ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 1

გაკვეთილი 4: მასური სპექტრომეტრია

იზოტოპები და მასური სპექტრომეტრია

იზოტოპები და მასური სპექტრომეტრია

მთავარი არსი:

ატომები, რომლებსაც აქვთ პროტონების ერთი და იგივე, მაგრამ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა, ცნობილი არიან, როგორც იზოტოპები.
იზოტოპებს აქვთ განსხვავებული ატომური მასა.
იზოტოპის ფარდობითი სიჭარბე არის რაიმე ელემენტის ბუნებრივ ნიმუშში ნაპოვნი ატომების პროცენტი განსაზღვრული ატომური მასით.
ელემენტის საშუალო ატომური მასა არის საშუალო შეწონილი, რომელიც ითვლება ელემენტების იზოტოპების ფარდობითი სიჭარბის გამრავლებით მათ ატომურ მასებზე და მიღებული შედეგების შეკრებით.
თითოეული იზოტოპის ფარდობითი სიჭარბე შეგვიძლია მასური სპექტროფოტომეტრიით განვსაზღვროთ.
მასური სპექტროფოტომეტრი ახდენს ატომებისა და მოლეკულების იონიზაციას მაღალენერგეტიკული ელექტრონის სხივით და შემდეგ იონებს გარდატეხავს მაგნიტურ ველში იონის მასის მუხტთან ფარდობის მიხედვით ( $m / z$ ‍).
ნიმუშის მასური სპექტრი გვიჩვენებს იონების ფარდობით სიჭარბეს y-ღერძზე და მათ $m / z$ ‍ შეფარდებას — x-ღერძზე. თუ ყველა იონისთვის $z = 1$ ‍-ს, მაშინ x-ღერძი შეგვიძლია ატომური მასის ერთეულებში გამოვსახოთ ( $u$ ‍).

შესავალი: ატომის დაყოფა

ყველაფერი ატომებისგან შედგება. მატერიის პატარა სამშენებლო მასალები შეადგენენ თქვენს კომპიუტერს, ტელეფონის ეკრანს, სკამს, რომელზეც ზიხართ, და თქვენს სხეულს. საკმარისად მიახლოება რომ იყოს შესაძლებელი, დავინახავდით, რომ ატომები კიდევ უფრო პატარა კომპონენტებისგან შედგება, რომლებსაც სუბატომურ ნაწილაკებს ვუწოდებთ.

ატომში სუბატომური ნაწილაკის სამი ძირითადი ტიპი გვხვდება: პროტონები, ნეიტრონები და ელექტრონები. პროტონს აქვს

1 +

მუხტი, ელექტრონს —

1 -

, ხოლო ნეიტრონს —

0

მუხტი. პროტონები და ნეიტრონები არიან ბირთვში, ატომის ცენტრში, ხოლო ელექტრონები არიან ორბიტალებში, რომლებიც ბირთვს ერტყმიან გარს. რადგანაც ელექტრონები უარყოფითად დამუხტულები არიან, ისინი ძლიერად მიიზიდებიან ბირთვში არსებული დადებითად დამუხტული პროტონების მიერ.

ატომის შემადგენელი ნაწილაკები (ამ შემთხვევაში, ჰელიუმის ნეიტრალური ატომის) შეგვიძლია გამარტივებული დიაგრამის მეშვეობით გამოვსახოთ:

სურათი 1. ჰელიუმის ნეიტრალური ატომი. მისი პროტონები და ნეიტრონები ბირთვში არიან მოთავსებულნი, ხოლო ელექტრონები — ბირთვის გარშემო არსებულ „ორბიტაზე“. სურათის წყაროა Wikispaces, CC BY-SA 3,0.

ამ დიაგრამის თანახმად, ჰელიუმის ატომი შეიცავს ორ პროტონს, ორ ნეიტრონსა და ორ ელექტრონს. პროტონებისა და ელექტრონების რაოდენობა ლოგიკურიცაა: ჰელიუმის ატომური რიცხვია

2

, ანუ ჰელიუმის ნებისმიერ ატომს უნდა ჰქონდეს 2 პროტონი ბირთვში (სხვაგვარად, სხვა ელემენტის ატომი იქნებიდა!), და, იქიდან გამომდინარე, რომ ჰელიუმი ნეიტრალური ატომია, ის უნდა შეიცავდეს ორ ელექტრონს, რათა დააბალანსოს ბირთვში არსებული დადებითი მუხტი. მაგრამ ნეიტრონების რაოდენობა? ჰელიუმის ყველა ატომს ორი ნეიტრონი აქვს ბირთვში?

