அணுக் கட்டமைப்பும் ஐசோடோப்புகளும்: நியூக்ளைடு குறியீடுகளிலிருந்து அணு எடை வரை

அளவிடப்பட்ட அலகுகளில் புரோட்டான்கள், நியூட்ரான்கள், எலக்ட்ரான்கள்

அடிப்படை மின்னூட்டத்தின் (e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C) அலகுகளில், புரோட்டான் +1 மின்னூட்டத்தையும் எலக்ட்ரான் −1 மின்னூட்டத்தையும் கொண்டுள்ளன. நியூட்ரானுக்கு மின்னூட்டம் இல்லை. நிறைகள் பொதுவாக ஒருங்கிணைந்த அணு நிறை அலகுகளில் (u, டால்டன்கள், Da, என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன) தரப்படுகின்றன; இங்கு 1 u என்பது ஒரு கார்பன்-12 அணுவின் நிறையில் பன்னிரண்டில் ஒரு பங்கு, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST வெளியிட்ட 2022 CODATA மதிப்புகளின்படி, புரோட்டான் 1.007276 u, நியூட்ரான் 1.008665 u, எலக்ட்ரான் 0.000549 u. புரோட்டான் எலக்ட்ரானை விட ஏறத்தாழ 1836 மடங்கு கனமானது; எனவே ஓர் அணுவின் நிறையில் கிட்டத்தட்ட முழுவதும் அணுக்கருவில் உள்ளது. அணுக்கருவும் மிகச் சிறியது: அதன் ஆரம் 10⁻¹⁵ m வரிசையில் உள்ளது, அணுவின் ஆரமோ 10⁻¹⁰ m வரிசையில் உள்ளது. எனவே எலக்ட்ரான்கள் அணுவின் அளவையும் அதன் வேதியியலையும் நிர்ணயிக்கின்றன; அணுக்கரு அதன் நிறையை நிர்ணயிக்கிறது.

நியூக்ளைடு குறியீடுகளைப் படித்தலும் அயனிகளில் துகள்களை எண்ணுதலும்

அணு எண் Z என்பது புரோட்டான்களின் எண்ணிக்கை. அது தனிமத்தை வரையறுக்கிறது: 17 புரோட்டான்கள் கொண்ட ஒவ்வோர் அணுவும் குளோரின். நிறை எண் A என்பது புரோட்டான்கள், நியூட்ரான்களின் மொத்த எண்ணிக்கை; எனவே நியூட்ரான் எண்ணிக்கை A − Z. நியூக்ளைடு குறியீடு, ³⁵₁₇Cl-இல் உள்ளதுபோல, தனிமக் குறியீட்டின் இடப்புற மேலெழுத்தாக A-ஐயும் இடப்புறக் கீழெழுத்தாக Z-ஐயும் எழுதுகிறது. குறியீடே Z-ஐ ஏற்கெனவே நிர்ணயிப்பதால், கீழெழுத்து பெரும்பாலும் விடப்படுகிறது; இதனால் ³⁵Cl அல்லது குளோரின்-35 என்ற வடிவம் கிடைக்கிறது.

நடுநிலை அணுவில் மட்டுமே எலக்ட்ரான்கள் புரோட்டான்களுக்குச் சமம். q மின்னூட்டம் கொண்ட அயனியில் Z − q எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன; எனவே நேர் மின்னூட்டம் என்றால் குறைவான எலக்ட்ரான்கள், எதிர் மின்னூட்டம் என்றால் அதிக எலக்ட்ரான்கள். மின்னூட்டம் அணுக்கருவை ஒருபோதும் மாற்றுவதில்லை.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 1. ⁵⁶Fe³⁺-க்கு: Z = 26, எனவே 26 புரோட்டான்கள்; 56 − 26 = 30 நியூட்ரான்கள்; 26 − 3 = 23 எலக்ட்ரான்கள். ¹²⁷I⁻-க்கு: 53 புரோட்டான்கள், 127 − 53 = 74 நியூட்ரான்கள், 53 + 1 = 54 எலக்ட்ரான்கள். ³⁴S²⁻-க்கு: 16 புரோட்டான்கள், 18 நியூட்ரான்கள், 18 எலக்ட்ரான்கள். ³⁴S²⁻-இல் ஆர்கான் அணுவில் உள்ள அதே எண்ணிக்கையிலான எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன என்பதைக் கவனியுங்கள்; அயனிகளைச் சம எலக்ட்ரான் (ஐசோஎலக்ட்ரானிக்) அயனிகளாக ஆக்குவது பொருந்தும் எலக்ட்ரான் எண்ணிக்கைகளே, பொருந்தும் நிறை எண்கள் அல்ல.

