పరమాణు నిర్మాణం, ఐసోటోప్‌లు: న్యూక్లైడ్ సంకేతాల నుండి పరమాణు భారం వరకు

కొలిచిన ప్రమాణాలలో ప్రోటాన్‌లు, న్యూట్రాన్‌లు, ఎలక్ట్రాన్‌లు

ప్రాథమిక ఆవేశం, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, ప్రమాణాలలో ప్రోటాన్ +1 ఆవేశాన్ని, ఎలక్ట్రాన్ −1 ను కలిగి ఉంటాయి. న్యూట్రాన్‌కు ఆవేశం ఉండదు. ద్రవ్యరాశులను సాధారణంగా ఏకీకృత పరమాణు ద్రవ్యరాశి ప్రమాణాలలో (u, డాల్టన్‌లు, Da అని కూడా అంటారు) ఇస్తారు, ఇక్కడ 1 u అనేది ఒక కార్బన్-12 పరమాణువు ద్రవ్యరాశిలో పన్నెండో వంతు, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST ప్రచురించిన 2022 CODATA విలువల ప్రకారం, ప్రోటాన్ 1.007276 u, న్యూట్రాన్ 1.008665 u, ఎలక్ట్రాన్ 0.000549 u. ప్రోటాన్ ఎలక్ట్రాన్ కంటే సుమారు 1836 రెట్లు బరువైనది, కాబట్టి పరమాణువు ద్రవ్యరాశి దాదాపు అంతా కేంద్రకంలోనే ఉంటుంది. కేంద్రకం చాలా చిన్నది కూడా: దాని వ్యాసార్ధం 10⁻¹⁵ m క్రమంలో ఉంటుంది, పరమాణువు వ్యాసార్ధం 10⁻¹⁰ m క్రమంలో ఉంటుంది. కాబట్టి ఎలక్ట్రాన్‌లు పరమాణువు పరిమాణాన్ని, దాని రసాయన ప్రవర్తనను నిర్ణయిస్తాయి, కేంద్రకం దాని ద్రవ్యరాశిని నిర్ణయిస్తుంది.

న్యూక్లైడ్ సంకేతాలను చదవడం, అయాన్‌లలో కణాలను లెక్కించడం

పరమాణు సంఖ్య Z అంటే ప్రోటాన్‌ల సంఖ్య. అది మూలకాన్ని నిర్వచిస్తుంది: 17 ప్రోటాన్‌లు ఉన్న ప్రతి పరమాణువు క్లోరిన్. ద్రవ్యరాశి సంఖ్య A అంటే ప్రోటాన్‌లు, న్యూట్రాన్‌ల మొత్తం సంఖ్య, కాబట్టి న్యూట్రాన్‌ల సంఖ్య A − Z. న్యూక్లైడ్ సంకేతం మూలక సంకేతంపై A ను ఎడమ ఊర్ధ్వలిపిగా, Z ను ఎడమ పాదాంకంగా రాస్తుంది, ³⁵₁₇Cl లాగా. సంకేతమే ఇప్పటికే Z ను నిర్ధారిస్తుంది కాబట్టి, పాదాంకాన్ని తరచుగా వదిలేస్తారు, ఫలితంగా ³⁵Cl లేదా క్లోరిన్-35 వస్తుంది.

తటస్థ పరమాణువులో మాత్రమే ఎలక్ట్రాన్‌లు ప్రోటాన్‌లకు సమానం. q ఆవేశం ఉన్న అయాన్‌కు Z − q ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉంటాయి, కాబట్టి ధన ఆవేశం అంటే తక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లు, ఋణ ఆవేశం అంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లు. ఆవేశం కేంద్రకాన్ని ఎప్పుడూ మార్చదు.

