Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 4

Урок 1: Масспектрометрия

Изотопи и масспектрометрия

Изотопи и масспектрометрия

Класна стая на Google

Изотопи и атомно тегло. Как можем да открием изотопи с помощта на масспректрометрия.

Ключови точки:

Атомите, които имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони, се наричат изотопи.
Изотопите имат различни атомни маси.
Относителното количество на един изотоп е част от един елемент, който съществува на земята с определена атомна маса.
Атомните тегла са средните тегла, изчислени като сумата от произведенията на относителното количество на всеки изотоп и неговата атомна маса.
Относителните количества на всеки изотоп могат да се определят чрез масова спектрометрия .
Масспектрометърът йонизира атомите и молекулите с високоенергиен електронен лъч и след това отклонява йоните през магнитно поле, на база отношението на масата към заряда на йоните, start fraction, m, divided by, z, end fraction.
Масовият спектър на дадена проба показва относителното количество на всеки йон на оста y и start fraction, m, divided by, z, end fraction по оста х.

Въведение: Строеж на атома

Всичко е направено от атоми. Компютърът или екрана на телефона, ти и аз сме направени от атоми. Ако можехме да ги разгледаме отблизо с помощта на нашите високо технологични и въображаеми химични очила, щяхме да видим, че самите атоми са съставени от субатомни частици с определени свойства.

Атомът е съставен от протони, неутрони и електрони. Протоните имат заряд 1plus, електроните имат заряд 1minus, а неутроните имат заряд 0. Ядрото е съставено от протони и неутрони, а електроните са разположени извън ядрото. Това прави атома стабилен и можем да мислим за това математически като използваме правилото на Колон. На много просто ниво можем да представим атома като използваме фигура 1:

Преброяваме 2 протона в ядрото на този атом, което означава, че нашият атом е с атомно число (start text, Z, end text, times) 2. Тъй като идентичността на даден елемент се определя от атомното число, нашето заключение е, че въпросният атом трябва да е хелий. За да бъде атомът неутрален, имаме 2 електрона, които балансират положителния заряд от протоните. Но какво да кажем за неутроните, които са без заряд? Този конкретен атом хелий има 2 неутрона. Означава ли това, че всички атоми хелий трябва да съдържат по 2 неутрона?

[И ако да, защо?]

Знаем, че ако ядрото има различно атомно число, атомът ще бъде различен елемент. Това не се отнася за броя на неутроните в ядрото. Възможно е един и същи елемент да съдържа различен брой неутрони; такива атоми се наричат изотопи. Думата идва от гръцки и означава изо- - "еднакъв" и -топ- "място". Така изотопите (защото съдържат еднакъв брой протони) заемат едно и също място в периодичната система. Те се различават по броя на неутроните в ядрото и затова имат различни маси.

Маси на частици и единици за атомна маса

Атомите са изключително малки, а частиците в тях са още по-малки. Макар че говорим за масата на атомите и на частиците като за ежедневните единици като килограми и грамове, за тях всъщност използваме много по-малка единица за маса. Тази единица се нарича start text, u, end text, атомна единица за маса. По определение 1, start text, space, u, end text е равно точно на start fraction, 1, divided by, 12, end fraction от масата на един неутрален атом въглерод-12. Числото след тирето - 12, е сумата на протоните и неутроните на елемента. Въглерод-12 е избран за изотоп, който да дефинира единицата start text, u, end text, защото това е най-често срещаният изотоп на въглерода.

[Моят учебник използва "amu", а не "u". Защо?]

Проверка на понятията: Колко протона има в ядрото на един атом C-12?

[Покажи отговора.]

По-голямата част от масата на атома е съсредоточена в неговото ядро. Това е така, защото протоните и неутроните са много по-тежки от електроните. Например един протон има маса 1, comma, 673, dot, 10, start superscript, minus, 27, end superscript, start text, space, k, g, end text или 1, comma, 007, start text, space, u, end text. Един неутрон е малко по-тежък с маса 1, comma, 675, dot, 10, start superscript, minus, 27, end superscript, start text, space, k, g, end text или 1, comma, 009, start text, space, u, end text. Един електрон от друга страна има маса само 9, comma, 109, dot, 10, start superscript, minus, 31, end superscript, start text, space, k, g, end text или 5, comma, 486, dot, 10, start superscript, minus, 4, end superscript, start text, space, u, end text. Можем да обобщим тази информация в следващата таблица:

