If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Изотопи и масспектрометрия

Ключови точки:

  • Атомите, които имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони, се наричат изотопи.
  • Изотопите имат различни атомни маси.
  • Относителен дял на разпространение на даден изотоп е процентът атоми с дадена атомна маса, срещащи се в проба от елемента с естествен произход.
  • Средната атомна маса на един елемент е претеглената средна стойност, изчислена като сума от произведенията от относителните дялове на разпространение на изотопите на елемента и техните атомни маси.
  • Относителният дял на всеки изотоп може да бъде определен с помощта на масспектрометрия.
  • Един масспектрометър йонизира атоми и молекули с високоенергиен електронен сноп и после отклонява йоните през магнитно поле въз основа на съотношенията маса-заряд (m/z).
  • Масовият спектър на една проба показва относителните дялове на йоните на оста у и техните m/z съотношения на оста х. Ако z=1 за всички йони, тогава оста х може вместо това да бъде означена с единици атомна маса (u).

Въведение: Строеж на атома

Всичко е съставено от атоми. Тези малки градивни блокове на материята съставят компютъра ти или телефонния ти екран, стола, на който седиш, дори собственото ти тяло. Ако можехме да увеличим достатъчно, щеше да видиш, че самите атоми са изградени от още по-малки съставни части, които наричаме субатомни частици.
В един атом има три основни вида субатомни частици: протони, неутрони и електрони. Протонът има заряд 1+, електронът има заряд 1, а неутронът има заряд 0. Протоните и неутроните се намират в ядрото в центъра на атома, докато електроните се намират в орбитали, които ограждат ядрото. Тъй като електроните са отрицателно заредени, те са силно привлечени към положително заредените протони в ядрото.
Можем да представим частиците, които изграждат един атом (в този случай неутрален хелиев атом), като използваме опростена схема като тази:
Схема на неутрален атом хелий. Протоните и неутроните се намират в ядрото, докато електроните обикалят "по орбити" около ядрото. Източник на изображението: "Sub-atomic particles" by Chemistry LibreTexts, CC BY-NC-SA 3.0.
Според диаграмата този хелиев атом съдържа два протона, два неутрона и два електрона. Броят протони и електрони са логични: атомният номер на хелия е 2, така че всеки хелиев атом трябва да има два протона в ядрото си (иначе ще е атом на различен елемент!). И понеже това е неутрален атом, той трябва да съдържа и два електрона, за да балансира положителния заряд от ядрото. Но какво да кажем за броя неутрони? Всички хелиеви атоми ли имат два неутрона в ядрата си?
Оказва се, че това не е така! Знаем, че атомите с различен брой протони в ядрата си са различни елементи. Но това не е вярно, когато става въпрос за неутроните: атомите на един и същ елемент могат да съдържат различен борй неутрони в ядрата си и пак да запазят идентичността си. Такива атоми се наричат изотопи и един елемент може да има много различни изотопи.
Думата изотоп идва от древногръцки: представката изо- означава "еднакъв", докато -топ (от гръцката дума топос) означава "място". Изотопите на даден елемент винаги съдържат един и същ брой протони и, следователно, заемат едно и също място в периодичната система. Но тъй като изотопите съдържат различен брой неутрони, всеки изотоп има уникална атомна маса.