ஐசோடோப்புகள் ஒரே மாதிரி வினைபுரிந்தாலும் நிறையில் ஏன் வேறுபடுகின்றன

ஐசோடோப்புகள் என்பவை ஒரே Z, ஆனால் வெவ்வேறு எண்ணிக்கையிலான நியூட்ரான்கள் கொண்ட அணுக்கள். குளோரின்-35, குளோரின்-37 இரண்டுக்கும் 17 புரோட்டான்கள் உள்ளன; நடுநிலை அணுக்களாக 17 எலக்ட்ரான்களும் உள்ளன. வேதி நடத்தை எலக்ட்ரான்களால் கட்டுப்படுத்தப்படுவதால், இரு ஐசோடோப்புகளும் ஒரே விகிதங்களில் ஒரே சேர்மங்களை உருவாக்குகின்றன.

நிறையைச் சார்ந்த பண்புகள் சிறிது வேறுபடுகின்றன. குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் இலேசான மூலக்கூறுகள் வேகமாக நகர்கின்றன; கனமான ஐசோடோப்புகளுடனான பிணைப்புகள் சற்று மெதுவாக வினைபுரிகின்றன. கனமான தனிமங்களுக்கு இந்த விளைவுகள் சிறியவை. அவை எவ்வளவு சிறியவை என்பதை யுரேனியம் செறிவூட்டல் காட்டுகிறது. கிரஹாம் விதிப்படி, ²³⁵UF₆, ²³⁸UF₆ ஆகியவற்றின் நுண்துளை வெளியேற்ற வேகங்கள் √(M₂/M₁) என்ற விகிதத்தில் உள்ளன. NIST ஐசோடோப்பு நிறைகளைப் பயன்படுத்தினால், M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol, M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol; எனவே விகிதம் √(352.041/349.034) = 1.0043. ஒரு தடுப்புச் சவ்வின் வழியே ஒரு முறை செல்வது இலேசான ஐசோடோப்பை அரை சதவீதத்துக்கும் குறைவாகவே செறிவூட்டுகிறது; இதனால்தான் செறிவூட்டல் ஆலைகளுக்குத் தொடராக அமைந்த பல நிலைகள் தேவைப்படுகின்றன.

நிறையிட்ட சராசரிகள்: ஐசோடோப்பு நிறைகளிலிருந்து அணு எடை வரை

ஆவர்த்த அட்டவணையில் உள்ள அணு எடை எந்த ஓர் அணுவின் நிறையும் அல்ல. அது ஒரு சாதாரண மாதிரியில் உள்ள அந்தத் தனிமத்தின் அணுக்களின் சராசரி நிறை; ஒவ்வொரு ஐசோடோப்பும் எவ்வளவு பொதுவானது என்பதைக் கொண்டு நிறையிடப்பட்டது. ஒவ்வொரு ஐசோடோப்பின் நிறையையும் அதன் பின்ன மிகுதியால் பெருக்கி, பெருக்கற்பலன்களைக் கூட்டுங்கள். பின்னங்களின் கூட்டுத்தொகை 1 ஆக இருக்க வேண்டும்.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 2. மெக்னீசியத்துக்கு மூன்று நிலைப்புள்ள ஐசோடோப்புகள் உள்ளன. NIST அணு எடைகள், ஐசோடோப்புக் கூட்டமைப்புகள் அட்டவணைகளிலிருந்து: ²⁴Mg, 23.985042 u, மிகுதி 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. பெருக்கற்பலன்கள் 18.94578, 2.49858, 2.86068 u; அவற்றின் கூட்டுத்தொகை 24.30505 u. நான்கு இலக்க மிகுதிகளுக்குக் கண்டிப்பான குறிப்பிடத்தக்க இலக்க விதிகளைப் பயன்படுத்தினால் இது 24.31 u ஆக முழுமையாக்கப்படும். மூன்று தசம இடங்களுக்கு வைத்தால் இது 24.305 u; பெரும்பாலான ஆவர்த்த அட்டவணைகளில் அச்சிடப்படும் வழக்கமான மதிப்பு இதுவே.

