbili huunda misombo ile ile kwa uwiano ule ule.

Sifa zinazotegemea uzito hutofautiana kidogo. Molekuli nyepesi zaidi husogea kwa kasi zaidi katika joto fulani, na vifungo kwa isotopu nzito zaidi huitikia polepole kidogo zaidi. Athari hizi ni ndogo kwa elementi nzito. Urutubishaji wa urani unaonyesha udogo wake. Kwa sheria ya Graham, kasi za mvujo za ²³⁵UF₆ na ²³⁸UF₆ ziko katika uwiano √(M₂/M₁). Kwa kutumia uzito wa isotopu wa NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol na M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, kwa hivyo uwiano ni √(352.041/349.034) = 1.0043. Kupita mara moja kwenye kizuizi kunarutubisha isotopu nyepesi zaidi kwa chini ya nusu ya asilimia moja, ndiyo sababu viwanda vya urutubishaji vinahitaji hatua nyingi kwa mfuatano.

Wastani wa uzani: kutoka uzito wa isotopu hadi uzito wa atomi

Uzito wa atomi kwenye jedwali la vipengele si uzito wa atomi yoyote moja. Ni uzito wa wastani wa atomi za elementi katika sampuli ya kawaida, uliopimwa kwa uzani kulingana na jinsi kila isotopu ilivyo ya kawaida. Zidisha uzito wa kila isotopu kwa sehemu ya wingi wake na ujumlishe mazao. Sehemu lazima zijumlishe 1.

Mfano uliotatuliwa 2. Magnesiamu ina isotopu tatu thabiti. Kutoka kwa majedwali ya NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions: ²⁴Mg, 23.985042 u, wingi 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Mazao ni 18.94578, 2.49858 na 2.86068 u, na jumla yake ni 24.30505 u. Kanuni kali za tarakimu muhimu zikitumika kwa wingi wenye tarakimu nne zingezungusha hii hadi 24.31 u. Ikibakizwa hadi nafasi tatu za desimali, ni 24.305 u, thamani ya kawaida iliyochapishwa kwenye majedwali mengi ya vipengele.

Fanya hesabu ile ile kwa klorini, ukitumia ³⁵Cl kwa 34.968853 u yenye wingi 0.7576 na ³⁷Cl kwa 36.965903 u yenye 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Makadirio ya haraka hugundua makosa: wastani lazima uwe kati ya uzito wa isotopu na karibu zaidi na ile iliyo nyingi zaidi.

Kufanya kazi kinyumenyume kupata wingi wa isotopu

Kama elementi ina isotopu mbili na unajua uzito wa atomi, unaweza kutatua kupata wingi wake. Iite sehemu ya isotopu ya kwanza x; ya pili basi ni 1 − x. Andika wastani wa uzani kama mlinganyo na utatue kupata x.

Mfano uliotatuliwa 3. Shaba ina uzito sanifu wa atomi wa 63.546 na isotopu mbili thabiti, ⁶³Cu kwa 62.929598 u na ⁶⁵Cu kwa 64.927790 u (NIST). Kisha 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Kupanga upya kunatoa x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Kwa hivyo shaba ni 69.15% ⁶³Cu na 30.85% ⁶⁵Cu, jambo linalozalisha upya wingi wa NIST wa 0.6915 na 0.3085.

Mbinu hii inafanya kazi kwa isotopu mbili tu. Zikiwa tatu, wastani mmoja unatoa mlinganyo mmoja wenye visivyojulikana viwili, na unahitaji kipimo kingine, kama spektra ya uzito.

Mitindo ya isotopu katika spektra ya uzito

Spektromita ya uzito huionisha sampuli, hutenganisha ioni kwa uwiano wa uzito kwa chaji na hurekodi ni ngapi zinafika katika kila thamani. Kwa elementi moja, urefu wa vilele hutoa wingi wa isotopu moja kwa moja. Kwa molekuli, isotopu huungana na kuzalisha mitindo inayotambulika.

Mfano uliotatuliwa 4. Tabiri mtindo wa ioni ya molekuli ya Cl₂. Acha p = 0.7576 kwa ³⁵Cl na q = 0.2424 kwa ³⁷Cl. Molekuli ni ³⁵Cl–³⁵Cl (uzito 70) kwa uwezekano p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (uzito 72) kwa uwezekano 2pq = 0.3673, na ³⁷Cl–³⁷Cl (uzito 74) kwa uwezekano q² = 0.0588. Kigezo cha 2 kinahesabu njia mbili za kupata moja ya kila aina. Kikipimwa ili kilele kirefu zaidi kiwe 100, mtindo ni 100 : 64.0 : 10.2.

Njia mbili za mkato zinafuata. Mchanganyiko wenye atomi moja ya klorini huonyesha vilele vilivyo umbali wa vizio viwili vya uzito kwa uwiano wa takriban 3 : 1, kwa sababu p/q = 3.13. Mchanganyiko wenye atomi moja ya bromini huonyesha vilele viwili vya urefu karibu sawa, kwa sababu NIST inaorodhesha ⁷⁹Br kwa 0.5069 na ⁸¹Br kwa 0.4931.

Makosa ya muundo wa atomi yanayogharimu alama

Makosa mengi hutokana na kuchanganya hesabu hizo tatu au kuchukulia uzito wa atomi kama sifa ya atomi moja. Andika Z, A na chaji kabla ya kuhesabu chochote.

• Kubadilisha idadi ya protoni ili kutengeneza ioni. Chaji hubadilisha elektroni pekee; protoni huamua elementi.
• Kuongeza elektroni kwa ioni chanya. Ioni ya 3+ ina elektroni tatu chache kuliko atomi.
• Kusoma uzito wa atomi kama namba ya uzito. Hakuna atomi ya klorini yenye uzito wa 35.45 u; ni wastani wa atomi za takriban 35 u na 37 u.
• Kutumia asilimia kama sehemu bila kugawanya kwa 100, jambo linalotoa wastani mkubwa mara 100 kupita kiasi.
• Kusahau kigezo cha 2 kwa jozi za isotopu mchanganyiko, kama ³⁵Cl–³⁷Cl, wakati wa kutabiri spektra ya uzito.
• Kuita nuklidi mbili isotopu kwa sababu zina namba ile ile ya uzito. ¹⁴C na ¹⁴N zinashiriki A lakini ni elementi tofauti.

Upungufu wa uzito na uzito wa atomi wa kipindi

Kujumlisha protoni sita, nyutroni sita na elektroni sita kwa uzito wa CODATA kunatoa 12.0989 u, ilhali atomi ya kaboni-12 ni 12 u hasa. 0.0989 u inayokosekana, takriban 0.82% ya jumla, inalingana na nishati iliyotolewa kiini kilipoundwa. Upungufu huu wa uzito ndio sababu uzito wa isotopu si namba nzima, na ndio mahali pa kuanzia kwa nishati ya ufungamano wa kiini.

Kwa baadhi ya elementi, mchanganyiko wa isotopu hutofautiana vya kutosha kati ya vyanzo vya asili kiasi kwamba Tume ya IUPAC ya Wingi wa Isotopu na Uzito wa Atomi huripoti kipindi badala ya namba moja. Klorini imeorodheshwa kama [35.446, 35.457] na magnesiamu kama [24.304, 24.307]. Kwa hesabu za kawaida, tumia thamani moja za kawaida, 35.45 na 24.305, isipokuwa kozi yako iseme vinginevyo.