კარგი კითხვაა! პროტონები, თავიანთი დადებითი მუხტის გამო, ერთმანეთს განიზიდავენ. ამ განზიდვაზე საწინააღმდეგოდ მოქმედებს ბირთვული ძლიერი ძალა, რომელიც ბირთვში არსებულ პროტონებსა და ნეიტრონებზე ზემოქმედების შედეგად მათ აკავშირებს. იმისათვის, რომ ბირთვი სტაბილური იყოს, ბირთვული ძლიერი ძალა უნდა იყოს უფრო დიდი, ვიდრე პროტონებს შორის განზიდვაა. როგორც აღმოჩნდა, ძალების ბალანსი დამოკიდებულია ბირთვში არსებული ნეიტრონების რაოდენობის პროტონების რაოდენობასთან თანაფარდობაზე.

თუ ამის შესახებ მეტის გაგება გსურთ, იხილეთ ეს ვიდეო მასისა და ბმის ენერგიის შესახებ and the follow-up video on nuclear stability and nuclear equations!

როგორც აღმოჩნდა, არანაირს! ვიცით, რომ ატომები, რომლებსაც ბირთვში განსხვავებული რაოდენობის პროტონები აქვთ, განსხვავებული ელემენტები არიან. ეს წინადადება ჭეშმარიტი არაა ნეიტრონების შემთხვევაში: ერთისა და იმავე ელემენტის ატომები შეიძლება შეიცავდნენ ნეიტრონების განსხვავებულ რაოდენობას თავიანთ ბირთვებში და მაინც ინარჩუნებდნენ იდენტობას. ასეთი ატომები იზოტოპების სახელებით არიან ცნობილნი და თითოეულ ელემენტს ბევრი სხვადასხვანაირი იზოტოპი შეიძლება ჰქონდეს.

სიტყვა „იზოტოპი“ მოდის ძველი ბერძნულიდან: პრეფიქსი იზო- ნიშნავს „იმავეს“, ხოლო -ტოპი (ბერძნული სიტყვიდან — topos) ნიშნავს „ადგილს“. მოცემული ელემენტების იზოტოპები ყოველთვის შეიცავენ პროტონების ერთნაირ რაოდენობას და იკავებენ ერთსა და იმავე ადგილს პერიოდულობის ცხრილში. მიუხედავად ამისა, იმიტომ, რომ იზოტოპებს ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა აქვთ, თითოეულ იზოტოპს უნიკალური ატომური მასა აქვს.

ნაწილაკების მასა და მასის ატომური ერთეული

როგორ გამოვსახავთ ცალკეული ატომის მასას? ატომები ძალიან პატარები არიან (და სუბატომური ნაწილაკები კიდევ უფრო პატარები!), ისეთ ყოველდღიურ ერთეულებს, როგორებიცაა გრამები ან კილოგრამები, ვერ გამოვიყენებთ ამ ნაწილაკების მასების შესაფასებლად. ამიტომაც მეცნიერებმა შექმნეს უნიფიცირებული მასის ატომური ერთეული, ანუ

u

, რაც საშუალებას გვაძლევს ატომურ ან მოლეკულურ დონეზე წარმოვიდგინოთ მასა.

განმარტების მიხედვით,

1 u

უდრის ნახშირბად-

12

-ის ცალკეული ნეიტრალური მასის ერთ მეთორმეტედს. ეს ნახშირბადის ყველაზე გავრცელებული იზოტოპია. დეფისის შემდეგ აღნიშნული რიცხვი,

12

, ნახშირბადის ამ კონკრეტულ იზოტოპში ნაპოვნი პროტონებისა და ნეიტრონების ჯამია.

ისტორიულად, ერთეულები

u

და

amu

მცირედით განსხვავებულ მნიშვნელობას ატარებდნენ. დღეს ისინი ერთსა და იმავე მნიშვნელობას ატარებენ: იმის მიხედვით, თუ ვინაა თქვენი მასწავლებელი და რომელ სახელმძღვანელოს იყენებთ, შეიძლება, შეხვდეთ

amu

-ს (მასის ატომურ ერთეულს)

u

-ს (უნიფიცირებული მასის ატომური ერთეულის) ნაცვლად. შეგიძლიათ, ჩათვალოთ, რომ ორივე ერთსა და იმავეს აღნიშნავს.

ცოდნის შემოწმება: რამდენი პროტონია ნახშირბად- $12$ ‍-ის ბირთვში?

თუ პერიოდულობის ცხრილში ჩაიხედავთ, ნახავთ, რომ ნახშირბადის ატომური რიცხვია

6

. ეს მიგვითითებს, რომ ნახშირბად-

12

-ს, ისევე, როგორც ნახშირბადის ყველა სხვა იზოტოპს, ბირთვში ექვსი პროტონი აქვს.