సాధన ఉదాహరణ 1. ⁵⁶Fe³⁺ కు: Z = 26, కాబట్టి 26 ప్రోటాన్‌లు; 56 − 26 = 30 న్యూట్రాన్‌లు; 26 − 3 = 23 ఎలక్ట్రాన్‌లు. ¹²⁷I⁻ కు: 53 ప్రోటాన్‌లు, 127 − 53 = 74 న్యూట్రాన్‌లు, 53 + 1 = 54 ఎలక్ట్రాన్‌లు. ³⁴S²⁻ కు: 16 ప్రోటాన్‌లు, 18 న్యూట్రాన్‌లు, 18 ఎలక్ట్రాన్‌లు. ³⁴S²⁻ కు ఆర్గాన్ పరమాణువుకు ఉన్నన్ని ఎలక్ట్రాన్‌లే ఉన్నాయని గమనించండి; అయాన్‌లను సమఎలక్ట్రానిక్‌గా చేసేది సరిపోలే ఎలక్ట్రాన్ సంఖ్యలే, సరిపోలే ద్రవ్యరాశి సంఖ్యలు కాదు.

ఐసోటోప్‌లు ఒకేలా చర్య జరిపినా ద్రవ్యరాశిలో ఎందుకు భిన్నంగా ఉంటాయి

ఐసోటోప్‌లు అంటే ఒకే Z ఉండి, వేర్వేరు న్యూట్రాన్ సంఖ్యలు ఉన్న పరమాణువులు. క్లోరిన్-35, క్లోరిన్-37 రెండింటికీ 17 ప్రోటాన్‌లు, తటస్థ పరమాణువులుగా 17 ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉంటాయి. రసాయన ప్రవర్తనను ఎలక్ట్రాన్‌లు నియంత్రిస్తాయి, కాబట్టి రెండు ఐసోటోప్‌లూ ఒకే నిష్పత్తులలో ఒకే సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తాయి.

ద్రవ్యరాశిపై ఆధారపడే లక్షణాలు మాత్రం కొద్దిగా భిన్నంగా ఉంటాయి. ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద తేలికైన అణువులు వేగంగా కదులుతాయి, బరువైన ఐసోటోప్‌లతో ఏర్పడిన బంధాలు కొంచెం నెమ్మదిగా చర్య జరుపుతాయి. బరువైన మూలకాలకు ఈ ప్రభావాలు చిన్నవి. అవి ఎంత చిన్నవో యురేనియం సంవర్ధనం చూపిస్తుంది. గ్రాహం నియమం ప్రకారం, ²³⁵UF₆, ²³⁸UF₆ నిర్గమన వేగాలు √(M₂/M₁) నిష్పత్తిలో ఉంటాయి. NIST ఐసోటోప్ ద్రవ్యరాశులను ఉపయోగిస్తే, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol, M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, కాబట్టి నిష్పత్తి √(352.041/349.034) = 1.0043. ఒక అవరోధం గుండా ఒకసారి వెళ్లడం తేలికైన ఐసోటోప్‌ను సగం శాతం కంటే తక్కువగా సంవర్ధనం చేస్తుంది, అందుకే సంవర్ధన కర్మాగారాలకు శ్రేణిలో అనేక దశలు అవసరం.

భారిత సగటులు: ఐసోటోప్ ద్రవ్యరాశుల నుండి పరమాణు భారం వరకు

ఆవర్తన పట్టికపై ఉన్న పరమాణు భారం ఏ ఒక్క పరమాణువు ద్రవ్యరాశీ కాదు. అది సాధారణ నమూనాలోని ఆ మూలకం పరమాణువుల సగటు ద్రవ్యరాశి, ప్రతి ఐసోటోప్ ఎంత సాధారణమో దాని ప్రకారం భారితం చేయబడింది. ప్రతి ఐసోటోప్ ద్రవ్యరాశిని దాని భిన్నాత్మక సమృద్ధితో గుణించి, లబ్ధాలను కూడండి. భిన్నాల మొత్తం 1 కావాలి.

సాధన ఉదాహరణ 2. మెగ్నీషియంకు మూడు స్థిర ఐసోటోప్‌లు ఉన్నాయి. NIST Atomic Weights and Isotopic Compositions పట్టికల నుండి: ²⁴Mg, 23.985042 u, సమృద్ధి 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. లబ్ధాలు 18.94578, 2.49858, 2.86068 u, వాటి మొత్తం 24.30505 u. నాలుగు అంకెల సమృద్ధులకు కఠినమైన సార్థక అంకెల నియమాలను వర్తింపజేస్తే ఇది 24.31 u కు పూర్తవుతుంది. మూడు దశాంశ స్థానాలకు ఉంచితే, అది 24.305 u, చాలా ఆవర్తన పట్టికలపై ముద్రించే సంప్రదాయ విలువ.

