Kimya I · 2. Ünite: Atomlar, Moleküller ve İyonlar
İzotoplar ve Ortalama Atom Kütlesi
Periyodik tabloda klor için $35{,}45\,\text{u}$ yazar; oysa hiçbir klor atomunun kütlesi bu değildir. Bu görünürdeki çelişki, aynı elementin atomlarının nötron sayısının farklı olabilmesinden, yani izotoplardan doğar. Bu konuda izotop kavramını ve gösterimini, kütle spektrometresinin ölçme ilkesini (türetmesiyle), bolluk yüzdelerinden ortalama atom kütlesinin nasıl hesaplandığını ve bu hesabın tersini öğrenecek; kütle spektrumu okuyabileceksin.
Öğrenme hedefleri
- İzotop, izobar ve izoton kavramlarını ayırt eder; $^{A}_{Z}\text{X}$ gösterimiyle bir izotopun bileşimini belirler.
- Kütle spektrometresinde $m/q = B^2 r^2/(2V)$ bağıntısını türetir ve iyon yörünge yarıçaplarını karşılaştırır.
- Bolluk yüzdeleri ve izotop kütlelerinden ağırlıklı ortalama atom kütlesini hesaplar.
- Ortalama atom kütlesinden ve izotop kütlelerinden iki izotoplu bir elementin doğal bolluklarını bulur.
- Kütle spektrumundaki tepe konumlarını ve yüksekliklerini yorumlar; iki atomlu moleküllerin (ör. $\text{Cl}_2$) tepe örüntüsünü olasılıkla türetir.
- İzotopların kimyasal özelliklerinin aynı, kütleye bağlı fiziksel özelliklerinin farklı olduğunu ($\text{H}_2\text{O}$ ve $\text{D}_2\text{O}$) gerekçelendirir.
Konu anlatımı
1. Bağlam: Klorun Kütlesi Neden Tam Sayı Değil?
2. İzotop Kavramı ve Gösterimi
3. Kütle Spektrometresi: İzotoplar Nasıl Ölçülür?
4. Kütle Spektrumunu Okumak
5. Ortalama Atom Kütlesi: Ağırlıklı Ortalama
6. Kararlı ve Radyoaktif İzotoplar
7. Simülasyonla Keşif
8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- İzotop (isotope)
- Aynı atom numaralı, farklı nötron (dolayısıyla kütle numaralı) atomlar; kimyasal özellikleri aynıdır.
- İzobar ve izoton (isobar, isotone)
- Kütle numarası aynı olan farklı elementler (izobar); nötron sayısı aynı olan farklı elementler (izoton).
- Ortalama atom kütlesi (average atomic mass)
- İzotop kütlelerinin doğal bolluk kesirleriyle ağırlıklandırılmış ortalaması; periyodik tabloda verilen kütle.
- Kütle spektrometresi (mass spectrometer)
- İyonları hızlandırıp manyetik alanda $m/q$ oranına göre ayıran, izotop kütle ve bolluğunu ölçen alet.
- Doğal bolluk (natural abundance)
- Bir izotopun doğal örnekteki atom yüzdesi.
- Atomik kütle birimi (u)
- $^{12}\text{C}$ atomunun kütlesinin $1/12$'si; $1\,\text{u} = 1{,}6605\times10^{-27}\,\text{kg}$ ve $1\,\text{u}\times N_A = 1\,\text{g/mol}$.
- Döteryum (deuterium)
- Hidrojenin bir nötronlu kararlı izotopu, $^{2}\text{H}$ ya da $\text{D}$.
- Yarı ömür (half-life)
- Radyoaktif bir örneğin yarısının bozunması için geçen süre.
Örnek soru
Aşağıdaki parçacık çiftlerinden hangisi bir izotop çiftidir?
- $^{40}\text{Ar}$ ve $^{40}\text{K}$
- $^{14}\text{C}$ ve $^{14}\text{N}$
- $^{1}\text{H}$ ve $^{3}\text{H}$
- $^{23}\text{Na}$ ve $^{24}\text{Mg}$
- $^{19}\text{F}$ ve $^{19}\text{F}^{-}$
Doğru cevap: C
Çözüm
Cevap: C
İzotoplar aynı atom numaralı ($Z$ eşit), farklı nötron sayılı atomlardır.
1. $^{1}\text{H}$ ($N = 0$) ve $^{3}\text{H}$ ($N = 2$): ikisi de $Z = 1$. İzotop çiftidir.
2. $^{40}\text{Ar}$ ($Z = 18$) ve $^{40}\text{K}$ ($Z = 19$) ile $^{14}\text{C}$ ($Z = 6$) ve $^{14}\text{N}$ ($Z = 7$) kütle numarası eşit, atom numarası farklıdır: izobar.
3. $^{23}\text{Na}$ ($N = 12$) ve $^{24}\text{Mg}$ ($N = 12$) nötron sayısı eşittir: izoton.
4. $^{19}\text{F}$ ve $^{19}\text{F}^{-}$ aynı çekirdeğe sahiptir; yalnız elektron sayısı farklıdır, farklı izotop değil aynı nüklitin atomu ve iyonudur.