Atom Yapısı ve İzotoplar: Nüklit Sembollerinden Atom Ağırlığına

Ölçülen birimlerle protonlar, nötronlar ve elektronlar

Proton, temel yük birimi cinsinden +1 yük taşır, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, elektron ise −1 yük taşır. Nötronun yükü yoktur. Kütleler genellikle birleştirilmiş atomik kütle birimiyle (u, dalton, Da olarak da adlandırılır) verilir; burada 1 u, bir karbon-12 atomunun kütlesinin on ikide biridir, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST tarafından yayımlanan 2022 CODATA değerlerine göre proton 1.007276 u, nötron 1.008665 u ve elektron 0.000549 u'dur. Proton elektrondan yaklaşık 1836 kat ağırdır; bu yüzden bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdektedir. Çekirdek ayrıca çok küçüktür: yarıçapı 10⁻¹⁵ m mertebesindeyken atomun yarıçapı 10⁻¹⁰ m mertebesindedir. Dolayısıyla bir atomun boyutunu ve kimyasını elektronlar, kütlesini ise çekirdek belirler.

Nüklit sembollerini okuma ve iyonlardaki tanecikleri sayma

Atom numarası Z proton sayısıdır. Elementi tanımlar: 17 protonu olan her atom klordur. Kütle numarası A, proton ve nötronların toplam sayısıdır; bu yüzden nötron sayısı A − Z'dir. Bir nüklit sembolü, A'yı element sembolünün sol üst simgesi, Z'yi ise sol alt simgesi olarak yazar; ³⁵₁₇Cl gibi. Sembol Z'yi zaten belirlediği için alt simge sıklıkla atlanır ve ³⁵Cl veya klor-35 yazılır.

Elektron sayısı yalnızca nötr bir atomda proton sayısına eşittir. Yükü q olan bir iyonun Z − q elektronu vardır; bu yüzden pozitif yük daha az elektron, negatif yük ise daha fazla elektron demektir. Yük çekirdeği asla değiştirmez.

Çözümlü örnek 1. ⁵⁶Fe³⁺ için: Z = 26, yani 26 proton; 56 − 26 = 30 nötron; 26 − 3 = 23 elektron. ¹²⁷I⁻ için: 53 proton, 127 − 53 = 74 nötron ve 53 + 1 = 54 elektron. ³⁴S²⁻ için: 16 proton, 18 nötron ve 18 elektron. ³⁴S²⁻'nin bir argon atomuyla aynı elektron sayısına sahip olduğuna dikkat edin; iyonları izoelektronik yapan, kütle numaralarının değil elektron sayılarının eşleşmesidir.

İzotoplar neden benzer tepkimeye girer ama kütlece farklıdır

İzotoplar, Z'si aynı ama nötron sayısı farklı olan atomlardır. Klor-35 ve klor-37'nin her ikisinin de 17 protonu ve nötr atomlar olarak 17 elektronu vardır. Kimyasal davranışı elektronlar belirler; bu yüzden iki izotop aynı bileşikleri aynı oranlarda oluşturur.

Kütleye bağlı özellikler ise biraz farklılık gösterir. Daha hafif moleküller belirli bir sıcaklıkta daha hızlı hareket eder ve daha ağır izotoplara olan bağlar biraz daha yavaş tepkimeye girer. Bu etkiler ağır elementler için küçüktür. Uranyum zenginleştirme ne kadar küçük olduklarını gösterir. Graham yasasına göre ²³⁵UF₆ ve ²³⁸UF₆'nın efüzyon hızlarının oranı √(M₂/M₁)'dir. NIST izotop kütleleri kullanılarak M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol ve M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol bulunur; dolayısıyla oran √(352.041/349.034) = 1.0043'tür. Bir bariyerden tek bir geçiş hafif izotopu yüzde yarımdan daha az zenginleştirir; zenginleştirme tesislerinin seri bağlı birçok kademeye ihtiyaç duymasının nedeni budur.

Ağırlıklı ortalamalar: izotop kütlelerinden atom ağırlığına

Periyodik tablodaki atom ağırlığı tek bir atomun kütlesi değildir. Normal bir örnekteki element atomlarının, her izotopun ne kadar yaygın olduğuna göre ağırlıklandırılmış ortalama kütlesidir. Her izotopun kütlesini kesirsel bolluğuyla çarpın ve çarpımları toplayın. Kesirlerin toplamı 1 olmalıdır.

Çözümlü örnek 2. Magnezyumun üç kararlı izotopu vardır. NIST Atom Ağırlıkları ve İzotopik Bileşimler tablolarından: ²⁴Mg, 23.985042 u, bolluk 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Çarpımlar 18.94578, 2.49858 ve 2.86068 u'dur ve toplamları 24.30505 u'dur. Dört basamaklı bolluklara katı anlamlı rakam kuralları uygulanırsa bu değer 24.31 u'ya yuvarlanır. Üç ondalık basamakta tutulursa çoğu periyodik tabloda basılı olan geleneksel değer olan 24.305 u elde edilir.