იმისათვის, რომ ნახოთ, რამდენად გამოსადეგი შეიძლება იყოს უნიფიცირებული მასის ატომური ერთეული, შევხედოთ პროტონების, ნეიტრონებისა და ელექტრონების მასას

kg

-ში და

u

-ში:

სახელი	მუხტი	მასა $(კგ)$ ‍	მასა $(u)$ ‍	მდებარეობა
პროტონი	$1 +$ ‍	$1,673 \times 10^{- 27}$ ‍	$1,007$ ‍	ბირთვში
ნეიტრონი	$0$ ‍	$1,675 \times 10^{- 27}$ ‍	$1,009$ ‍	ბირთვში
ელექტრონი	$1 -$ ‍	$9,109 \times 10^{- 31}$ ‍	$5,486 \times 10^{- 4}$ ‍	ბირთვის გარეთ

უნიფიცირებული მასის ატომური ერთეულის გამოყენებით ამ ნაწილაკების მასები უფრო მარტივია შესადარებლად და გასაგებად. მაგალითად, ზემოთ აღნიშნული მონაცემების მიხედვით ვხედავთ, რომ პროტონები და ნეიტრონები გაცილებით უფრო მასიურნი არიან, ვიდრე ელექტრონები (2000-ჯერ უფრო მეტი, უფრო ზუსტად!). ეს გვეუბნება, რომ ატომის მასის დიდი ნაწილი მის ბირთვშია მოთავსებული.

სხვათა შორის, ელექტრონის მასა იმდენად პატარა აღმოჩნდა პროტონისა და ნეიტრონების მასებთან შედარებით, რომ მიიჩნევენ, რომ ატომის ჯამურ მასაზე ელექტრონს უგულებელსაყოფი ეფექტი აქვს. მარტივად რომ ვთქვათ, როცა ვითვლით ატომის ან მოლეკულის მასას, შეგვიძლია, ელექტრონების მასებს ყურადღება არ მივაქციოთ. ხანდახან შეგვიძლია კიდევ უფრო გავამარტივოთ გამოთვლები და ვიგულისხმოთ, რომ პროტონებს და ნეიტრონებს ზუსტად

1 u

-ს ტოლი მასა აქვთ. მიუხედავად ამისა, ამ სტატიაში ძირითადად განვიხილავთ ატომურ მასებს, რომლებიც უფრო ზუსტადაა დათვლილი.

მასური რიცხვისა და იზოტოპის ჩანაწერი

ახლა, როცა უკვე ვიცით, თუ რა განსხვავებაა პროტონის, ნეიტრონისა და ელექტრონის მასებსა და მუხტებს შორის, შეგვიძლია, განვიხილოთ მასური რიცხვის იდეა. განმარტების მიხედვით, ატომის მასური რიცხვი უდრის ბირთვში არსებული პროტონებისა და ნეიტრონების ჯამს.

მასური რიცხვი = (# პროტონები) + (# ნეიტრონები)

ისევე, როგორც ატომური რიცხვი განსაზღვრავს ელემენტს, მასური რიცხვი განსაზღვრავს ელემენტის კონკრეტულ იზოტოპს. იზოტოპის დაზუსტების გავრცელებული მეთოდია „ელემენტის სახელი-მასური რიცხვი“ ჩანაწერის გამოყენება, როგორც ვნახეთ ნახშირბად-

12

-ის შემთხვევაში.

რაც მთავარია, იზოტოპის მასური რიცხვის გამოყენება შეგვიძლია მის ბირთვში არსებული ნეიტრონების რიცხვის დასადგენად. მაგალითად, ავიღოთ ნახშირბად-

12

-ის მასური რიცხვი და ზემოთ მოცემული გამოსახულება და გავიგოთ, თუ რამდენი ნეიტრონია ნახშირბად-

12

-ის ცალკეულ ატომში. როდესაც გამოსახულების წევრებს ადგილს შევუცვლით ნეიტრონების რაოდენობის გასაგებად, მივიღებთ:

\begin{aligned} # ნეიტრონები & = მასური რიცხვი - (# პროტონები) \\ = 12 - 6 \\ = 6 ნეიტრონი ნახშირბად- 12 - შ ი \end{aligned}

ასე რომ, ნახშირბად-

12

-ს

6

ნეიტრონი აქვს ბირთვში. მოდით, სხვა მაგალითიც განვიხილოთ.

ცოდნის შემოწმება: ქრომ- $52$ ‍ ქრომის ყველაზე სტაბილური იზოტოპია. რამდენი ნეიტრონია ქრომ- $52$ ‍-ის ერთ ატომში?

სახელიდან ვხვდებით, რომ ქრომ-

52

-ის მასური რიცხვია

52

. ქრომის ატომური რიცხვია

24

, ანუ ვიცით, რომ ქრომ-

52

-ს ბირთვში

24

პროტონი აქვს. ამ რიცხვებს მასური რიცხვის გამოსახულებაში თუ შევიტანთ, მივიღებთ:

\begin{aligned} # ნეიტრონები & = მასური რიცხვი - (# პროტონები) \\ = 52 - 24 \\ = 28 ნეიტრონები \end{aligned}

აქედან გამომდინარე, ქრომ-

52

-ის ატომის ბირთვი

28

ნეიტრონს შეიცავს.