Маси на частици и единици за атомна маса

Как изразяваме масата на един атом? Понеже атомите са толкова малки (а субатомните частици са още по-малки!), не можем лесно да използваме познатите в ежедневието единици като грамове или килограми, за да опишем количествено масите на тези частици. Затова учените са разработили единица за атомна маса u, която ни позволява да работим с маси на ниво атоми и молекули.
По определение 1 u е равна точно на една дванадесета от масата на един неутрален атом на въглерод 12, който е най-често срещаният изотоп на въглерода. Числото 12 след тирето е сборът от броя на протоните и неутроните в този конкретен изотоп на въглерода.
Проверка на понятията: Колко протона има в ядрото на един атом въглерод-12?
За да видим колко полезна може да е единицата за атомна маса, нека разгледаме масите на протоните, неутроните и електроните и в kg, и в u:
ЧастицаЗарядМаса (kg)Маса (u)Местоположение
протон1+1,67310271,007в ядрото
неутрон01,67510271,009в ядрото
електрон19,10910315,486104извън ядрото
Използването на единиците за атомна маса прави много по-лесно разглеждането и сравняването на масата на тези частици. Например от стойностите по-горе можем да видим, че протоните и неутроните са много по-тежки от електроните (почти 2000 пъти, за да сме точни!) Това означава, че по-голямата част от масата на атома се намира в неговото ядро.
Всъщност се оказва, че масата на един електрон е толкова малка спрямо масата на протоните и неутроните, че се приема, че електроните имат пренебрежим ефект върху общата маса на атома. Това е засукан начин да кажем, че когато изчисляваме масата на един атом или молекула, можем безопасно да игнорираме масите на електроните. Понякога може още малко да опростим тези изчисления, като приемем, че и протоните, и неутроните имат маса точно 1u. Но в тази статия по принцип ще работим с атомни маси, които са изчислени с по-голяма точност.

Масово число и начин за означаване на изотопите

След като разгледахме различните заряди и маси на протоните, неутроните и електроните, можем да обсъдим понятието масово число. По определение масовото число на един атом е равно просто на броя протони плюс броя неутрони в ядрото му.
Масово число=(брой протони)+(брой неутрони)
Точно както атомният номер определя вида на един елемент, по същия начин масовото число определя вида на конкретния изотоп на даден елемент. Всъщност един често срещан начин за означаване на даден изотоп е записването му като "име на елемента-масово число", както вече видяхме при въглерод-12.
Важно е, че можем да използваме масовото число на един изотоп, за да изчислим броя неутрони в ядрото му. Например нека използваме масовото число на въглерод-12 и уравнението по-горе, за да изчислим колко неутрона има в един атом въглерод-12. След като пренаредим уравнението, за да намерим броя неутрони, получаваме:
брой неутрони=масово число(брой протони)=126=6неутрони във въглерод-12
Тоест един атом въглерод-12 има 6 неутрона в ядрото си. Да видим друг пример.
Проверка на понятията: Хром-52 е най-стабилният изотоп на хрома. Колко неутрона има в един атом хром-52?
Друг начин, по който химиците често представят изотопите, е чрез използването на изотопно обозначение, също познато като ядрено обозначение. Изотопното обозначение показва атомния номер, масовото число и заряда на изотопа в един символ. Представи си, например, изотопното обозначение за неутрален водород-3 и катион на магнезий-24.
Изотопно обозначение на неутрален водород-3 (вляво) и катион магнезий-24 със заряд 2+ (вдясно).
Както виждаш, химичните символи за водорода и магнезия са записани в центъра на обозначението за всеки изотоп. Вляво от тези символи са атомният номер и масовото число на всеки изотоп, а вдясно е сумарният заряд на изотопа. Сумарният заряд не се посочва за неутрални атоми, както в обозначението за водород-3 по-горе.

Атомна маса и масово число (съпоставка)

Масовото число на изотопа е близко свързано с атомната му маса, което е масата на изотопа, изразена в единици u. Тъй като масата на един неутрон и масата на един протон са много близки до 1u, атомната маса на един изотоп често е почти същата като масовото му число. Но не обърквай двете числа! Масовите числа винаги са цели числа (тъй като броят протони и неутрони в ядрото може да е само цяло число) и обикновено се записват без мерни единици. За разлика от тях атомните маси почти никога не са цели числа (освен ако не са били закръглени) и винаги са дадени в единици за атомна маса (u).
Друг термин, който обърква учениците, защото го намират за много подобен на термините атомна маса и масово число, е средна атомна маса (понякога наричана атомно тегло), което е свързано понятие. Но не се тревожи, ще обсъдим средната атомна маса в следващия раздел!

