Cấu tạo nguyên tử và đồng vị: từ ký hiệu nuclit đến khối lượng nguyên tử

Proton, nơtron và electron theo các đơn vị đo

Proton mang điện tích +1 theo đơn vị điện tích nguyên tố, e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, và electron mang điện tích −1. Nơtron không mang điện. Khối lượng thường được cho theo đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (u, còn gọi là dalton, Da), trong đó 1 u bằng một phần mười hai khối lượng của một nguyên tử cacbon-12, 1.6605 × 10⁻²⁷ kg.

Theo các giá trị CODATA 2022 do NIST công bố, proton là 1.007276 u, nơtron là 1.008665 u và electron là 0.000549 u. Proton nặng hơn electron khoảng 1836 lần, nên gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử nằm ở hạt nhân. Hạt nhân cũng rất nhỏ: bán kính của nó vào cỡ 10⁻¹⁵ m, trong khi bán kính nguyên tử vào cỡ 10⁻¹⁰ m. Vì vậy các electron quyết định kích thước và tính chất hóa học của nguyên tử, còn hạt nhân quyết định khối lượng của nó.

Đọc ký hiệu nuclit và đếm các hạt trong ion

Số hiệu nguyên tử Z là số proton. Nó xác định nguyên tố: mọi nguyên tử có 17 proton đều là clo. Số khối A là tổng số proton và nơtron, nên số nơtron là A − Z. Ký hiệu nuclit viết A làm chỉ số trên bên trái và Z làm chỉ số dưới bên trái của ký hiệu nguyên tố, như ³⁵₁₇Cl. Vì ký hiệu nguyên tố đã cố định Z, chỉ số dưới thường được bỏ đi, cho ³⁵Cl hoặc clo-35.

Số electron chỉ bằng số proton trong nguyên tử trung hòa. Một ion có điện tích q có Z − q electron, nên điện tích dương nghĩa là ít electron hơn và điện tích âm nghĩa là nhiều electron hơn. Điện tích không bao giờ làm thay đổi hạt nhân.

Ví dụ có lời giải 1. Với ⁵⁶Fe³⁺: Z = 26, nên có 26 proton; 56 − 26 = 30 nơtron; 26 − 3 = 23 electron. Với ¹²⁷I⁻: 53 proton, 127 − 53 = 74 nơtron và 53 + 1 = 54 electron. Với ³⁴S²⁻: 16 proton, 18 nơtron và 18 electron. Lưu ý rằng ³⁴S²⁻ có cùng số electron với một nguyên tử agon; chính việc trùng số electron, chứ không phải trùng số khối, làm cho các ion trở thành đẳng electron.

Vì sao các đồng vị phản ứng giống nhau nhưng khác nhau về khối lượng

Đồng vị là các nguyên tử có cùng Z nhưng khác số nơtron. Clo-35 và clo-37 đều có 17 proton và, khi là nguyên tử trung hòa, có 17 electron. Tính chất hóa học do electron chi phối, nên hai đồng vị tạo thành cùng những hợp chất với cùng tỉ lệ.

Các tính chất phụ thuộc vào khối lượng thì có khác nhau đôi chút. Ở cùng một nhiệt độ, phân tử nhẹ hơn chuyển động nhanh hơn, và liên kết với đồng vị nặng hơn phản ứng chậm hơn một chút. Với các nguyên tố nặng, những hiệu ứng này nhỏ. Việc làm giàu urani cho thấy chúng nhỏ đến mức nào. Theo định luật Graham, tốc độ thoát khí của ²³⁵UF₆ và ²³⁸UF₆ có tỉ lệ √(M₂/M₁). Dùng khối lượng đồng vị của NIST, M(²³⁵UF₆) = 349.034 g/mol và M(²³⁸UF₆) = 352.041 g/mol, nên tỉ lệ là √(352.041/349.034) = 1.0043. Một lần đi qua màng chắn làm giàu đồng vị nhẹ hơn chưa đến nửa phần trăm, vì vậy các nhà máy làm giàu cần nhiều tầng mắc nối tiếp.

Trung bình có trọng số: từ khối lượng đồng vị đến khối lượng nguyên tử

Khối lượng nguyên tử trên bảng tuần hoàn không phải là khối lượng của một nguyên tử cụ thể nào. Đó là khối lượng trung bình của các nguyên tử của nguyên tố trong một mẫu thông thường, có trọng số theo mức độ phổ biến của từng đồng vị. Nhân khối lượng của mỗi đồng vị với phần độ phổ biến của nó rồi cộng các tích lại. Tổng các phần phải bằng 1.

Ví dụ có lời giải 2. Magie có ba đồng vị bền. Theo các bảng Atomic Weights and Isotopic Compositions của NIST: ²⁴Mg, 23.985042 u, độ phổ biến 0.7899; ²⁵Mg, 24.985837 u, 0.1000; ²⁶Mg, 25.982593 u, 0.1101. Các tích là 18.94578, 2.49858 và 2.86068 u, và tổng của chúng là 24.30505 u. Áp dụng chặt chẽ quy tắc chữ số có nghĩa cho các độ phổ biến bốn chữ số sẽ làm tròn giá trị này thành 24.31 u. Giữ đến ba chữ số thập phân, giá trị là 24.305 u, giá trị quy ước được in trên hầu hết các bảng tuần hoàn.