ქიმიკოსები ხშირად წარმოადგენენ იზოტოპებს იზოტოპური ჩანაწერის, ანუ ბირთვული ჩანაწერის გამოყენებითაც. იზოტოპური ჩანაწერი გვიჩვენებს ატომურ რიცხვს, მასურ რიცხვსა და იზოტოპის მუხტს ერთ სიმბოლოში. მაგალითად, განვიხილოთ ნეიტრალური წყალბად-

3

-ის და მაგნიუმ-

24

-ის კატიონის იზოტოპური ჩანაწერი:

როგორც ვხედავთ, წყალბადისა და მაგნიუმის ქიმიური სიმბოლოები თითოეული იზოტოპური ჩანაწერის ცენტრში წერია. ამ სიმბოლოების მარცხნივაა თითოეული იზოტოპის ატომური რიცხვი და მასური რიცხვი, ხოლო მარჯვნივ - იზოტოპის ჯამური მუხტი. ჯამური მუხტი არ ჩაიწერება ნეიტრალური ატომების შემთხვევაში, მაგალითად, როგორცაა წყალბად-

3

-ის ჩანაწერში ზემოთ.

ატომური მასა და მასური რიცხვი

იზოტოპის მასური რიცხვი მჭიდროდაა კავშირში მის ატომურ მასასთან, რაცაა იზოტოპის მასა, გამოსახული

u

ერთეულებში. რადგანაც ნეიტრონის მასა და პროტონის მასა

1 u

-სთანაა ახლოს, იზოტოპის ატომური მასა ხშირად თითქმის იგივეა, რაც მასური რიცხვი. მიუხედავად ამისა, ეს ორი რიცხვი არ უნდა აგერიოთ! მასური რიცხვები ყოველთვის მთელი რიცხვები არიან (რადგანაც ბირთვი პროტონების და ნეიტრონების მთლიან რაოდენობებს შეიცავს) და, ჩვეულებრივ, ერთეულების გარეშე იწერება. ამისგან განსხვავებით, ატომური მასები თითქმის არასდროს არიან მთელი რიცხვები (თუ არ დავამრგვალებთ) და ისინი ყოველთვის მასის ერთეულებში (

u

) გამოისახებიან.

კიდევ ერთი ტერმინი, რომელიც მოსწავლეებისთვის ხშირად დამაბნეველად ახლოსაა ატომურ მასასა და მასურ რიცხვთან, არის საშუალო ატომური მასა (რომელსაც ატომურ წონადაც მოიხსენიებენ), რაც მონათესავე არსს ატარებს. არ ინერვიულოთ, საშუალო ატომურ მასას შემდეგ სექციაში განვიხილავთ!

ფარდობითი სიჭარბე და საშუალო ატომური მასა

ქლორის ორი სტაბილური იზოტოპი არსებობს: ქლორ-

35

და ქლორ-

37

ქლორ-

36

ქლორის ბუნებრივი იზოტოპი არაა. მიუხედავად ამისა, ის შეიძლება წარმოიქმნას, როცა დედამიწის გარსი კოსმიური რადიაციის ნაწილაკებით სხივდება, ეს რადიაცია კი მზის სისტემის გარედან მოდის. ქლორ-

36

არასტაბილური და რადიოაქტიურია, მისი ნახევრადდაშლის პერიოდია 301 000 წელი, რაც მას გამოსადეგს ხდის გეოლოგიური მოვლენების დათარიღებაში.

ქლორ-

35

-ის ატომური მასაა

34, 97 u

, ხოლო ქლორ-

37

-ის ატომური მასა —

36, 97 u

. მიუხედავად ამისა, პერიოდულობის ცხრილში თუ ჩაიხედავთ, ნახავთ, რომ ქლორის მასაა

35, 45 u

. საიდან მოვიდა ეს რიცხვი?

თუ გგონიათ, რომ ეს რიცხვი ქლორის ატომების მასის საშუალოა, სწორი ხართ. პერიოდულ ცხრილში აღნიშნული ყველა მასა საშუალოა, თითოეული ემყარება ატომურ მასასა და ელემენტის სტაბილური იზოტოპის სიჭარბეს ბუნებაში. ამ საშუალო მასებს საშუალო ატომური მასა ან, ზოგ სახელმძღვანელოში, ატომური წონა ეწოდებათ.