அதே கணக்கீட்டைக் குளோரினுக்குச் செய்யுங்கள்; 0.7576 மிகுதியுடன் 34.968853 u-இல் ³⁵Cl, 0.2424 உடன் 36.965903 u-இல் ³⁷Cl ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்துங்கள்: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. ஒரு விரைவான மதிப்பீடு பிழைகளைப் பிடிக்கிறது: சராசரி ஐசோடோப்பு நிறைகளுக்கு இடையில், அதிக மிகுதியுள்ள ஐசோடோப்புக்கு அருகில் இருக்க வேண்டும்.

ஐசோடோப்பு மிகுதியைக் கண்டறியப் பின்னோக்கிக் கணக்கிடுதல்

ஒரு தனிமத்துக்கு இரண்டு ஐசோடோப்புகள் இருந்து, அணு எடை உங்களுக்குத் தெரிந்தால், மிகுதிகளுக்குத் தீர்வு காணலாம். முதல் ஐசோடோப்பின் பின்னத்தை x என்று கொள்ளுங்கள்; அப்போது இரண்டாவது 1 − x. நிறையிட்ட சராசரியைச் சமன்பாடாக எழுதி x-க்குத் தீர்வு காணுங்கள்.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 3. தாமிரத்தின் நிலையான அணு எடை 63.546; அதற்கு இரண்டு நிலைப்புள்ள ஐசோடோப்புகள் உள்ளன: 62.929598 u-இல் ⁶³Cu, 64.927790 u-இல் ⁶⁵Cu (NIST). அப்போது 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. மாற்றியமைத்தால் x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. எனவே தாமிரம் 69.15% ⁶³Cu, 30.85% ⁶⁵Cu; இது NIST மிகுதிகளான 0.6915, 0.3085 ஆகியவற்றை மீளுருவாக்குகிறது.

இந்த முறை இரண்டு ஐசோடோப்புகளுக்கு மட்டுமே செயல்படும். மூன்று இருந்தால், ஒரு சராசரி இரண்டு அறியப்படாதவற்றில் ஒரே ஒரு சமன்பாட்டைத் தருகிறது; நிறை நிறமாலை போன்ற மற்றொரு அளவீடு தேவை.

நிறை நிறமாலையில் ஐசோடோப்பு வடிவங்கள்

நிறை நிறமாலைமானி ஒரு மாதிரியை அயனியாக்கி, அயனிகளை நிறை–மின்னூட்ட விகிதத்தால் பிரித்து, ஒவ்வொரு மதிப்பிலும் எத்தனை வந்து சேர்கின்றன என்பதைப் பதிவு செய்கிறது. ஒரு தனித் தனிமத்துக்கு, உச்சங்களின் உயரங்கள் ஐசோடோப்பு மிகுதிகளை நேரடியாகத் தருகின்றன. மூலக்கூறுகளில் ஐசோடோப்புகள் இணைந்து அடையாளம் காணக்கூடிய வடிவங்களை உருவாக்குகின்றன.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 4. Cl₂-இன் மூலக்கூறு அயனி வடிவத்தை முன்கணியுங்கள். ³⁵Cl-க்கு p = 0.7576, ³⁷Cl-க்கு q = 0.2424 என்று கொள்ளுங்கள். ஒரு மூலக்கூறு p² = 0.5740 நிகழ்தகவுடன் ³⁵Cl–³⁵Cl (நிறை 70) ஆகவும், 2pq = 0.3673 நிகழ்தகவுடன் ³⁵Cl–³⁷Cl (நிறை 72) ஆகவும், q² = 0.0588 நிகழ்தகவுடன் ³⁷Cl–³⁷Cl (நிறை 74) ஆகவும் இருக்கும். 2 என்ற காரணி, ஒவ்வொன்றிலும் ஒன்றைப் பெறும் இரண்டு வழிகளை எண்ணுகிறது. மிக உயரமான உச்சம் 100 ஆகும்படி அளவிட்டால், வடிவம் 100 : 64.0 : 10.2.