Име	Заряд	Символ	Маса left parenthesis, start text, k, g, end text, right parenthesis	Маса left parenthesis, start text, u, end text, right parenthesis	Разположение
протон	1plus	start subscript, 1, end subscript, start superscript, 1, end superscript, start text, p, end text, start superscript, plus, end superscript	1, comma, 673, dot, 10, start superscript, minus, 27, end superscript	1	в ядрото
неутрон	0	start superscript, 1, end superscript, start text, n, end text	1, comma, 675, dot, 10, start superscript, minus, 27, end superscript	1	В ядрото
електрон	1minus	start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript	9, comma, 109, dot, 10, start superscript, minus, 31, end superscript	0	Извън ядрото

От таблицата можем да направим няколко заключения. Първото е, че масите на протоните и неутроните са около 2000 пъти по-големи от масата на електрона. Затова се приема, че електроните имат пренебрежим ефект върху общата маса на атома. Това е друг начин да кажем, че, когато изчисляваме масата на атомите или молекулите, игнорираме масата на електроните. Това е показано в колоната с масите на тези частици в start text, u, end text. Масите са закръглени до най-близкото цяло число; за протоните и неутроните се приема, че имат еднакви маси 1start text, space, u, end text. Ние знаем, че неутроните са съвсем малко по-тежки от протоните, но тази малка разлика в масата в повечето случаи е без значение и можем значително да опростим нещата, като приемем, че протоните и неутроните имат еднаква маса.

Трябва да отбележи и това, че масата на електроните се приема за ~ 0start text, space, u, end text. Отново, това не е напълно вярно. Запомни, че масите на електроните са толкова малки в сравнение с масите на протоните и неутроните в ядрото, че можем просто да игнорираме масата на електроните.

Масово число и начин за означаване на изотопите

След като разбираме различните маси и заряди на протони, неутрони и електрони, можем да поговорим за понятието масово число. По определение масовото число е равно на броя на протоните плюс броя на неутроните в ядрото.

$\text{Масово число} = (\text{# протони})+(\text{# неутрони})$

Точно както атомното число определя даден елемент, можем да мислим за масовото число като определящо конкретен изотоп на даден елемент. Всъщност често срещан начин за определяне на изотоп е използването на нотацията "елемент - масово число" като въглерод - 12, което означава въглерод с масово число 12. С тази информация можем да изчислим броя на неутроните в един атом въглерод - 12 по следния начин.

Можем да преобразуваме уравнението за масово число с цел да намерим броя на неутроните:

$\begin{aligned} \text{# неутрони}&= \text{масово число} -(\text{# протони}) \\ \\ &=12-6 \\ \\ &=6\,\text{неутони във въглерод-}12 \end{aligned}$

Следователно виждаме, че атомът на въглерод-12 има 6 неутрона в ядрото. Нека видим друг пример.

Проверка на понятията: Хром-52 е най-стабилният изотоп на хрома Колко неутрони се съдържат в един атом хром-52?

[Покажи отговора.]

Вече видяхме, че изотопите се определят от масовото число, което е равно на сумата от броя на протоните и неутроните. За да покажат това по най-простия начин, химиците обикновено използват следната нотация за атомен номер, масово число и заряд чрез един символ:

На Фигура 2 имаме изотопна нотация за неутрален водород-3 и магнезий-24 катион. В центъра е химичния символ на всеки елемент. В долния ляв ъгъл е атомния номер, който отговаря на броя на протоните в ядрото. Над него е масовото число, което е равно на сумата на броя на протоните и броя на неутроните в атома. В горния десен ъгъл е заряда на съединението, ако има такъв. Не забравяй, че за неутралните атоми зарядът е нула и там няма да пише нищо.

Атомна маса и масово число (съпоставка)

Концепцията за атомна маса е много близка до масовото число. Атомната маса е масата на конкретен изотоп на елемент в единица start text, u, end text или start text, a, m, u, end text. Тъй като масата на един неутрон и масата на един протон са много близки до 1 start text, a, m, u, end text, атомната маса на един изотоп често е много близка до масовото число. Те обаче са много различни! Масовото число е цяло число, тъй като броят на протоните и неутроните винаги е цяло число (не може да има 1,05 протона или 0,27 неутрона). Масовото число обикновено се записва безразмерно. За разлика от него атомната маса е цяло число само ако я закръглим до най-близкото цяло число и има единица за маса (start text, u, end text).

Друг термин, който често се бърка с понятията за атомна маса и масово число, е атомното тегло, което е свързано с тях, но е различен термин. Не се притеснявай, ще говорим за атомно тегло в следващата тема!

