อนุภาคและไอโซโทป

ใช้เลขอะตอมระบุธาตุ ใช้เลขมวลนับนิวคลีออน และใช้ประจุช่วยหาอิเล็กตรอน จำไว้ว่าไอโซโทปต่างกันที่จำนวนนิวตรอน ส่วนไอออนต่างกันที่จำนวนอิเล็กตรอน

พื้นฐานที่ใช้: สัญลักษณ์ธาตุระบุชนิดธาตุได้ และจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเป็นตัวกำหนดเอกลักษณ์ของธาตุ

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. นับโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนจาก A, Z และประจุ

  • สัญลักษณ์นิวไคลด์เขียนเลขมวล A ไว้ซ้ายบน เลขอะตอม Z ไว้ซ้ายล่าง และประจุสุทธิ q ไว้ขวาบนของสัญลักษณ์ธาตุ ZAXq^{A}_{Z}\mathrm{X}^{q}
  • ความสัมพันธ์ในการคำนวณจำนวนอนุภาค:
    • โปรตอน (p): p=Zp = Z (ระบุเอกลักษณ์ของธาตุและไม่เปลี่ยนเมื่อเกิดไอออน)
    • นิวตรอน (n): n=A−Zn = A - Z
    • อิเล็กตรอน (e): e=Z−qe = Z - q (โดยประจุสุทธิเชิงหน่วย q=p−eq = p - e ต้องใส่เครื่องหมายบวกหรือลบตามจริง)
  • ข้อควรระวังเกี่ยวกับตัวเลข:
    • เลขมวล (A=p+nA = p + n) เป็นจำนวนเต็มของนิวเคลียสหนึ่งนิวเคลียส ไม่ใช่มวลอะตอมเฉลี่ยทศนิยมในตารางธาตุ
    • การกลายเป็นไอออนเปลี่ยนแปลงเฉพาะจำนวนอิเล็กตรอน ส่วนเลขอะตอมและจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสคงที่เสมอ
ลูกศรชี้เลข 37 เป็น A เลขมวล เลข 17 เป็น Z เลขอะตอม และเครื่องหมายลบเป็น q เท่ากับ −1; แผงคำนวณแสดง p=17, n=20, e=18 พร้อมความสัมพันธ์ p+n=A และ q=p−e
สัญลักษณ์คลอรีน-37 ประจุลบชี้ตำแหน่งเลขมวล เลขอะตอม และประจุ ก่อนคำนวณโปรตอน 17 นิวตรอน 20 และอิเล็กตรอน 18
  • จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
    • ภาพรวม: การอ่านสัญลักษณ์นิวไคลด์ 1737Cl−^{37}_{17}\mathrm{Cl}^- และการคำนวณจำนวนอนุภาคมูลฐาน
    • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
      • ตำแหน่งตัวเลข: A=37A = 37 (เลขมวล), Z=17Z = 17 (เลขอะตอม), q=−1q = -1 (ประจุสุทธิ)
      • การนับอนุภาค: โปรตอน p=Z=17p = Z = 17, นิวตรอน n=37−17=20n = 37 - 17 = 20, อิเล็กตรอน e=17−(−1)=18e = 17 - (-1) = 18
      • สมการกำกับ: นิวเคลียส p+n=Ap + n = A และประจุเชิงหน่วย q=p−eq = p - e
    • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: วงกลมและตัวเลขเป็นแบบจำลองช่วยนับอนุภาค ไม่ได้แสดงขนาดอะตอม รัศมี หรือการกระจายตัวของอนุภาคตามสัดส่วนจริง

2. ไอโซโทปคงเลขอะตอม แต่เปลี่ยนเลขมวล

  • ไอโซโทป (Isotopes) คืออะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน
  • ลักษณะเฉพาะของไอโซโทป:
    • เลขอะตอม ZZ เท่ากัน แต่เลขมวล AA ต่างกัน
    • สมบัติทางเคมี: คล้ายคลึงกันมากในอะตอมที่เป็นกลาง เนื่องจากมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนกัน
    • สมบัติทางกายภาพและนิวเคลียร์: แตกต่างกันเนื่องจากมีมวลและโครงสร้างนิวเคลียสไม่เท่ากัน
  • การตรวจวัดด้วย Mass Spectrometry:
    • ให้สัญญาณพีคที่สัมพันธ์กับอัตราส่วนมวลต่อประจุ (m/zm/z) และความชุกสัมพัทธ์ของแต่ละไอโซโทป ซึ่งเป็นข้อมูลหลักฐานเชิงประจักษ์จากการวัด

3. มวลอะตอมในตารางเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก

  • ธาตุที่พบในธรรมชาติตามปกติเป็นของผสมของไอโซโทปหลายชนิด มวลอะตอมในตารางธาตุจึงเป็นมวลอะตอมสัมพัทธ์เฉลี่ย
  • สูตรการคำนวณมวลอะตอมเฉลี่ย: มวลอะตอมเฉลี่ย=∑(fi×mi)\text{มวลอะตอมเฉลี่ย} = \sum (f_i \times m_i)
    • fif_i: สัดส่วนตามความชุกเป็นเศษส่วน (0≤fi≤10 \le f_i \le 1 โดย ∑fi=1\sum f_i = 1)
    • mim_i: มวลของไอโซโทปแต่ละชนิด
  • ข้อพึงระวังในการคำนวณ:
    • หากโจทย์ให้ความชุกเป็นร้อยละ ต้องหารด้วย 100 ก่อนนำมาเป็นค่า fif_i
    • ค่ามวลอะตอมเฉลี่ยที่ได้ต้องมีค่าอยู่ระหว่างมวลของไอโซโทปที่เบาที่สุดกับหนักที่สุดเสมอ และอาจไม่ตรงกับมวลของอะตอมจริงตัวใดตัวหนึ่ง

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

หาองค์ประกอบของอะตอมหรือไอออน

สังเกตจากโจทย์: กำหนดสัญลักษณ์นิวไคลด์พร้อม A, Z หรือประจุ

เลือกวิธีคิด: คำนวณ p จาก Z, n จาก A−Z แล้วใช้ q=p−e เพื่อหา e; ตรวจว่าเลขอนุภาคเป็นจำนวนเต็มไม่ติดลบ

เปรียบเทียบอะตอมกับไอออน

สังเกตจากโจทย์: ให้ธาตุเดียวกันแต่ประจุต่างกัน

เลือกวิธีคิด: ตรึง Z และจำนวนโปรตอน; เพิ่มอิเล็กตรอนเมื่อประจุลบและลดอิเล็กตรอนเมื่อประจุบวก

หามวลอะตอมเฉลี่ยหรือสัดส่วนไอโซโทป

สังเกตจากโจทย์: โจทย์ให้มวลไอโซโทปกับร้อยละความชุก

เลือกวิธีคิด: แปลงร้อยละเป็นเศษส่วน คูณมวลแต่ละไอโซโทป แล้วบวกโดยคงหน่วย u

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด

ตัวอย่าง 1 · องค์ประกอบของคลอรีน-37 ประจุลบ

สำหรับ ³⁷₁₇Cl⁻ จงหาโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน

  1. เลขอะตอม Z = 17 จึงมีโปรตอน 17 ตัว และจำนวนนี้คงเดิมไม่ว่าอะตอมจะเป็นกลางหรือเป็นไอออน
  2. เลขมวล A = 37 จึงมีนิวตรอน A − Z = 37 − 17 = 20 ตัว
  3. ประจุ q = −1 และ q = p − e ดังนั้น e = 17 − (−1) = 18 ตัว

คำตอบ: โปรตอน 17, นิวตรอน 20, อิเล็กตรอน 18

ตรวจเหตุผล: ประจุสุทธิจากอนุภาคคือ 17(+) − 18(−) = −1; มวลนิวเคลียสเชิงเลขคือ 17 + 20 = 37

ตัวอย่าง 2 · ค่าเฉลี่ยมวลของโบรอน

ตัวอย่างสมมติประกอบด้วย ¹⁰B มวล 10.0129 u ร้อยละ 19.9 และ ¹¹B มวล 11.0093 u ร้อยละ 80.1 จงหามวลเฉลี่ย

  1. แปลงความชุกเป็นสัดส่วน: 0.199 และ 0.801 ซึ่งรวมกันได้ 1.000
  2. คำนวณค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก: (0.199 × 10.0129 u) + (0.801 × 11.0093 u) = 10.8110 u โดยประมาณ
  3. ปัดตามข้อมูลที่ให้ได้ประมาณ 10.81 u; ค่านี้เป็นค่าเฉลี่ยของตัวอย่าง ไม่ได้หมายความว่าไอโซโทปเดี่ยวมีมวล 10.81 u

คำตอบ: มวลอะตอมเฉลี่ย ≈ 10.81 u

ตรวจเหตุผล: ค่าเฉลี่ยอยู่ระหว่าง 10.0129 u กับ 11.0093 u และอยู่ใกล้ไอโซโทปที่มีสัดส่วน 80.1% มากกว่า