ტექნიკურად, პერიოდულობის ცხრილში ყოველი ელემენტის ქვეშ აღნიშნული მასა არის ფარდობითი და არა — საშუალო ატომური მასა. ელემენტის ფარდობითი ატომური მასა გამოითვლება საშუალო ატომური მასის

1 u

-ზე გაყოფით, რის შედეგადაც ფარდობით ატომურ მასებს ერთეული არ აქვთ. მიუხედავად ამისა, ჩვენი მიზნებისთვის შეგვიძლია, პერიოდულობის ცხრილში აღნიშნული ფარდობითი მასები ელემენტების საშუალო ატომური მასების (რომლებიც

u

ერთეულში გამოისახება) ეკვივალენტურად აღვიქვათ.

მოდით, დავფიქრდეთ ქლორის საშუალო ატომურ მასაზე. თუ ქლორ-

35

-ისა და ქლორ-

37

-ის ატომური მასებია

34, 97

და

36, 97 u

, ქლორის საშუალო ატომური მასა პირდაპირ ამ ორი მნიშვნელობის საშუალო არითმეტიკული რატომ არაა?

პასუხი უკავშირდება ფაქტს, რომ განსხვავებულ იზოტოპებს განსხვავებული ფარდობითი სიჭარბე გააჩნიათ, რაც ნიშნავს, რომ ზოგი იზოტოპი უფრო ხშირად გვხვდება დედამიწაზე, ვიდრე სხვები. ქლორის შემთხვევაში, ქლორ-

35

-ის ფარდობითი სიჭარბეა

75, 76 %

, ხოლო ქლორ-

37

-ის ფარდობითი სიჭარბე —

24, 24 %

. ფარდობით სიჭარბეებს პროცენტებში ავსახავთ, რაც ნიშნავს, რომ ელემენტის განსხვავებული სტაბილური იზოტოპების ფარდობითი სიჭარბეების ჯამი

100 %

-ის ტოლია. ელემენტის საშუალო ატომური მასა არის ამ მნიშვნელობების საშუალო შეწონილი. ამის უკეთ გამოსახატავად, მოდით, დავთვალოთ ქლორის საშუალო ატომური მასა.

მაგალითი: ქლორის საშუალო ატომური მასის გამოთვლა

გახსოვდეთ, რომ ელემენტის საშუალო ატომური მასა არის საშუალო შეწონილი. როცა საშუალო შეწონილის გამოთვლა გვინდა, ჩვენს ხელთ არსებულ რიცხვების მნიშვნელობებს ერთმანეთზე ვამრავლებთ, ამ შემთხვევაში — ქლორის თითოეული იზოტოპის ატომურ მასას ფარდობითი სიჭარბის მიხედვით, რომელიც წილადის სახით გამოისახება, შემდეგ კი მიღებულ შედეგებს ვკრებთ. ეს შემდეგნაირად გამოისახება:

საშუალო ატომური მასა = \sum_{i = 1}^{n} (ფარდობითი სიჭარბე \times ატომური მასა)_{i}

შევიტანოთ ქლორის მნიშვნელობები და მივიღებთ:

\begin{aligned} ქლორის საშუალო ატომური მასა & = (0,757 6 \times 34, 97 u) + (0,242 4 \times 36, 97 u) \\ = 26, 49 u + 8, 96 u \\ = 35, 45 u \end{aligned}

იმის გამო, რომ ქლორ-

35

სამჯერ უფრო ჭარბად გვხვდება, ვიდრე ქლორ-

37

, საშუალო შეწონილი უფრო ახლოსაა

35 u

-სთან, ვიდრე

37 u

-სთან.

ცოდნის შემოწმება: ბრომს ორი სტაბილური იზოტოპი აქვს — ბრომ- $79$ ‍ და ბრომ- $81$ ‍. იზოტოპების ფარდობითი სიჭარბეა $50, 70 %$ ‍ და $49, 30 %$ ‍. ბრომის ატომური მასა უფრო ახლოს იქნება $79$ ‍, $80$ ‍ თუ $81 u - ს თ ა ნ$ ‍?

ბრომის ორი იზოტოპი თითქმის ერთნაირი სიჭარბით გვხვდება. აქედან გამომდინარე, ბრომის საშუალო ატომური მასა უნდა იყოს ზუსტად ამ ორი იზოტოპის ატომურ მასებს შორის, ანუ,

80 u - ს თ ა ნ

ახლოს (ბრომის ნამდვილი ატომური მასა

79, 90 u - ი ა

მასური სპექტრომეტრია

ახლა უკვე ვიცით, თუ როგორ ვიპოვოთ საშუალო ატომური მასები ფარდობითი სიჭარბიდან და ატომური მასებიდან საშუალო შეწონილის გამოთვლით. მაგრამ საიდან მოდის ფარდობითი სიჭარბე? საიდან ვიცით, რომ დედამიწაზე არსებული ქლორის ატომების

75, 76 %

ქლორ-

35

-ია?

პასუხი ისაა, რომ ფარდობითი სიჭარბეები ექსპერიმენტულად განისაზღვრება მასური სპექტროფოტომეტრიის გამოყენებით.

