Asosiy kontent
Kimyo
Course: Kimyo > Unit 4
Lesson 1: Mass-spektrometriyaIzotoplar va mass-spektrometriya
Asosiy tushunchalar:
- Izotoplar deb protonlari soni bir xil, lekin neytronlari soni turlicha boʻlgan atomlarga aytiladi.
- Izotoplarning atom massalari har xil boʻladi.
- Izotopning nisbiy miqdori – tabiatda maʼlum bir atom massasi bilan mavjud boʻlgan element atomlarning foiz ulushi.
- Elementning oʻrtacha atom massasi elementning nisbiy miqdorlarini ularning atom massalariga koʻpaytirib, olingan koʻpaytmalarni bir-biriga qoʻshish orqali topiladigan oʻrtacha ogʻirlik.
- Har bir izotopning nisbiy miqdori mass-spektrometriyadan foydalanib aniqlanadi.
- Mass-spektrometriya atomlar va molekulalarni yuqori energiyali elektronlar oqimi bilan ionlarga aylantiradi, soʻng bu ionlar m, slash, z nisbatlariga koʻra magnit maydonda oʻz yoʻnalishini oʻzgartirib, ogʻishadi.
- Namuna mass-spektrining y oʻqiga ionlarning nisbiy miqdori va x oʻqiga m, slash, z nisbati qoʻyiladi. Agar barcha ionlar uchun z, equals, 1 ga teng boʻlsa, u holda x oʻqiga birliklarda (start text, u, end text) ifodalangan atom massa qoʻyiladi.
Kirish: atomni parchalash
Barcha narsalar atomlardan tashkil topgan. Bunday kichkina tuzilish birliklari kompyuter yoki telefoningizning ekranini, siz oʻtirgan stulni, hatto sizning tanangizni tashkil qiladi. Agar biz atomni yanada kattalashtira olganimizda edi, biz atomning oʻzi ham yanada kichikroq elementar zarrachalardan tashkil topganini koʻrgan boʻlar edik.
Atom uchta asosiy elementar zarrachalardan tashkil topgan: bular protonlar, neytronlar va elektronlar. Proton 1plus, elektron 1minus, neytron esa 0 zaryadga ega. Proton va neytronlar atomning markazida boʻlgan yadroda joylashgan, elektronlar esa yadro atrofidagi orbitallarda joylashgan. Elektronlar manfiy zaryadga ega boʻlgani uchun ular yadrodagi musbat zaryadli protonlarga tortiladi.
Biz atomni tashkil qilgan bu zarrachalarni (neytral geliy atomi misolida) soddalashtirilgan shaklda quyidagicha ifodalashimiz mumkin:
Yuqorida berilgan rasmdan shu maʼlumki, geliy atomi ikkita proton, ikkita neytron va ikkita elektrondan tashkil topgan ekan. Proton va elektronlar sonining oʻz maʼnolari bor: geliy atomining atom soni 2, demak, geliy atomining yadrosida ikkita protoni boʻlishi kerak (agar shunday boʻlmaganda, u mutlaqo boshqa element atomi boʻlardi!). Shuningdek, bu neytral atom boʻlgani sababli yadrodagi musbat zaryadni neytrallash uchun geliy atomida ikkita elektron bor. Lekin neytronlar soni toʻgʻrisida nima deyish mumkin? Geliyning barcha atomlarida ikkitadan neytron bormi?
Qarangki, bunday emas ekan! Bilamizki, yadrosidagi protonlar soni turlicha boʻlgan atomlar har xil elementlar hisoblanadi. Lekin neytronlar uchun bunday emas: bir elementga tegishli boʻlgan atomlar yadrosi turli sondagi neytronlardan iborat boʻlishi mumkin va shunga qaramasdan element oʻshaligicha qoladi. Bunday atomlar izotoplar deyiladi va bitta element bir necha izotoplarga ega boʻlishi mumkin.
Izotop soʻzi qadimgi grekchadan olingan boʻlib, izo- "bir xil" va -tope (grekchada topos) "joy" degan maʼnoni anglatadi. Shunday qilib, maʼlum bir elementning izotopi bir xil sondagi protonlardan tashkil topgani uchun davriy jadvalning ayni bir joyida joylashgan. Ammo yadrodagi neytronlar soni bilan farq qilgani sababli atom massalari turlicha boʻladi.