Aynı hesabı klor için yapın; bolluğu 0.7576 olan 34.968853 u'luk ³⁵Cl'yi ve 0.2424 bolluklu 36.965903 u'luk ³⁷Cl'yi kullanın: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Hızlı bir tahmin hataları yakalar: ortalama, izotop kütleleri arasında ve daha bol olana daha yakın olmalıdır.

Bir izotop bolluğunu bulmak için geriye doğru çalışma

Bir elementin iki izotopu varsa ve atom ağırlığını biliyorsanız bollukları çözebilirsiniz. Birinci izotopun kesrine x deyin; o zaman ikincisi 1 − x olur. Ağırlıklı ortalamayı bir denklem olarak yazın ve x için çözün.

Çözümlü örnek 3. Bakırın standart atom ağırlığı 63.546'dır ve iki kararlı izotopu vardır: 62.929598 u'luk ⁶³Cu ve 64.927790 u'luk ⁶⁵Cu (NIST). O hâlde 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Düzenlemek x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 verir. Yani bakır %69.15 ⁶³Cu ve %30.85 ⁶⁵Cu'dur; bu, NIST'in 0.6915 ve 0.3085 bolluklarını yeniden üretir.

Bu yöntem yalnızca iki izotop için işler. Üç izotopta tek bir ortalama iki bilinmeyenli tek bir denklem verir ve kütle spektrumu gibi başka bir ölçüme ihtiyacınız olur.

Kütle spektrumunda izotop desenleri

Bir kütle spektrometresi bir örneği iyonlaştırır, iyonları kütle/yük oranına göre ayırır ve her değere kaç iyonun ulaştığını kaydeder. Tek bir element için tepe yükseklikleri izotop bolluklarını doğrudan verir. Moleküllerde izotoplar birleşir ve tanınabilir desenler oluşturur.

Çözümlü örnek 4. Cl₂'nin moleküler iyon desenini tahmin edin. ³⁵Cl için p = 0.7576 ve ³⁷Cl için q = 0.2424 olsun. Bir molekül p² = 0.5740 olasılıkla ³⁵Cl–³⁵Cl (kütle 70), 2pq = 0.3673 olasılıkla ³⁵Cl–³⁷Cl (kütle 72) ve q² = 0.0588 olasılıkla ³⁷Cl–³⁷Cl (kütle 74) olur. 2 çarpanı, her birinden birer tane elde etmenin iki yolunu sayar. En yüksek tepe 100 olacak şekilde ölçeklendiğinde desen 100 : 64.0 : 10.2'dir.

Bundan iki kısayol çıkar. Bir klor atomu içeren bir bileşik, iki kütle birimi aralıklı tepeleri yaklaşık 3 : 1 oranında gösterir, çünkü p/q = 3.13'tür. Bir brom atomu içeren bir bileşik neredeyse eşit yükseklikte iki tepe gösterir, çünkü NIST ⁷⁹Br'yi 0.5069 ve ⁸¹Br'yi 0.4931 olarak listeler.

Puan kaybettiren atom yapısı hataları

Hataların çoğu üç sayıyı karıştırmaktan veya atom ağırlığını tek bir atomun özelliği gibi ele almaktan kaynaklanır. Herhangi bir şeyi saymadan önce Z'yi, A'yı ve yükü yazın.

• İyon oluşturmak için proton sayısını değiştirmek. Yük yalnızca elektronları değiştirir; protonlar elementi belirler.
• Pozitif bir iyon için elektron eklemek. 3+ yüklü bir iyonun atomdan üç eksik elektronu vardır.
• Atom ağırlığını kütle numarası gibi okumak. Hiçbir klor atomunun kütlesi 35.45 u değildir; bu değer yaklaşık 35 u ve 37 u kütleli atomların ortalamasıdır.
• Yüzdeleri 100'e bölmeden kesir olarak kullanmak; bu, 100 kat fazla büyük bir ortalama verir.
• Bir kütle spektrumunu tahmin ederken ³⁵Cl–³⁷Cl gibi karışık izotop çiftleri için 2 çarpanını unutmak.
• İki nüklide aynı kütle numarasına sahip oldukları için izotop demek. ¹⁴C ve ¹⁴N aynı A'yı paylaşır ama farklı elementlerdir.

Kütle kusuru ve aralıklı atom ağırlıkları

Altı proton, altı nötron ve altı elektronu CODATA kütleleriyle toplamak 12.0989 u verir, oysa bir karbon-12 atomu tam olarak 12 u'dur. Eksik 0.0989 u, toplamın yaklaşık %0.82'si, çekirdek oluşurken açığa çıkan enerjiye karşılık gelir. İzotop kütlelerinin tam sayı olmamasının nedeni bu kütle kusurudur ve nükleer bağlanma enerjisinin çıkış noktası da odur.

Bazı elementlerde izotop karışımı doğal kaynaklar arasında yeterince değişir; bu yüzden IUPAC'ın İzotop Bollukları ve Atom Ağırlıkları Komisyonu tek bir sayı yerine bir aralık bildirir. Klor [35.446, 35.457], magnezyum ise [24.304, 24.307] olarak listelenir. Dersiniz aksini söylemedikçe olağan hesaplarda geleneksel tek değerleri, 35.45 ve 24.305'i kullanın.