இரண்டு குறுக்குவழிகள் இதிலிருந்து தொடர்கின்றன. ஒரு குளோரின் அணு கொண்ட சேர்மம், p/q = 3.13 என்பதால், இரண்டு நிறை அலகுகள் இடைவெளியில் ஏறத்தாழ 3 : 1 விகிதத்தில் உச்சங்களைக் காட்டுகிறது. ஒரு புரோமின் அணு கொண்ட சேர்மம் கிட்டத்தட்ட சம உயரமுள்ள இரண்டு உச்சங்களைக் காட்டுகிறது, ஏனெனில் NIST ⁷⁹Br-ஐ 0.5069 எனவும் ⁸¹Br-ஐ 0.4931 எனவும் பட்டியலிடுகிறது.

மதிப்பெண்களை இழக்கச் செய்யும் அணுக் கட்டமைப்புப் பிழைகள்

பெரும்பாலான தவறுகள் மூன்று எண்ணிக்கைகளையும் குழப்புவதால் அல்லது அணு எடையை ஒரு தனி அணுவின் பண்பாகக் கருதுவதால் வருகின்றன. எதையும் எண்ணும் முன் Z, A, மின்னூட்டம் ஆகியவற்றை எழுதுங்கள்.

• அயனியை உருவாக்க புரோட்டான் எண்ணிக்கையை மாற்றுதல். மின்னூட்டம் எலக்ட்ரான்களை மட்டுமே மாற்றுகிறது; புரோட்டான்கள் தனிமத்தை நிர்ணயிக்கின்றன.
• நேர் அயனிக்கு எலக்ட்ரான்களைச் சேர்த்தல். 3+ அயனியில் அணுவை விட மூன்று எலக்ட்ரான்கள் குறைவு.
• அணு எடையை நிறை எண்ணாகப் படித்தல். எந்தக் குளோரின் அணுவுக்கும் 35.45 u நிறை இல்லை; அது ஏறத்தாழ 35 u, 37 u நிறையுள்ள அணுக்களின் சராசரி.
• சதவீதங்களை 100-ஆல் வகுக்காமல் பின்னங்களாகப் பயன்படுத்துதல்; இது 100 மடங்கு பெரிய சராசரியைத் தருகிறது.
• நிறை நிறமாலையை முன்கணிக்கும்போது, ³⁵Cl–³⁷Cl போன்ற கலப்பு ஐசோடோப்பு இணைகளுக்கான 2 என்ற காரணியை மறத்தல்.
• ஒரே நிறை எண் உள்ளதால் இரண்டு நியூக்ளைடுகளை ஐசோடோப்புகள் என்று அழைத்தல். ¹⁴C, ¹⁴N இரண்டுக்கும் ஒரே A உள்ளது, ஆனால் அவை வெவ்வேறு தனிமங்கள்.

நிறைக் குறைபாடும் இடைவெளி அணு எடைகளும்

CODATA நிறைகளைக் கொண்டு ஆறு புரோட்டான்கள், ஆறு நியூட்ரான்கள், ஆறு எலக்ட்ரான்களைக் கூட்டினால் 12.0989 u கிடைக்கிறது; ஆனால் ஒரு கார்பன்-12 அணு சரியாக 12 u. விடுபட்ட 0.0989 u, மொத்தத்தில் ஏறத்தாழ 0.82%, அணுக்கரு உருவானபோது வெளியான ஆற்றலுக்கு ஒத்திருக்கிறது. ஐசோடோப்பு நிறைகள் முழு எண்களாக இல்லாததற்கு இந்த நிறைக் குறைபாடே காரணம்; அணுக்கருப் பிணைப்பு ஆற்றலுக்கான தொடக்கப் புள்ளியும் இதுவே.

சில தனிமங்களுக்கு, ஐசோடோப்புக் கலவை இயற்கை மூலங்களுக்கு இடையே போதுமான அளவு வேறுபடுவதால், IUPAC-இன் ஐசோடோப்பு மிகுதிகள் மற்றும் அணு எடைகளுக்கான ஆணையம் ஒற்றை எண்ணுக்குப் பதிலாக ஓர் இடைவெளியைத் தெரிவிக்கிறது. குளோரின் [35.446, 35.457] எனவும் மெக்னீசியம் [24.304, 24.307] எனவும் பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன. சாதாரணக் கணக்கீடுகளுக்கு, உங்கள் பாடநெறி வேறுவிதமாகக் கூறாவிட்டால், வழக்கமான ஒற்றை மதிப்புகளான 35.45, 24.305 ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்துங்கள்.