Относително количество и атомно тегло

Има два стабилни изотопа на хлора: хлор-35 и хлор-37.

[Какво да кажем за хлор-36?]

Въпреки това, ако погледнеш периодичната система, че видиш, че масата на хлорния атом е 35,45start text, space, u, end text. От къде идват числата след десетичната запетая? Ако предполагаш, че това число може да е масата на среден атом хлор, това ще бъде вярно. Всъщност всички маси, които виждаш на периодичната система, са средни стойности на масите и количествата на всички стабилни изотопи на всеки елемент. Тези средни маси се наричат атомни тегла. За сравнение атомната маса се отнася за конкретен изотоп. Използваме атомните маси, за да изчислим атомното тегло на даден елемент.

Да разгледаме атомното тегло на хлора. Както вече казахме, хлорът има два стабилни изотопа: хлор-35 и хлор-37. Атомното тегло на хлора, дадено в периодичната система, е 35,45start text, space, u, end text. Това предизвиква въпроса защо атомното тегло на хлора не е просто средното на 35 и 37, което е 36start text, u, end text?

Отговорът е свързан с факта, че различните изотопи имат различно относително разпространение, което означава, че някои изотопи са по-разпространени на Земята отколкото други. В случая на хлора хлор-35 има относително разпределение 75,76%, докато хлор-37 има относително разпределение 24,24%. Забележи, че относителното разпространение е процентна стойност и всички различни стабилни изотопи на един елемент се сумират до 100%. Атомното тегло, което виждаш на периодичната система, е средно претеглено, изчислено от тези стойности. За да покажем това по-добре, нека да изчислим атомното тегло на хлора.

[Когато се изчислява молекулно тегло, атомно тегло ли използваме или атомна маса?]

Пример: изчисляване на атомното тегло на хлора

Когато искаме да изчислим средно претеглено, умножаваме стойността на всеки елемент в нашата колекция - в нашия случай атомната маса на всеки изотоп на хлора - по неговото относително разпространение, изразено като дроб, а след това събираме всички произведения. Това се записва по следния начин:

start text, а, т, о, м, н, о, space, т, е, г, л, о, end text, equals, sum, start subscript, i, equals, 1, end subscript, start superscript, n, end superscript, left parenthesis, start text, о, т, н, о, с, и, т, е, л, н, о, space, р, а, з, п, р, о, с, т, р, а, н, е, н, и, е, end text, dot, start text, а, т, о, м, н, а, space, м, а, с, а, end text, right parenthesis, start subscript, i, end subscript

Ако приложим тази формула за хлора, получаваме следното:

\begin{aligned}\text{атомно тегло на хлор} &= (0{,}7576\cdot34{,}969\text{ u})+(0{,}2424\cdot36{,}966\text{ u}) \\ \\ &= 26{,}49 \,\text u+8{,}960\,\text u \\ \\ &= 35{,}45\text { u} \end{aligned}

Можем да видим, че тъй като хлор-35 е около 3 по-разпространен от хлор-37, средното претеглено е по-близко до 35, отколкото до 37.

Проверка на понятията: Бромът има два стабилни изотопа - Br 79 и Br 81. Относителното количество на всеки от тях е съответно 50,70% и 49,30%. До коя стойност е по-близко атомното тегло на брома - 79, 80 или 81start text, space, u, end text?

[Покажи отговора.]

Масспектрометрия

Знаем как да намерим атомните тегла като изчислим средните претеглени стойности с относителното разпространение. Но от къде идват тези относителни разпространения? Например как знаем, че 75,76% от всичкия хлор на Земята е хлор-35?

Отговорът е, че тези относителни разпространения могат да се определят експериментално с техника, наречена масспектрометрия.

Фигура 3: Диаграма на масспектрометър. В машината е поставена проба, изпарена е с нагревател и след това е йонизирана с поток от високоенергийни електрони. Получените йони са ускорени през паралелни електрически плоскости и след това са отклонени от магнитно поле преди да достигнат детектора. Изображение from Openstax, CC BY 4.0.

В инструмента на масспектрометъра се поставя проба от елемента, който ни интересува. Пробата - обикновено воден или органичен разтвор - се изпарява с нагревател, а след това се обстрелва с високо енергийни електрони. Тези електрони са достатъчно силни, за да избият електроните от атомите в пробата, което образува катиони от пробата. Тези катиони се ускоряват през електрически пластини и след това се отклоняват с магнитно поле.