Thực hiện cùng phép tính cho clo, dùng ³⁵Cl là 34.968853 u với độ phổ biến 0.7576 và ³⁷Cl là 36.965903 u với 0.2424: 26.4924 + 8.9605 = 35.453 u. Một ước lượng nhanh giúp bắt lỗi: giá trị trung bình phải nằm giữa các khối lượng đồng vị và gần với đồng vị phổ biến hơn.

Tính ngược để tìm độ phổ biến của đồng vị

Nếu một nguyên tố có hai đồng vị và bạn biết khối lượng nguyên tử, bạn có thể giải tìm độ phổ biến. Gọi phần của đồng vị thứ nhất là x; khi đó phần của đồng vị thứ hai là 1 − x. Viết trung bình có trọng số thành một phương trình và giải tìm x.

Ví dụ có lời giải 3. Đồng có khối lượng nguyên tử chuẩn là 63.546 và hai đồng vị bền, ⁶³Cu là 62.929598 u và ⁶⁵Cu là 64.927790 u (NIST). Khi đó 62.929598x + 64.927790(1 − x) = 63.546. Biến đổi cho x = (64.927790 − 63.546)/(64.927790 − 62.929598) = 1.381790/1.998192 = 0.6915. Vậy đồng gồm 69.15% ⁶³Cu và 30.85% ⁶⁵Cu, khớp với độ phổ biến 0.6915 và 0.3085 của NIST.

Phương pháp này chỉ dùng được cho hai đồng vị. Với ba đồng vị, một giá trị trung bình chỉ cho một phương trình với hai ẩn, và bạn cần thêm một phép đo khác, chẳng hạn như phổ khối lượng.

Dạng đồng vị trong phổ khối lượng

Khối phổ kế ion hóa mẫu, tách các ion theo tỉ số khối lượng trên điện tích và ghi lại số ion đến tại mỗi giá trị. Với một nguyên tố đơn lẻ, chiều cao các pic cho trực tiếp độ phổ biến của đồng vị. Với phân tử, các đồng vị kết hợp với nhau và tạo ra những dạng dễ nhận biết.

Ví dụ có lời giải 4. Dự đoán dạng pic ion phân tử của Cl₂. Đặt p = 0.7576 cho ³⁵Cl và q = 0.2424 cho ³⁷Cl. Một phân tử là ³⁵Cl–³⁵Cl (khối lượng 70) với xác suất p² = 0.5740, ³⁵Cl–³⁷Cl (khối lượng 72) với xác suất 2pq = 0.3673, và ³⁷Cl–³⁷Cl (khối lượng 74) với xác suất q² = 0.0588. Hệ số 2 tính đến hai cách để có mỗi loại một nguyên tử. Quy đổi sao cho pic cao nhất là 100, dạng pic là 100 : 64.0 : 10.2.

Từ đó có hai lối tắt. Một hợp chất có một nguyên tử clo cho các pic cách nhau hai đơn vị khối lượng với tỉ lệ khoảng 3 : 1, vì p/q = 3.13. Một hợp chất có một nguyên tử brom cho hai pic có chiều cao gần bằng nhau, vì NIST ghi ⁷⁹Br là 0.5069 và ⁸¹Br là 0.4931.

Những lỗi về cấu tạo nguyên tử làm mất điểm

Hầu hết lỗi đến từ việc nhầm lẫn ba con số đếm hoặc từ việc coi khối lượng nguyên tử là tính chất của một nguyên tử đơn lẻ. Hãy viết Z, A và điện tích trước khi đếm bất cứ thứ gì.

• Thay đổi số proton để tạo ion. Điện tích chỉ thay đổi số electron; số proton cố định nguyên tố.
• Thêm electron cho ion dương. Một ion 3+ có ít hơn nguyên tử ba electron.
• Đọc khối lượng nguyên tử như số khối. Không có nguyên tử clo nào có khối lượng 35.45 u; đó là trung bình của các nguyên tử khoảng 35 u và 37 u.
• Dùng phần trăm như phần độ phổ biến mà không chia cho 100, làm giá trị trung bình lớn gấp 100 lần.
• Quên hệ số 2 cho các cặp đồng vị hỗn hợp, như ³⁵Cl–³⁷Cl, khi dự đoán phổ khối lượng.
• Gọi hai nuclit là đồng vị vì chúng có cùng số khối. ¹⁴C và ¹⁴N có cùng A nhưng là hai nguyên tố khác nhau.

Độ hụt khối và khối lượng nguyên tử dạng khoảng

Cộng sáu proton, sáu nơtron và sáu electron theo khối lượng CODATA cho 12.0989 u, nhưng một nguyên tử cacbon-12 có khối lượng đúng bằng 12 u. Phần thiếu hụt 0.0989 u, khoảng 0.82% tổng số, tương ứng với năng lượng giải phóng khi hạt nhân hình thành. Độ hụt khối này là lý do khối lượng đồng vị không phải là số nguyên, và nó là điểm xuất phát của năng lượng liên kết hạt nhân.

Với một số nguyên tố, thành phần đồng vị thay đổi đủ nhiều giữa các nguồn tự nhiên đến mức Ủy ban về Độ phổ biến đồng vị và Khối lượng nguyên tử của IUPAC công bố một khoảng thay vì một con số duy nhất. Clo được ghi là [35.446, 35.457] và magie là [24.304, 24.307]. Với các phép tính thông thường, hãy dùng các giá trị đơn quy ước, 35.45 và 24.305, trừ khi khóa học của bạn quy định khác.