Atom tuzilishi va izotoplar: nuklid belgilaridan atom og'irligigacha

Proton, neytron va elektron o'lchangan birliklarda

Proton elementar zaryad birliklarida +1 zaryadga ega, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, elektron esa −1 zaryadga ega. Neytronning zaryadi yo'q. Massalar odatda atom massa birliklarida beriladi (u, daltonlar, Da deb ham ataladi), bunda 1 u uglerod-12 atomi massasining o'n ikkidan bir qismi, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

NIST e'lon qilgan 2022 yilgi CODATA qiymatlariga ko'ra, proton 1.007276 u, neytron 1.008665 u va elektron 0.000549 u. Proton elektrondan taxminan 1836 marta og'ir, shuning uchun atom massasining deyarli hammasi yadroda joylashgan. Yadro juda kichik ham: uning radiusi 10⁻¹⁵ m tartibida, atomning radiusi esa 10⁻¹⁰ m tartibida. Shu sababli atomning o'lchami va kimyosini elektronlar, massasini esa yadro belgilaydi.

Nuklid belgilarini o'qish va ionlardagi zarrachalarni sanash

Atom raqami Z — protonlar soni. U elementni belgilaydi: 17 ta protonli har bir atom xlordir. Massa soni A — protonlar va neytronlarning umumiy soni, shuning uchun neytronlar soni A − Z. Nuklid belgisida A element belgisining chap yuqorisida, Z esa chap pastida yoziladi, masalan ³⁵₁₇Cl. Belgining o'zi Z ni aniqlab qo'ygani uchun pastki indeks ko'pincha tushirib qoldiriladi va ³⁵Cl yoki xlor-35 yoziladi.

Elektronlar protonlarga faqat neytral atomda teng. q zaryadli ionda Z − q ta elektron bor, shuning uchun musbat zaryad kamroq elektronni, manfiy zaryad esa ko'proq elektronni bildiradi. Zaryad hech qachon yadroni o'zgartirmaydi.

1-yechilgan misol. ⁵⁶Fe³⁺ uchun: Z = 26, demak 26 ta proton; 56 − 26 = 30 ta neytron; 26 − 3 = 23 ta elektron. ¹²⁷I⁻ uchun: 53 ta proton, 127 − 53 = 74 ta neytron va 53 + 1 = 54 ta elektron. ³⁴S²⁻ uchun: 16 ta proton, 18 ta neytron va 18 ta elektron. E'tibor bering, ³⁴S²⁻ da argon atomidagi kabi elektronlar soni bor; ionlarni izoelektron qiladigan narsa massa sonlarining emas, elektronlar sonining mos kelishidir.

Nima uchun izotoplar o'xshash reaksiyaga kirishadi, lekin massada farq qiladi

Izotoplar — Z bir xil, lekin neytronlar soni har xil bo'lgan atomlar. Xlor-35 va xlor-37 ikkalasida ham 17 ta proton va neytral atom sifatida 17 ta elektron bor. Kimyoviy xulq-atvorni elektronlar boshqaradi, shuning uchun ikki izotop bir xil birikmalarni bir xil nisbatlarda hosil qiladi.

Massaga bog'liq xossalar esa biroz farq qiladi. Berilgan haroratda yengilroq molekulalar tezroq harakatlanadi va og'irroq izotoplar bilan hosil qilingan bog'lar biroz sekinroq reaksiyaga kirishadi. Og'ir elementlar uchun bu ta'sirlar kichik. Uranni boyitish ularning qanchalik kichikligini ko'rsatadi. Grem qonuniga ko'ra, ²³⁵UF₆ va ²³⁸UF₆ ning effuziya tezliklari √(M₂/M₁) nisbatda. NIST izotop massalaridan foydalanib, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol va M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, shuning uchun nisbat √(352.041/349.034) = 1.0043. To'siqdan bir marta o'tish yengilroq izotopni yarim foizdan ham kamroq boyitadi, shuning uchun boyitish zavodlariga ketma-ket ulangan ko'plab bosqichlar kerak.

Tortilgan o'rtacha: izotop massalaridan atom og'irligigacha

Davriy jadvaldagi atom og'irligi biror bitta atomning massasi emas. Bu elementning oddiy namunadagi atomlarining har bir izotop qanchalik keng tarqalganiga qarab tortilgan o'rtacha massasi. Har bir izotop massasini uning ulushdagi tarqalganligiga ko'paytiring va ko'paytmalarni qo'shing. Ulushlar yig'indisi 1 ga teng bo'lishi kerak.

2-yechilgan misol. Magniyning uchta barqaror izotopi bor. NIST ning Atom og'irliklari va izotop tarkiblari jadvallaridan: ²⁴Mg, 23.985042 u, tarqalganlik 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Ko'paytmalar 18.94578, 2.49858 va 2.86068 u, ularning yig'indisi 24.30505 u. To'rt xonali tarqalganliklarga qat'iy muhim raqamlar qoidalari qo'llansa, bu 24.31 u gacha yaxlitlanadi. Uch o'nli xonagacha saqlansa, bu 24.305 u, ko'pchilik davriy jadvallarda bosilgan an'anaviy qiymat.

Xlor uchun ham xuddi shu hisobni bajaring: ³⁵Cl 34.968853 u, tarqalganligi 0.7576 va ³⁷Cl 36.965903 u, 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Tezkor baholash xatolarni aniqlaydi: o'rtacha qiymat izotop massalari orasida va ko'proq tarqalganiga yaqinroq bo'lishi kerak.