Относителен дял на разпространение и средна атомна маса

Съществуват два стабилни изотопа на хлора: хлор-35 и хлор-37.
Атомната маса на хлор-35 е 34,97u, а атомната маса на хлор-37 е 36,97u. И все пак, ако погледнеш периодичната система, ще видиш, че масата на хлора е дадена като 35,45u. Откъде идва тази стойност?
Ако предположи, че това е средната маса на хлорните атоми, това е правилно. Всъщност всички маси, които са дадени в периодичната система, са средни стойности, всяка базирана на атомните маси и относителният дял на разпространение на стабилните изотопи на елемента. Тези средни маси се наричат средни атомни маси, или, в някои учебници, атомни тегла.
Нека помислим повече за средната атомна маса на хлора. Ако атомните маси на хлор-35 и хлор-37 са съответно 34,97 и 36,97u, тогава защо средната атомна маса на хлора не е просто средноаритметичното на тези две стойности?
Отговорът е свързан с факта, че различните изотопи имат различни относителни дялове на разпространение, което означава, че някои изотопи естествено са по-разпространени в природата от други. В случая с хлора хлор-35 има относителен дял на разпространение 75,76%, докато хлор-37 има относителен дял на разпространение 24,24%. Относителните дялове на разпространение обикновено се дават като проценти, което означава, че относителните дялове на всички стабилни изотопи на един елемент винаги дават сбор от 100%. Средната атомна маса на един елемент е претеглената средна стойност, изчислена от тези стойности. За да илюстрираме това по-долу, ще изчислим средната атомна маса на хлора.

Пример: Изчисляване на средната атомна маса на хлора

Спомни си, че средната атомна маса на един елемент е претеглената средна стойност. Когато искаме да изчислим претеглена средна стойност, умножаваме стойността на всеки елемент в набора ни – в този случай атомната маса на всеки изотоп на хлора – по относителния дял на разпространение, изразено като дроб, а после сборуваме всички произведения. Това може да бъде записано по следния начин:
средна атомна маса=i=1n(относителен дял на разпространениеатомна маса)i
Като заместим стойностите за хлора, получаваме:
средна атомна маса на хлора=(0,757634,97u)+(0,242436,97u)=26,49u+8,96u=35,45u
Понеже хлор-35 се среща около три пъти по-често от хлор-37, претеглената средна стойност е по-близка до 35u, отколкото до 37u.
Проверка на понятията: Бромът има два стабилни изотопа – бром-79 и бром-81. Относителният дял на разпространение на изотопите е съответно 50,70% и 49,30%. Атомното тегло на брома по-близо до кое е: до 79, 80 или до 81u?

Масспектрометрия

Сега знаем как да намерим средната атомна маса, като изчислим претеглената средна стойност от атомните маси и относителните дялове на разпространение. Но откъде идват стойностите за тези относителни дялове на разпространение? Откъде знаем, например, че 75,76% от всички хлорни атоми на Земята са хлор-35?
Отговорът е, че тези относителни дялове на разпространение се определят експериментално чрез техника, наречена масспектрометрия.
Диаграма на масспектрометър. Проба бива инжектирана в уреда, изпарена от нагревател, а после йонизирана от поток високоенергийни електрони. Получаващите се йони биват ускорени през успоредни електрични плочи и после отклонени в магнитно поле, след което достигнат до детектор. Изображение на: "Atomic Structure and Symbolism: Figure 5" by OpenStax Chemistry, CC BY 4.0.
При масспектрометрията проба, която съдържа атомите или молекулите, които ни интересуват, се инжектира в уред, наречен масспектрометър. Пробата – обикновено във воден или органичен разтвор – веднага бива изпарена от нагревател и изпарената проба после бива бомбардирана от високоенергийни електрони. Тези електрони имат достатъчно енергия, за да отделят електроните от атомите в пробата – процес, при който се получават положително заредени йони. Тези йони после биват ускорени през електрични плочи и отклонени от магнитно поле (Фигура 3).
Отклонението на всеки йон зависи от бързината и заряда му. Йоните, които се движат по-бавно (тоест по-тежките йони), се отклоняват по-малко, докато йоните, които се движат по-бързо (тоест по-леките йони), се отклоняват повече. (Сравни силата, която трябва да приложиш, за да ускориш топка за боулинг, и силата, която ти трябва, за да ускориш топка за тенис – трябва ти много по-малко сила, за да ускориш топка за тенис!) Освен това магнитното поле отклонява йоните с по-високи заряди повече от йоните с по-ниски заряди.
Отклонението на даден йон е обратнопропорционално на неговото съотношение маса към заряд m/z, където m е равно на масата на йона, а z е равно на заряда му. След като бъдат отклонени, йоните стигат до детектор в масспектрометъра, който измерва две неща: (1) съотношението m/z за всеки йон и (2) колко йона с определено съотношение m/z вижда. Относителният дял на специфичен йон в пробата може да се изчисли, като се раздели броят йони с определено съотношение m/z на общия брой засечени йони. В края на експеримента уредът генерира масов спектър за пробата, в кято виждаме относителният дял на частиците спрямо m/z.
Проверка на понятията: Проба с химичния елемент мед се инжектира в масспектрометър. След като пробата се изпари и йонизира, се установяват йоните 63Cu2+ и 65Cu2+. Кой йон се отклонява повече в спектрометъра?
В някои експерименти всички йони, генерирани в масспектрометъра, имат заряд 1+. В този случай съотношението m/z за всеки йон е равно просто на m, т.е. на атомната маса на йона. В резултат на това в някои по-прости масови спектри атомната маса в u е на оста х, а не m/z, както в спектъра за циркония по-долу (Фигура 4).