క్లోరిన్‌కు అదే లెక్కను చేయండి, 0.7576 సమృద్ధితో 34.968853 u వద్ద ³⁵Cl ను, 0.2424 తో 36.965903 u వద్ద ³⁷Cl ను ఉపయోగించి: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. త్వరిత అంచనా తప్పులను పట్టుకుంటుంది: సగటు ఐసోటోప్ ద్రవ్యరాశుల మధ్య, ఎక్కువ సమృద్ధిగా ఉన్నదానికి దగ్గరగా ఉండాలి.

ఐసోటోప్ సమృద్ధిని కనుగొనడానికి వెనక్కి లెక్కించడం

ఒక మూలకానికి రెండు ఐసోటోప్‌లు ఉండి, మీకు పరమాణు భారం తెలిస్తే, మీరు సమృద్ధులను సాధించవచ్చు. మొదటి ఐసోటోప్ భిన్నాన్ని x అనండి; అప్పుడు రెండోది 1 − x. భారిత సగటును సమీకరణంగా రాసి x కోసం సాధించండి.

సాధన ఉదాహరణ 3. రాగికి ప్రామాణిక పరమాణు భారం 63.546, రెండు స్థిర ఐసోటోప్‌లు ఉన్నాయి, 62.929598 u వద్ద ⁶³Cu, 64.927790 u వద్ద ⁶⁵Cu (NIST). అప్పుడు 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. పునర్వ్యవస్థీకరిస్తే x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 వస్తుంది. కాబట్టి రాగి 69.15% ⁶³Cu, 30.85% ⁶⁵Cu, ఇది NIST సమృద్ధులు 0.6915, 0.3085 ను పునరుత్పత్తి చేస్తుంది.

ఈ పద్ధతి రెండు ఐసోటోప్‌లకు మాత్రమే పనిచేస్తుంది. మూడు ఉంటే, ఒక సగటు రెండు తెలియని రాశులతో ఒకే సమీకరణాన్ని ఇస్తుంది, మీకు ద్రవ్యరాశి వర్ణపటం వంటి మరో కొలత అవసరం.

ద్రవ్యరాశి వర్ణపటంలో ఐసోటోప్ నమూనాలు

ద్రవ్యరాశి స్పెక్ట్రోమీటర్ నమూనాను అయనీకరిస్తుంది, అయాన్‌లను ద్రవ్యరాశి-ఆవేశ నిష్పత్తి ప్రకారం వేరు చేస్తుంది, ప్రతి విలువ వద్దకు ఎన్ని చేరుతాయో నమోదు చేస్తుంది. ఒకే మూలకానికి, శిఖరాల ఎత్తులు నేరుగా ఐసోటోప్ సమృద్ధులను ఇస్తాయి. అణువులకు, ఐసోటోప్‌లు కలిసి గుర్తించదగిన నమూనాలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి.

సాధన ఉదాహరణ 4. Cl₂ అణు-అయాన్ నమూనాను అంచనా వేయండి. ³⁵Cl కు p = 0.7576, ³⁷Cl కు q = 0.2424 అనుకోండి. ఒక అణువు p² = 0.5740 సంభావ్యతతో ³⁵Cl–³⁵Cl (ద్రవ్యరాశి 70) గా, 2pq = 0.3673 సంభావ్యతతో ³⁵Cl–³⁷Cl (ద్రవ్యరాశి 72) గా, q² = 0.0588 సంభావ్యతతో ³⁷Cl–³⁷Cl (ద్రవ్యరాశి 74) గా ఉంటుంది. 2 కారకం ఒక్కొక్కటి ఒకటి పొందే రెండు మార్గాలను లెక్కిస్తుంది. ఎత్తైన శిఖరం 100 అయ్యేలా స్కేల్ చేస్తే, నమూనా 100 : 64.0 : 10.2.