Zarrachalarning massasi va massa atom birligi
Bitta atomning massasini qanday ifodalaymiz? Atomlar juda ham kichik (elementar zarrachalar undan ham kichikroq!) boʻlgani uchun biz har doim foydalanib kelayotgan birliklar, yaʼni gramm va kilogrammlarni bu zarrachalarga qoʻllay olmaymiz. Shuning uchun olimlar atom yoki molekulyar darajadagi massalar uchun umumiy massa atom birligi yoki start text, u, end text degan birlikni ishlab chiqishdi.
Taʼrifiga koʻra 1, space, start text, u, end text uglerodning keng tarqalgan izotopi, yaʼni uglerod-12 atomi massasining 1/12 qismiga teng. Chiziqchadan keyin kelgan 12 raqami uglerodning ushbu izotopidagi protonlar va neytronlar yigʻindisi hisoblanadi.
Nazorat savoli: uglerod-12 atomining yadrosida nechta proton bor?
Massa atom birligining qanchalik ahamiyatli ekanini bilish uchun, keling, protonlar, neytronlar va elektronlar massalarini ham start text, k, g, end text da, ham start text, u, end text da koʻrib chiqamiz:
| Nomi | Zaryadi | Massasi left parenthesis, start text, k, g, end text, right parenthesis | Massasi left parenthesis, start text, u, end text, right parenthesis | Joylashuvi |
|---|---|---|---|---|
| proton | 1, plus | 1, comma, 673, times, 10, start superscript, minus, 27, end superscript | 1, comma, 007 | yadroda |
| neytron | 0 | 1, comma, 675, times, 10, start superscript, minus, 27, end superscript | 1, comma, 009 | yadroda |
| elektron | 1, minus | 9, comma, 109, times, 10, start superscript, minus, 31, end superscript | 5, comma, 486, times, 10, start superscript, minus, 4, end superscript | yadro tashqarisida |
Massa atom birligini elementar zarrachalarga qoʻllash, ularning massalarini tushunish va bir-biriga solishtirishni ancha osonlashtiradi. Masalan, yuqorida berilgan jadvaldan koʻrinib turibdiki, protonlar va neytronlarning massalari elektronlarnikidan ancha ogʻirroq ekan (aniqroq qilib aytganda, deyarli 2000 marta!). Demak, atomning asosiy massasi uning yadrosida joylashgan ekan.
Aslida, elektronlarning massalari proton va neytronlarning massalaridan shu qadar kichikki, elektronlar atomning umumiy massasiga sezilarli taʼsir qilmaydi. Shuning uchun atom va molekulalarning massalarini hisoblaganimizda elektronlar massasini hisobga olmaymiz. Baʼzida hisoblashlarni yanada soddalashtirish uchun protonlarning va neytronlarning massalarini start text, u, end text deb olishimiz mumkin. Lekin bu maqolada asosan, aniq hisoblangan atom massalari bilan ish koʻramiz.
Massa soni va izotoplarni ifodalash
Biz hozirgacha protonlar, neytronlar va elektronlarning turli zaryadlari va massalari haqida bilib oldik, endi massa soni haqida muhokama qilishimiz mumkin. Atomlarning massa soni uning yadrosidagi protonlar soni bilan neytronlar sonining yigʻindisiga teng.
Atom raqami, yaʼni elementning tartib raqami davriy sistemada qaysi elementga tegishli ekanini koʻrsatib turganidek, massa soni elementning muayyan izotopini belgilashi mumkin. Aslida, izotopni ifodalashning eng keng tarqalgan yoʻli – "element nomi-massa soni", biz bunday ifodalashni uglerod-12 izotopi misolida yuqorida koʻrib oʻtdik.
Muhimi, biz izotopning massa sonidan foydalanib, uning yadrosidagi neytronlar sonini hisoblashimiz mumkin. Masalan, uglerog-12 ning massa sonidan va yuqoridagi tenglamadan foydalanib, uning bitta atomidagi neytronlar sonini hisoblab koʻramiz. Yuqoridagi berilgan tenglamadan neytronlarni aniqlash uchun quyidagi ifodani keltirib chiqaramiz:
Demak, uglerod-12 ning atom yadrosida neytronlar soni 6 ta ekan. Keling, yana bir boshqa misolni koʻrib chiqaylik.
Nazorat savoli: xrom-52 izotopi xromning eng barqaror izotopi. Xrom-52 ning bitta atomida nechta neytroni bor?