სურათი 3: მასური სპექტროფოტომეტრის სქემა. მანქანაში ვდებთ ნიმუშს, რომელიც გამაცხელებელს ორთქლში გადაჰყავს, შემდეგ კი მაღალენერგეტიკული ელექტრონების ნაკადი მის იონიზებას ახდენს. შედეგად მიღებული იონები ჩქარდებიან და პარალელურ ელექტრულ ფირფიტებში გადიან, შემდეგ კი გარდატყდებიან მაგნიტურ ველში, სანამ დეტექტორში მიაღწევენ. სურათის წყარო: Openstax, CC BY 4,0.

მასურ სპექტროფოტომეტრიაში ნიმუში, რომელიც შეიცავს ჩვენთვის საინტერესო ატომებს ან მოლეკულებს, თავსდება მასურ სპექტროფოტომეტრში. ნიმუში — ჩვეულებრივ, თხევად ან ორგანულ ხსნარში — მაშინვე ორთქლდება გამაცხელებლის მიერ, ორთქლადქცეული ნიმუში კი „იბომბება“ მაღალენერგეტიკული ელექტრონებით. ამ ელექტრონებს საკმარისი ენერგია აქვთ ნიმუშში არსებული ატომებიდან ელექტრონების მოსახლეჩად, ამ პროცესის შედეგად კი ვიღებთ დადებითად დამუხტულ იონებს. ეს იონები ჩქარდებიან, გაივლიან ელექტრულ ფირფიტებს შორის და შემდეგ გარდატყდებიან მაგნიტურ ველში.

იონის მუხტზე და სიჩქარეზეა დამოკიდებული, თუ ამ იონის რა რაოდენობა გარდატყდება. ნელა მოძრავი იონები (ანუ, უფრო მძიმე იონები) ნაკლები სიხშირით გარდატყდებიან, ხოლო სწრაფად მოძრავი იონები (ანუ, უფრო მსუბუქი იონები) — მეტი სიხშირით (წარმოიდგინეთ ძალა, რომელიც უნდა მიანიჭოთ ბოულინგის ბურთს, რათა ის აჩქარდეს, და ძალა, რომელიც უნდა მიანიჭოთ ჩოგბურთის ბურთს — ჩოგბურთის ბურთის ასაჩქარებლად გაცილებით ნაკლები ენერგიაა საჭირო!). დამატებით, მაგნიტური ველი უფრო მეტად გარდატეხს მაღალი მუხტის მქონე იონებს, ვიდრე დაბალი მუხტის მქონეს.

თითოეული გარდატეხილი იონის რაოდენობა უკუპროპორციულია მის მასისა და მუხტის თანაფარდობასთან —

m / z

, სადაც

m

არის იონის მასა, ხოლო

z

— მისი მუხტი. გარდატეხის შემდეგ იონები მიაღწევენ მასური სპექტროფოტომეტრის დეტექტორში, რაც ზომავს ორ რამეს: 1) თითოეული იონის

m / z

თანაფარდობას და 2) რამდენი იონია რაღაც კონკრეტული

m / z

თანაფარდობით. ნიმუშში არსებული კონკრეტული იონის ფარდობითი სიჭარბე დაითვლება შემდეგნაირად: კონკრეტული

m / z

-ს თანაფარდობის მქონე იონების რაოდენობა გაყოფილი დეტექტორში შესული იონების მთლიან რაოდენობაზე. ექსპერიმენტის ბოლოს, ინსტრუმენტი ქმნის ნიმუშის მასურ სპექტრს, რომელიც გრაფიკულად ასახავს ფარდობით სიჭარბესა და

m / z

-ს.

ცოდნის შემოწმება: სპილენძის ნიმუში შეიყვანეს მას-სპექტრომეტრში. იმის შემდეგ, რაც ეს ნიმუში აორთქლდა და იონებად დაიშალა, დაფიქსირდა $^{63} {Cu}^{2 +}$ ‍ და $^{65} {Cu}^{2 +}$ ‍ იონები. რომელი იონის ნაკადი გადაიხრება უფრო მეტად სპექტრომეტრში?

^{65} {Cu}^{2 +}

-თან შედარებით,

^{63} {Cu}^{2 +}

იონს აქვს იგივე მუხტი, მაგრამ უფრო დაბალი ატომური მასა. ეს ნიშნავს, რომ

^{63} {Cu}^{2 +}

-ის მასის მუხტთან თანაფარდობა უფრო დაბალია. რადგანაც გარდატეხილი იონების რაოდენობა უკუპროპორციულია მასის მუხტთან თანაფარდობისა,

^{63} {Cu}^{2 +}

იონი უფრო მეტი სიხშირით უნდა გარდატყდეს სპექტროფოტომეტრში არსებული მაგნიტური ველის მიერ.