రెండు సంక్షిప్త మార్గాలు అనుసరిస్తాయి. ఒక క్లోరిన్ పరమాణువు ఉన్న సమ్మేళనం రెండు ద్రవ్యరాశి ప్రమాణాల దూరంలో సుమారు 3 : 1 నిష్పత్తిలో శిఖరాలను చూపిస్తుంది, ఎందుకంటే p/q = 3.13. ఒక బ్రోమిన్ పరమాణువు ఉన్న సమ్మేళనం దాదాపు సమాన ఎత్తు గల రెండు శిఖరాలను చూపిస్తుంది, ఎందుకంటే NIST ⁷⁹Br ను 0.5069 గా, ⁸¹Br ను 0.4931 గా జాబితా చేస్తుంది.

మార్కులు కోల్పోయేలా చేసే పరమాణు నిర్మాణ తప్పులు

చాలా తప్పులు మూడు సంఖ్యలను కలిపేయడం వల్ల లేదా పరమాణు భారాన్ని ఒకే పరమాణువు లక్షణంగా పరిగణించడం వల్ల వస్తాయి. ఏదైనా లెక్కించే ముందు Z, A, ఆవేశాన్ని రాయండి.

• అయాన్ చేయడానికి ప్రోటాన్‌ల సంఖ్యను మార్చడం. ఆవేశం ఎలక్ట్రాన్‌లను మాత్రమే మారుస్తుంది; ప్రోటాన్‌లు మూలకాన్ని నిర్ధారిస్తాయి.
• ధన అయాన్‌కు ఎలక్ట్రాన్‌లను కలపడం. 3+ అయాన్‌కు పరమాణువు కంటే మూడు ఎలక్ట్రాన్‌లు తక్కువ.
• పరమాణు భారాన్ని ద్రవ్యరాశి సంఖ్యగా చదవడం. ఏ క్లోరిన్ పరమాణువుకూ 35.45 u ద్రవ్యరాశి లేదు; అది సుమారు 35 u, 37 u వద్ద ఉన్న పరమాణువుల సగటు.
• శాతాలను 100 తో భాగించకుండా భిన్నాలుగా ఉపయోగించడం, ఇది 100 రెట్లు పెద్ద సగటును ఇస్తుంది.
• ద్రవ్యరాశి వర్ణపటాన్ని అంచనా వేసేటప్పుడు ³⁵Cl–³⁷Cl వంటి మిశ్రమ ఐసోటోప్ జతలకు 2 కారకాన్ని మర్చిపోవడం.
• ఒకే ద్రవ్యరాశి సంఖ్య ఉన్నందున రెండు న్యూక్లైడ్‌లను ఐసోటోప్‌లు అనడం. ¹⁴C, ¹⁴N లకు A ఒకటే కానీ అవి వేర్వేరు మూలకాలు.

ద్రవ్యరాశి లోపం, అంతరాల పరమాణు భారాలు

CODATA ద్రవ్యరాశులతో ఆరు ప్రోటాన్‌లు, ఆరు న్యూట్రాన్‌లు, ఆరు ఎలక్ట్రాన్‌లను కూడితే 12.0989 u వస్తుంది, అయినా కార్బన్-12 పరమాణువు సరిగ్గా 12 u. తగ్గిన 0.0989 u, మొత్తంలో సుమారు 0.82%, కేంద్రకం ఏర్పడినప్పుడు విడుదలైన శక్తికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. ఈ ద్రవ్యరాశి లోపం వల్లే ఐసోటోప్ ద్రవ్యరాశులు పూర్ణ సంఖ్యలు కావు, కేంద్రక బంధన శక్తికి ఇదే ప్రారంభ బిందువు.

కొన్ని మూలకాలకు, సహజ మూలాల మధ్య ఐసోటోప్ మిశ్రమం తగినంతగా మారుతుంది కాబట్టి IUPAC ఐసోటోప్ సమృద్ధులు, పరమాణు భారాల కమిషన్ ఒకే సంఖ్యకు బదులు ఒక అంతరాన్ని నివేదిస్తుంది. క్లోరిన్ [35.446, 35.457] గా, మెగ్నీషియం [24.304, 24.307] గా జాబితా చేయబడ్డాయి. సాధారణ లెక్కలకు, మీ కోర్సు వేరేగా చెబితే తప్ప, 35.45, 24.305 అనే సంప్రదాయ ఏక విలువలను ఉపయోగించండి.