Mục lục bài họcĐang ở d01-b1
The Nuclear Atom, Isotopes and Mass Spectrometry
Nucleons, isotopes and notation
An atom is written $^{A}_{Z}\text{X}$, where $Z$ is the atomic number (number of protons, which fixes the identity of the element) and $A$ is the mass number (protons plus neutrons). The number of neutrons is therefore $A-Z$, never something you look up.
Isotopes are atoms of the same element with different numbers of neutrons. Because the number of protons — and therefore the electron configuration — is unchanged, isotopes have identical chemical properties but slightly different physical properties such as density, rate of diffusion and boiling point.
Relative atomic mass from a mass spectrum
A mass spectrometer ionises the sample, accelerates the ions, deflects them in a magnetic field and records the abundance of each mass-to-charge ratio $m/z$. For singly charged ions, $m/z$ is simply the mass of the isotope.
The relative atomic mass is the weighted mean, never the arithmetic mean:
$$A_\text{r}=\frac{\sum(\text{isotopic mass}\times\%\text{ abundance})}{100}$$For a diatomic element such as chlorine, the spectrum also shows molecular ion peaks. Since $\ce{^{35}Cl}$ and $\ce{^{37}Cl}$ occur in a $3:1$ ratio, the $\ce{Cl2}$ peaks at $m/z=70,\ 72,\ 74$ appear in the ratio $9:6:1$ — the $6$ arises because the mixed molecule can form in two ways.
Ký hiệu $^{A}_{Z}\text{X}$. $Z$ là atomic number — số proton, thứ quyết định nguyên tố nào; $A$ là mass number — tổng proton và nơtron. Số nơtron luôn tính bằng $A-Z$, không phải con số tra bảng.
Isotopes (đồng vị) là các nguyên tử cùng nguyên tố nhưng khác số nơtron. Vì số proton không đổi nên cấu hình electron không đổi, do đó đồng vị có tính chất hoá học giống hệt nhau, chỉ khác nhẹ về tính chất vật lý: khối lượng riêng, tốc độ khuếch tán, nhiệt độ sôi.
Phổ khối (mass spectrum). Máy ion hoá mẫu, tăng tốc ion, làm lệch trong từ trường rồi ghi lại độ phổ biến của từng tỉ số $m/z$. Với ion mang một điện tích, $m/z$ chính là khối lượng đồng vị.
Khối lượng nguyên tử tương đối là trung bình có trọng số, tuyệt đối không phải trung bình cộng:
$$A_\text{r}=\frac{\sum(\text{khối lượng đồng vị}\times\%\text{ độ phổ biến})}{100}$$Với nguyên tố hai nguyên tử như clo, phổ còn có đỉnh ion phân tử. Do $\ce{^{35}Cl}$ và $\ce{^{37}Cl}$ theo tỉ lệ $3:1$, các đỉnh của $\ce{Cl2}$ ở $m/z=70,\ 72,\ 74$ có tỉ lệ $9:6:1$ — số $6$ xuất hiện vì phân tử pha trộn tạo được theo hai cách.
Dùng đúng ba giá trị trên hình, tính $A_\text{r}$ của magie tới ba chữ số có nghĩa.
Nhân từng khối lượng đồng vị với phần trăm độ phổ biến rồi chia $100$:
$$A_\text{r}=\frac{24\times78{,}99+25\times10{,}00+26\times11{,}01}{100}$$Từng số hạng: $24\times78{,}99=1895{,}76$; $25\times10{,}00=250{,}00$; $26\times11{,}01=286{,}26$.
$$A_\text{r}=\frac{1895{,}76+250{,}00+286{,}26}{100}=\frac{2432{,}02}{100}=24{,}3$$Kiểm nhanh: $A_\text{r}$ phải nằm giữa $24$ và $26$, và phải lệch hẳn về phía $24$ vì đồng vị đó chiếm gần $80\%$. Con số $24{,}3$ thoả cả hai. Nếu ra $25{,}0$ thì đã lấy trung bình cộng — sai.
Cho ion $\ce{^{56}Fe^{3+}}$. Nêu số proton, nơtron và electron. Giải thích vì sao $\ce{^{54}Fe^{3+}}$ có cùng tính chất hoá học.
Proton: $Z=26$ với sắt — đây là con số định danh nguyên tố, ion hay nguyên tử đều bằng $26$.
Nơtron: $A-Z=56-26=30$.
Electron: nguyên tử trung hoà có $26$; điện tích $3+$ nghĩa là mất ba electron, nên còn $26-3=23$.
Vì sao $\ce{^{54}Fe^{3+}}$ giống hệt về hoá học: nó chỉ khác $\ce{^{56}Fe^{3+}}$ hai nơtron. Nơtron không mang điện và không nằm ở lớp vỏ, nên số electron và cách sắp xếp electron của hai ion là như nhau. Mà phản ứng hoá học là chuyện của electron lớp ngoài, nên hai ion phản ứng hệt nhau. Chúng chỉ khác nhau ở khối lượng, tức ở các tính chất vật lý như tốc độ khuếch tán.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Structure 1 — Models of the Particulate Nature of Matter gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.