ზოგ ექსპერიმენტში, მასური სპექტროფოტომეტრის მიერ გენერირებული ყველა იონის მუხტი

1 +

-ია. ამ შემთხვევაში, თითოეული იონის

m / z

თანაფარდობა პირდაპირ ტოლია

m

-ის, ანუ იონის ატომური მასის. შედეგად, უფრო მარტივ მასურ სპექტრებში იქს ღერძზე ატომური მასა

u

ერთეულით გამოისახება და არა —

m / z

-ით. ასე ხდება ცირკონიუმის ქვემოთ მოცემულ სპექტრშიც.

ცირკონიუმის მასური სპექტრის ანალიზი

დავუშვათ, რომ გავაანალიზეთ სუფთა ცირკონიუმის (მისი ატომური რიცხვია

40

) საშუალო ნიმუში მასური სპექტროფოტომეტრიის გამოყენებით. ნიმუშის სპექტროფოტომეტრში მოთავსების შემდეგ, მივიღებდით მასურ სპექტრს, რომელიც ასე გამოიყურება:

რას გვეუბნება ეს სპექტრი ცირკონიუმის შესახებ? პირველ ყოვლისა, ამ სპექტრში 5 პიკია, რაც ნიშნავს, რომ ცირკონიუმის 5 სხვადასხვა იზოტოპი გვაქვს. მნიშნველოვანია ისიც, რომ თითოეული პიკის სიმაღლე გვიჩვენებს, თუ რამდენად ჭარბადაა გავრცელებული ცირკონიუმის თითოეული იზოტოპი სხვა იზოტოპებთან შედარებით.

ცოდნის შემოწმება: ამ სპექტრის მიხედვით, რომელია ცირკონიუმის ყველაზე მეტად გავრცელებული იზოტოპი?

ელემენტის მასურ სპექტრში თითოეული პიკი მიესადაგება ელემენტის განსხვავებულ იზოტოპს, პიკის სიმაღლე კი იზოტოპის ფარდობითი სიჭარბის პროპორციულია. ამ სპექტრში, ყველაზე მაღალი პიკი, რომელიც ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპს წარმოადგენს, არის

Zr - 90

-ის შესაბამისი იზოტოპი.

საბოლოოდ, დააკვირდით, რომ იქს ღერძი ასახულია ატომური მასის ერთეულებში (

u

და არა —

m / z

-ში (რაც ნიშნავს, რომ ამ ექსპერიმენტის დროს წარმოქმნილი ყველა იონის მუხტი იყო

1 +

). აგრეთვე ვიცით იზოტოპების ატომური მასები, რისი გამოყენებაც ფარდობით სიჭარბესთან ერთად შეგვიძლია ჩვენს ნიმუშში არსებული ცირკონიუმის საშუალო ატომური მასის დასათვლელად. ამ გამოთვლის შესრულება თქვენით სცადეთ! ნახეთ სავარჯიშო ამოცანები სტატიის ბოლოს!

დღესდღეობით უკვე ვიცით პერიოდულ ცხრილში არსებული ელემენტების უმრავლესობის ატომური მასები, ასე რომ, ხშირად არაა საჭირო ცალკეული ელემენტების გაანალიზება მასური სპექტროფოტომეტრიის გამოყენებით, გარდა სწავლების გამონაკლისისა! ძირითადად, ქიმიურ ლაბორატორიაში მომუშავე ადამიანები მასურ სპექტროფოტომეტრიას იყენებენ უცნობი მოლეკულებისა და ნაერთების ქიმიური ფორმულის ან სტრუქტურის დასადგენად. მასურ სპექტროფოტომეტრიას დიდი როლი აქვს სხვა მეცნიერებებშიც: მედიცინა, კრიმინალისტიკა, კოსმოსის შესწავლა და სხვა. არ აქვს მნიშვნელობა, ახლადაღმოჩენილი პლანეტის ატომსფეროს ვაანალიზებთ თუ ახლადშექმნილი მოლეკულის თვისებებს ვსწავლობთ, მასური სპექტროფოტომეტრია არის მეცნიერული ცოდნისა და გააზრების გაღრმავების ინსტრუმენტი.