Kimyogarlar odatda izotop ifodasidan (shuningdek, yadro ifodasi ham deyiladi) foydalanib izotoplarni belgilashadi. Izotop ifodasi bu bitta belgida izotopning atom soni, yaʼni tartib raqami, massa soni va zaryadi ifodalanishidir. Masalan, neytral vodorod-3 va magniy-24 kationining izotop ifodasini koʻrib chiqamiz:
Yuqorida berilgan rasmdan koʻrinib turibdiki, vodorod va magniyning kimyoviy belgisi har bir izotopda ifodaning oʻrtasiga yozilgan. Kimyoviy belgining chap tomonida har bir izotopning tartib raqami va massa soni hamda oʻng tarafida umumiy zaryadi berilgan. Neytral atomlarning umumiy zaryadi yozilmaydi, shuning uchun yuqoridagi ifodada vodorod-3 ning zaryadi koʻrsatilmagan.
Atom massa va massa soni
Izotoplarning massa soni ularning massalarini start text, u, end text birligida ifodalovchi atom massa bilan chambarchas bogʻliq. Neyton bilan protonning massasi 1, start text, u, end text ga juda yaqin boʻlgani uchun izotopning atom massasi ham uning massa soniga deyarli teng. Lekin ikkita sonni bir-biri bilan adashtirmang! Massa soni har doim butun sondan (chunki yadroda butun sonlardagi protonlar va neytronlardan iborat) iborat hamda odatda birliklarsiz ifodalanadi. Bundan farqli ravishda atom massa butun sonlardan iborat emas (agar ular yaxlitlanmasa) va ular doimo (start text, u, end text) da ifodalanadi.
Oʻquvchilar yana bir atamani, yaʼni oʻrtacha atom massani (baʼzida atom ogʻirligi deb ham ataladi) atom massa va massa soni bilan bir xil deb oʻylab, adashtirib yuborishadi, lekin bu atama ham ular bilan bogʻliq tushuncha. Lekin siz xavotirlanmang, biz oʻrtacha atom massa haqida keyingi boʻlimda muhokama qilamiz!
Nisbiy miqdor va oʻrtacha atom massa
Xlorning ikkita barqaror izotopi mavjud: xlor-35 va xlor-37.
Xlor-35 ning atom massasi 34, comma, 97, start text, u, end text va xlor-37 niki 36, comma, 97, start text, u, end text. Lekin agar siz davriy jadvalga qarasangiz, xlorning massasi 35, comma, 45, start text, u, end text ekanini koʻrasiz. Bu son qayerdan paydo boʻldi?
Agar siz bu xlor atomining oʻrtacha massasi deb taxmin qilgan boʻlsangiz, toʻgʻri topdingiz. Aslida, davriy jadvaldagi siz koʻrgan barcha massalar oʻrtacha massa hisoblanib, har biri elementning barqaror izotoplarining atom massalari va tabiatda tarqalgan miqdoriga qarab olingan. Bu oʻrtacha massalar oʻrtacha atom massa yoki baʼzi darsliklarda nisbiy atom massa deb ataladi.
Keling, xlorning oʻrtacha atom massasi toʻgʻrisida koʻproq fikr yuritamiz. Agar xlor-35 va xlor-37 ning atom massalari tegishli ravishda 34, comma, 97 va 36, comma, 97, start text, u, end text boʻlsa, u holda nega xlorning oʻrtacha atom massasi shunchaki bulardan olingan oʻrtacha qiymatga teng emas?
Buning sababi turli izotoplar tabiatda turli nisbiy miqdorlarga ega, yaʼni baʼzi izotoplar boshqasiga qaraganda yer yuzida koʻproq tarqalgan. Xlorga keladigan boʻlsak, xlor-35 ning nisbiy miqdori 75, comma, 76, percent ga, xlor-37 niki esa 24, comma, 24, percent ga teng. Nisbiy miqdor foizlarda beriladi va bir elementdagi turli izotoplarning barcha nisbiy miqdorlari 100, percent ni tashkil qiladi. Elementning oʻrtacha atom massasi aslida shu qiymatlardan olingan oʻrtacha ogʻirlik. Buni yaxshiroq tushunib olish uchun, keling, xlorning oʻrtacha atom massasini hisoblaymiz.