Анализиране на получения спектър на циркония

Предположи, че сме анализирали средна проба от чист цирконий (атомен номер 40), използвайки масспектрометрия. След като поставим пробата в уреда, ще получим масов спектър, който изглежда ето така:
Масовият спектър за средна проба чист цирконий.
Какво разкрива този спектър за циркония? Първо, има пет пика в спектъра, което означава, че има пет естествено образуващи се изотопи на циркония. Важно е, че височината на всеки пик ни показва колко е относителният дял на всеки изотоп на циркония спрямо другите изотопи.
Проверка на понятията: Въз основа на този спектър определи кой е най-често срещаният естествен изотоп на циркония.
Накрая обърни внимание, че оста х е отбелязана като "атомна маса (u)," а не m/z (което означава, че всички йони, генерирани по време на този експеримент, са имали заряд 1+). Така че знаем и атомната маса на изотопите, която можем да използваме заедно с относителните им дялове, за да изчислим средната атомна маса на циркония в пробата. Ако искаш да пробваш да направиш самостоятелно това изчисление, виж примерната задача в края на статията!
Днес вече са известни средните атомни маси на повечето от елементите в периодичната система, така че не е необходимо да анализираме отделните елементи с масспектрометрия – освен за да обучаваме ученици! В повечето случаи работещите химици използват масспектрометрия в лабораторията, за да определят химичните формули или структури на неизвестни молекули и съединения. Масспектрометрията също намира ценно приложение в други области, сред които са медицина, криминология, проучване на космоса и много други. Дали ще се използва за анализиране на атмосферата на непроучена планета, или за характеризиране на новосинтезирано вещество, масспектрометрията е важен инструмент за развитие на научното познание.

Резюме

  • Атомите, които имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони, се наричат изотопи.
  • Изотопите имат различни атомни маси.
  • Относителен дял на разпространение на даден изотоп е процентът атоми с дадена атомна маса, срещащи се в проба от елемента с естествен произход.
  • Средната атомна маса на един елемент е претеглената средна стойност, изчислена като сума от произведенията от относителните дялове на разпространение на изотопите на елемента и техните атомни маси.
  • Относителният дял на всеки изотоп може да бъде определен с помощта на масспектрометрия.
  • Един масспектрометър йонизира атоми и молекули с високоенергиен електронен сноп и после отклонява йоните през магнитно поле въз основа на съотношенията маса-заряд (m/z).
  • Масовият спектър на една проба показва относителните дялове на йоните на оста у и техните m/z съотношения на оста х. Ако z=1 за всички йони, тогава оста х може вместо това да бъде означена с единици атомна маса (u).

Опитай!

Въз основа на масовия спектър на циркония по-горе, получаваме следните атомни маси и относителни дялове за изотопите на циркония:
ИзотопZr-90Zr-91Zr-92Zr-94Zr-96
Атомна маса (u)89,90590,90691,90593,90695,908
Относителен дял (%)51,4511,2217,1517,382,80
Въз основа на данните в таблицата определи каква е средната атомна маса на циркония в пробата.
Изрази отговора си като десетична дроб, закръглена до най-близката хилядна.
  • Отговорът ти трябва да бъде
  • точна десетична дроб като 0.75
u

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

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