След като йоните достигнат магнитното поле, различна част от тях се отклонява в зависимост от скоростта и заряда. Йоните, които се движат по-бавно, по-тежкит йони, се отклоняват по-малко, а йоните, които се движат по-бързо, по-леките йони, се отклоняват повече. Помисли за силата, която трябва да приложиш, за да ускориш една топка за боулинг и силата, с която ускоряваш една топка за тенис. Много по-лесно е да ускориш топката за тенис! Освен това колкото по-голям заряд има един йон, толкова повече ще се отклони.

Количеството на отклонените йони е обратно пропорционално на тяхното отношение маса-заряд, start fraction, m, divided by, z, end fraction, където m е равно на масата на един йон, а z е равно на заряда. Детекторът записва стойностите на start fraction, m, divided by, z, end fraction за всеки йон, както и колко йона вижда. Относителното разпространение на конкретен йон в пробата може да бъде изчислено от броя на йоните от този вид по общия брой записани йони. След това инструментът генерира масспектър за пробата, на който са отразени относителните разпространения към отношението маса-заряд, start fraction, m, divided by, z, end fraction.

Проверка на понятията: Проба с химичния елемент мед се инжектира в масспектрометър. След като пробата се изпари и йонизира, се установяват йоните start superscript, 63, end superscript, start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript и start superscript, 65, end superscript, start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript. Кой йон се отклонява повече в спектрометъра?

[Покажи отговора.]

Анализиране на получения спектър на циркония

Да приемем, че анализираме проба цикроний с атомно число 40, като използваме масспектрометрия. След като поставим пробата в инструмента, ще получим масспектър, който изглежда като този на фигура 4, където височината на пика е пропорционална на относителното разпространение за дадена стойност на start fraction, m, divided by, z, end fraction:

Проверка на понятията: Въз основа на този спектър, кой е най-разпространеният изотоп на циркония в нашата проба?

[Покажи отговора.]

Въз основа на относителната височина или интензитет на пиковете за дадено отношение маса-заряд можем да намерим относителните разпространения на изотопите. Тези пикове са отбелязани в симулирания масспектър с приет заряд plus, 1 за изобразените йони, което ни позволява да изчислим атомната маса на всеки изотоп. С тази информация можем да изчислим атомното тегло на циркония като намерим средната претеглена стойност на атомната маса за всеки изотоп. За да направиш това, разгледай задачата по-долу!

Днес вече знаем атомните тегла за всички най-често срещани елементи и затова не е необходимо да изследваме отделните елементи с маспектрометрия - освен за учебна цел! В повечето случаи химиците използват масспектрометрията за да определят структурата или за да идентифицират непознати молекули и съединения. В днешния свят масспектрометрията е безценен аналитичен инструмент, не само в химията, но и в медицината, в съдебни и екологични науки и други важни области.

Резюме

Атомите, които имат еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони са известни като ** изотопи*.
Изотопите на даден елемент имат различни атомни маси.
Относителното количество на един изотоп е част от даден елемент, който съществува на земята с определена атомна маса.
Атомните тегла са средни претеглени, изчислени чрез умножаване на относителното количество на всеки изотоп по атомната му маса, и следва събиране на всички произведения.
Относителните количества на всеки изотоп могат да се определят чрез масова спектрометрия.
Масспектрометърът йонизира атомите и молекулите с високоенергиен електронен лъч и след това отклонява йоните през магнитно поле, на база отношението на масата към заряда на йоните, start fraction, m, divided by, z, end fraction.
Масовият спектър на дадена проба показва относителното количество на всеки йон на оста y и start fraction, m, divided by, z, end fraction по оста х.

[Източници и препратки]

Опитай!

От симулирания масспектър на циркония по-горе получаваме следните атомни маси и относителни разпространения за изотопите на циркония:

Изотоп	start text, Z, r, negative, end text, 90	start text, Z, r, negative, end text, 91	start text, Z, r, negative, end text, 92	start text, Z, r, negative, end text, 94	start text, Z, r, negative, end text, 96
Атомна маса (start text, u, end text)	89, comma, 905	90, comma, 906	91, comma, 905	93, comma, 906	95, comma, 908
Относително количество (percent)	51, comma, 45	11, comma, 22	17, comma, 15	17, comma, 38	2, comma, 80

Какво е атомното тегло на циркония според пробата на нашия масспректрометър?
Напиши отговора си като десетична дроб, закръглена до знака на стотните.

start text, u, end text

[Подсказка 1]

[Подсказка 2]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.