Misol: xlorning oʻrtacha atom massasini hisoblash
Esingizda boʻlsa, elementning oʻrtacha atom massasi uning oʻrtacha ogʻirligi degandik. Agar oʻrtacha ogʻirlikni hisoblamoqchi boʻlsak, toʻplamimizdagi har bir elementning qiymatini bir-biriga koʻpaytirishimiz kerak, yaʼni ushbu holatda har bir xlor izotopining atom massasini foizlarda ifodalangan nisbiy miqdoriga koʻpaytiramiz, keyin esa olingan barcha koʻpaytmalarni qoʻshamiz. Buni quyidagicha yozish mumkin:
Yuqoridagi ifodaga xlorning qiymatlarini qoʻyib, quyidagiga ega boʻlamiz:
Xlor-35 ning miqdori xlor-37 nikiga qaraganda uch marta koʻproq boʻlgani uchun oʻrtacha ogʻirlik 37, start text, m, point, a, point, b, end text ga qaraganda 35, start text, m, point, a, point, b, end text ga yaqin boʻladi.
Nazorat savoli: bromning ikkita barqaror izotopi bor, bular brom-79 va brom-81. Ularning nisbiy miqdorlari tegishli ravishda 50, comma, 70, percent va 49, comma, 30, percent. Uning atom ogʻirligi quyidagilardan qaysi biriga yaqin: 79, 80 yoki 81, start text, u, end text?
Mass-spektrometriya
Biz atom massalardan va nisbiy miqdordan foydalanib, oʻrtacha atom massani qanday hisoblashni bilib oldik. Lekin nisbiy miqdor qanday aniqlanadi? Masalan, biz yerdagi barcha xlor atomining 75, comma, 76, percent xlor-35 izotopiga tegishli ekanini qanday qilib bilamiz?
Nisbiy miqdorni mass spektrometriya deb atalgan usul yordamida, tajriba yoʻli bilan aniqlash mumkin.
Mass-spektrometriya usulida molekula yoki atomlardan tashkil topgan namuna mass-spektrometr deb ataluvchi asbobga kiritiladi. Odatda suvli yoki organik eritmadagi namuna – bir zumda qizdirgich yordamida bugʻlanadi, soʻng bugʻlatilgan namunaning bugʻlari katta energiyaga ega boʻlgan elektronlar bilan bombardimon qilinadi. Bunday elektronlar namuna atomidagi elektronlarni chiqarish uchun yetarli kuchga ega, shuning uchun atomdan elektronlar ajralib, kationlar hosil boʻladi. Bu kationlar keyin yassi elektr plastinalar boʻylab tezlashtiriladi va magnit maydoni yordamida ogʻdiriladi.
Ionlar tezligi va zaryadiga qarab, ular turli miqdorda ogʻadi. Sekinroq harakatlanayotgan ionlar (ogʻirroq ionlar) kamroq ogʻadi, tezroq harakatlanayotgan ionlar (yengil ionlar) esa koʻproq ogʻadi. (Bouling toʻpini uloqtirish uchun sarflanadigan kuch bilan tennis toʻpini otish uchun sarflanadigan kuchni taqqoslab koʻring, albatta, tennis toʻpini otish ancha osonroq!). Bundan tashqari, zaryadi yuqori boʻlgan ionlar zaryadi kichik boʻlgan ionlarga qaraganda magnit maydonda koʻproq ogʻadi.
Ogʻadigan ionlarning miqdori, ularning massalarining zaryadlariga boʻlgan nisbatiga, yaʼni m, slash, z ga teskari proporsional, bu yerda m ion massasi, z esa zaryadi. Ionlar magnit maydonda ogʻib oʻtib, mass-spektrometr detektoriga yetib borishadi, detektorda esa ikkita narsa oʻlchanadi: (1) har bir ionning m, slash, z nisbati va (2) m, slash, z
nisbat bilan qancha ion oqib oʻtayotgani. Namunada muayyan ionning nisbiy miqdorini topish uchun muayyan m, slash, z nisbatga ega boʻlgan ionlar sonini aniqlangan ionlarning umumiy soniga boʻlinadi. Tajriba soʻngida asbob namuna uchun mass-spektr grafigini chiqara boshlaydi, ushbu grafikda nisbiy miqdor bilan m, slash, z oʻrtasidagi bogʻliqlik aks etadi.
Nazorat savoli: mass-spektrometrga mis namunasi kiritiladi. Namuna bugʻlatilib, ionlashgandan soʻng, start superscript, 63, end superscript, start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript va start superscript, 65, end superscript, start text, C, u, end text, start superscript, 2, plus, end superscript ionlari aniqlanadi. Spektrometrda qaysi ion koʻproq ogʻadi?