შეჯამება

ატომები, რომლებსაც აქვთ პროტონების ერთი და იგივე, მაგრამ ნეიტრონების განსხვავებული რაოდენობა, ცნობილი არიან, როგორც იზოტოპები.
იზოტოპებს აქვთ განსხვავებული ატომური მასა.
იზოტოპის ფარდობითი სიჭარბე არის რაიმე ელემენტის ბუნებრივ ნიმუშში ნაპოვნი ატომების პროცენტი განსაზღვრული ატომური მასით.
ელემენტის საშუალო ატომური მასა არის საშუალო შეწონილი, რომელიც ითვლება ელემენტების იზოტოპების ფარდობითი სიჭარბის გამრავლებით მათ ატომურ მასებზე და მიღებული შედეგების შეკრებით.
თითოეული იზოტოპის ფარდობითი სიჭარბე შეგვიძლია მასური სპექტროფოტომეტრიით განვსაზღვროთ.
მასური სპექტროფოტომეტრი ახდენს ატომებისა და მოლეკულების იონიზაციას მაღალენერგეტიკული ელექტრონის სხივით და შემდეგ იონებს გარდატეხავს მაგნიტურ ველში იონის მასის მუხტთან ფარდობის მიხედვით ( $m / z$ ‍).
ნიმუშის მასური სპექტრი გვიჩვენებს იონების ფარდობით სიჭარბეს y-ღერძზე და მათ $m / z$ ‍ შეფარდებას — x-ღერძზე. თუ ყველა იონისთვის $z = 1$ ‍-ს, მაშინ x-ღერძი შეგვიძლია ატომური მასის ერთეულებში გამოვსახოთ ( $u$ ‍).

ატრიბუცია

ოპენსტაქსის კოლეჯი. „ატომური სტრუქტურა და სიმბოლიზმი“. ოპენსტაქსი. 2 ოქტომბერი, 2014. http://cnx.org/contents/havxkyvS@9,58:ZV-IsnqQ@8/Atomic-Structure-and-Symbolism. CC BY 4,0.
კლარკი, ჯიმი. "ელემენტების მასური სპექტრომეტრია." UC Davis ChemWiki. http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Instrumental_Analysis/Mass_Spectrometry/The_Mass_Spectra_of_Elements. CC-BY-NC-SA 3,0 US.

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC-BY-NC-SA 4,0.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია

Zumdahl, S. S., and Zumdahl, S. A. (2014). Atomic Structure and Periodicity. In Chemistry (9th ed., pp. 295–350). Belmont, CA: Brooks/Cole.

სცადე!

ზემოთ მოცემული ცირკონიუმის სპექტრის მიხედვით მივიღეთ ცირკონიუმის იზოტოპების ატომური მასები და ფარდობითი სიჭარბეები:

იზოტოპი	$Zr- 90$ ‍	$Zr- 91$ ‍	$Zr- 92$ ‍	$Zr- 94$ ‍	$Zr- 96$ ‍
ატომური მასა ( $u$ ‍)	$89,905$ ‍	$90,906$ ‍	$91,905$ ‍	$93,906$ ‍	$95,908$ ‍
ფარდობითი სიჭარბე ( $%$ ‍)	$51, 45$ ‍	$11, 22$ ‍	$17, 15$ ‍	$17, 38$ ‍	$2, 80$ ‍

ცხრილში მოცემული მონაცემების მიხედვით, რა არის ჩვენს ნიმუშში არსებული ცირკონიუმის საშუალო ატომური მასა?
გამოსახეთ თქვენი პასუხი მეასედამდე დამრგვალებული ათწილადის სიზუსტით.

u

საშუალო ატომური მასის დასათვლელი გამოსახულებაა:

საშუალო ატომური მასა = \sum_{i = 1}^{n} (ფარდობითი სიჭარბე \times ატომური მასა)_{i}

ჩვენს ნიმუშში არსებული ცირკონიუმის საშუალო ატომური მასის დასათვლელად შეგვიძლია გამოვიყენოთ ეს გამოსახულება და მასურ სპექტრში ასახული ფარდობითი სიჭარბეები და ატომური მასები.

ჩავსვათ საშუალო ატომური მასის გამოსახულებაში ფარდობითი სიჭარბეები და ატომური მასები და მივიღებთ:

\begin{aligned} საშუალო ატომური მასა & = \sum_{i = 1}^{n} (ფარდობითი სიჭარბე \times ატომური მასა)_{i} \\ = (0,514 5 \times 89,905 u) + (0,112 2 \times 90,906 u) + (0,171 5 \times 91,905 u) + (0,173 8 \times 93,906 u) + (0,028 0 \times 95,908 u) \\ = 46, 26 u + 10, 20 u + 15, 76 u + 16, 32 u + 2, 68 u \\ = 91, 22 u \end{aligned}

ჩვენს ნიმუშში არსებული ცირკონიუმის საშუალო ატომური მასაა $91, 22 u$ ‍.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

ქეთევან კვარაცხელია
გამოქვეყნების თარიღია 2 წლის წინ. მომხმარებლის ქეთევან კვარაცხელია გზავნილზე „რომელ ელემენტს აქვს ყველა...“ პირდაპირი ბმული
რომელ ელემენტს აქვს ყველაზე მეტი იზოტოპები?
Button navigates to signup pageდატოვეთ კომენტარი მომხმარებლის ქეთევან კვარაცხელია გზავნილზე „რომელ ელემენტს აქვს ყველა...“
(1 მოწონება)
პასუხი

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.