Izotop tarqalganligini topish uchun teskari hisoblash

Agar elementning ikkita izotopi bo'lsa va atom og'irligini bilsangiz, tarqalganliklarni topishingiz mumkin. Birinchi izotop ulushini x deb belgilang; unda ikkinchisi 1 − x bo'ladi. Tortilgan o'rtachani tenglama sifatida yozing va x ni toping.

3-yechilgan misol. Misning standart atom og'irligi 63.546 va ikkita barqaror izotopi bor: ⁶³Cu 62.929598 u va ⁶⁵Cu 64.927790 u (NIST). Unda 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Tenglamani o'zgartirib x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915 ni olamiz. Demak, mis 69.15% ⁶³Cu va 30.85% ⁶⁵Cu dan iborat, bu NIST ning 0.6915 va 0.3085 tarqalganliklarini takrorlaydi.

Bu usul faqat ikkita izotop uchun ishlaydi. Uchtasi bo'lganda bitta o'rtacha qiymat ikki noma'lumli bitta tenglamani beradi va sizga mass-spektr kabi yana bir o'lchash kerak bo'ladi.

Mass-spektrdagi izotop manzaralari

Mass-spektrometr namunani ionlaydi, ionlarni massaning zaryadga nisbati bo'yicha ajratadi va har bir qiymatga qanchasi yetib kelganini qayd etadi. Bitta element uchun cho'qqilar balandligi izotoplar tarqalganligini bevosita beradi. Molekulalar uchun izotoplar birlashib, taniladigan manzaralar hosil qiladi.

4-yechilgan misol. Cl₂ ning molekulyar ion manzarasini oldindan ayting. ³⁵Cl uchun p = 0.7576 va ³⁷Cl uchun q = 0.2424 bo'lsin. Molekula p² = 0.5740 ehtimollik bilan ³⁵Cl–³⁵Cl (massa 70), 2pq = 0.3673 ehtimollik bilan ³⁵Cl–³⁷Cl (massa 72) va q² = 0.0588 ehtimollik bilan ³⁷Cl–³⁷Cl (massa 74) bo'ladi. 2 ko'paytuvchisi har biridan bittadan olishning ikki usulini hisobga oladi. Eng baland cho'qqi 100 bo'ladigan qilib masshtablansa, manzara 100 : 64.0 : 10.2 bo'ladi.

Bundan ikkita qisqa yo'l kelib chiqadi. Bitta xlor atomli birikma bir-biridan ikki massa birligi uzoqlikdagi, taxminan 3 : 1 nisbatdagi cho'qqilarni ko'rsatadi, chunki p/q = 3.13. Bitta brom atomli birikma deyarli teng balandlikdagi ikkita cho'qqini ko'rsatadi, chunki NIST ⁷⁹Br ni 0.5069 va ⁸¹Br ni 0.4931 deb keltiradi.

Ball yo'qotishga olib keladigan atom tuzilishi xatolari

Ko'pchilik xatolar uchta sonni chalkashtirishdan yoki atom og'irligini bitta atomning xossasi deb hisoblashdan kelib chiqadi. Biror narsani sanashdan oldin Z, A va zaryadni yozing.

• Ion hosil qilish uchun protonlar sonini o'zgartirish. Zaryad faqat elektronlarni o'zgartiradi; protonlar elementni belgilaydi.
• Musbat ion uchun elektron qo'shish. 3+ ionda atomga qaraganda uchta kam elektron bor.
• Atom og'irligini massa soni deb o'qish. Hech bir xlor atomining massasi 35.45 u emas; bu taxminan 35 u va 37 u li atomlarning o'rtachasi.
• Foizlarni 100 ga bo'lmasdan ulush sifatida ishlatish, bu 100 marta katta o'rtachani beradi.
• Mass-spektrni oldindan aytishda ³⁵Cl–³⁷Cl kabi aralash izotop juftlari uchun 2 ko'paytuvchisini unutish.
• Ikki nuklidni massa sonlari bir xil bo'lgani uchun izotop deb atash. ¹⁴C va ¹⁴N ning A si bir xil, lekin ular turli elementlar.

Massa defekti va oraliq ko'rinishidagi atom og'irliklari

CODATA massalari bilan oltita proton, oltita neytron va oltita elektronni qo'shsak 12.0989 u chiqadi, holbuki uglerod-12 atomi aynan 12 u. Yetishmayotgan 0.0989 u, ya'ni umumiy massaning taxminan 0.82% i, yadro hosil bo'lganda ajralgan energiyaga mos keladi. Izotop massalari butun son bo'lmasligining sababi shu massa defekti va u yadro bog'lanish energiyasining boshlang'ich nuqtasidir.

Ba'zi elementlar uchun izotoplar aralashmasi tabiiy manbalar orasida shunchalik farq qiladiki, IUPAC ning Izotoplar tarqalganligi va atom og'irliklari bo'yicha komissiyasi bitta son o'rniga oraliqni e'lon qiladi. Xlor [35.446, 35.457], magniy esa [24.304, 24.307] deb keltirilgan. Oddiy hisoblashlar uchun, agar kursingizda boshqacha aytilmagan bo'lsa, an'anaviy yagona qiymatlar 35.45 va 24.305 dan foydalaning.