Baʼzi tajribalarda mass-spektrometrdan hosil boʻlgan ionlar 1, plus zaryadga ega boʻladi. Bu holatda esa har bir ionning m, slash, z nisbati shunchaki m ga yoki ionning atom massasiga teng. Shuning uchun baʼzi soddaroq mass-spektrda x oʻqidagi m, slash, z oʻrniga start text, u, end text bilan ifodalangan atom massa qoʻyiladi, buni quyida berilgan sirkoniy uchun qilingan spektrda koʻrish mumkin (4-rasm).
Sirkoniy mass-spektrining tahlili
Biz mass-spektr yordamida (tartib raqami 40) toza sirkoniy namunasini tahlil qilamiz. Namuna apparatdagi barcha jarayonlardan oʻtganidan soʻng, biz quyidagiga oʻxshash mass-spektrga ega boʻlamiz:
Bu spektr chiziqlari sirkoniy haqida qanday maʼlumot bera oladi? Birinchidan, grafikda beshta spektr chizigʻi bor, demak, bu degani sirkoniyning tabiatda tarqalgan beshta izotopi mavjud. Muhim jihati shundaki, spektrlarning balandligi sirkoniyning har bir izotopi boshqa izotoplariga nisbatan kamroq yoki koʻproq tarqalganini koʻrsatadi.
Nazorat savoli: ushbu spektr chiziqlariga koʻra sirkoniyning eng keng tarqalgan izotopi qaysi?
Va nihoyat, x oʻqiga atom massa qoʻyilganiga (start text, u, end text) eʼtibor bering, m, slash, z nisbati qoʻyilmagan (bu degani tajriba natijasida hosil boʻlgan ionlar 1, plus zaryadga ega boʻlgan). Shuningdek, namunamizdagi sirkoniyning oʻrtacha atom massasini hisoblashimiz uchun izotoplarining atom massalari bilan nisbiy miqdorlarini ham bilamiz. Hisoblashlarni bajarishdan oldin maqola soʻngidagi mashq uchun berilgan misollarni koʻrib chiqing!
Bugun biz davriy jadvaldagi aksariyat elementlarning oʻrtacha atom massalarini bilamiz, shuning uchun yakka elementni tahlil qilish uchun mass-spektrometriyadan foydalanish shart emas, faqat talabalarga oʻrgatish mustasno. Koʻp holatlarda laboratoriyada kimyogarlar nomaʼlum molekula va birikmalarning kimyoviy formulasini yoki tuzilishini aniqlayotgan talabalarga yordam berish maqsadida mass-spektrometriyadan foydalanishadi. Mass-spektrometriya nafaqat kimyoda, balki tibbiyotda, sud-tibbiyot ekspertizasida, kosmik tadqiqotlarda va boshqa muhim sohalarda asosiy analitik asbob sifatida qoʻllanadi. Mass-spektrometriya oʻrganilmagan koinotning atmosferasini yoki yangi paydo boʻlgan molekulani tahlil qilishda ishlatiladimi yoki ishlatilmaydimi, lekin u ilmiy bilimlarni va tushunchalarni rivojlantirishga yordam beradi.
Xulosa
- Izotoplar deb protonlari soni bir xil, lekin neytronlari soni turlicha boʻlgan atomlarga aytiladi.
- Izotoplarning atom massalari har xil boʻladi.
- Izotopning nisbiy miqdori – tabiatda maʼlum bir atom massasi bilan mavjud boʻlgan element atomlarning foiz ulushi.
- Elementning oʻrtacha atom massasi elementning nisbiy miqdorlarini ularning atom massalariga koʻpaytirib, olingan koʻpaytmalarni bir-biriga qoʻshish orqali topiladigan oʻrtacha ogʻirlik.
- Har bir izotopning nisbiy miqdori mass-spektrometriyadan foydalanib aniqlanadi.
- Mass-spektrometriya atomlar va molekulalarni yuqori energiyali elektronlar oqimi bilan ionlarga aylantiradi, soʻng bu ionlar m, slash, z nisbatlariga koʻra magnit maydonda oʻz yoʻnalishini oʻzgartirib, ogʻishadi.
- Namuna mass-spektrining y oʻqiga ionlarning nisbiy miqdori va x oʻqiga m, slash, z nisbati qoʻyiladi. Agar barcha ionlar uchun z, equals, 1 ga teng boʻlsa, u holda x oʻqiga birliklarda (start text, u, end text) ifodalangan atom massa qoʻyiladi.
Urinib koʻring!
Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?
Hozircha izohlar yoʻq.