İzotop, izoton, izobar, izoelektronik

Arkeologlar binlerce yıllık bir ağaç kömürünün yaşını, içindeki karbon atomlarına bakarak tahmin eder. Oysa karbon karbondur; bir kömür parçasındaki karbon ile bir elmasınki aynı elementtir. Tahmini mümkün kılan, karbon atomlarının hepsinin aynı olmamasıdır: çoğunun çekirdeğinde 6 nötron, çok azında 8 nötron bulunur ve bu ağır karbon zamanla bozunur. Aynı element, farklı kütlelerde atomlara sahip olabilir. Tersine, birbirinden tamamen farklı iki element aynı kütle numarasını ya da aynı nötron sayısını paylaşabilir; farklı iki tanecik aynı sayıda elektron taşıyabilir. Bir önceki derste bir atomun proton, nötron ve elektronlarını saymayı öğrendik. Bu ders o sayıları iki tanecik arasında karşılaştırıyor ve hangi sayının eşit olduğuna göre dört ilişkiyi adlandırıyor: izotop, izoton, izobar ve izoelektronik.

• İzotop, izoton, izobar ve izoelektronik taneciklerin tanımlarını, hangi sayının eşit olduğuna göre ayırt edersin.
• Verilen tanecik çiftlerinin arasındaki ilişkiyi sayım yaparak belirlersin.
• İzotop atomların hangi özelliklerinin aynı, hangilerinin farklı olduğunu açıklarsın.
• Bir taneciğin aynı anda birden fazla ilişkiye girebileceğini ve bir atomla kendi iyonunun izotop olmadığını gösterirsin.

Tek soru: hangi sayı eşit?

İki tanecik karşılaştırılırken dört sayıya bakılır: proton sayısı (Z), nötron sayısı (n), kütle numarası (A) ve elektron sayısı. Dört ilişkinin her biri bu sayılardan birinin eşit olmasıyla tanımlanır:

Adları akılda tutmanın bilinen bir yolu, her adın içindeki harfe bakmaktır: izotop adında proton, izoton adında nötron, izobar adında kütle numarasının harfi A saklıdır. İzoelektronik ise adının söylediği gibi elektron sayısıyla ilgilidir.

İzotoplar

Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı atomlara izotop denir. Proton sayılarının eşitliği, izotopların aynı elementin atomları olduğunu gösterir; nötron sayısı farklı olduğu için kütle numaraları farklıdır.

Hidrojenin üç izotopu vardır: çekirdeğinde nötron bulunmayan ¹₁H (protium), bir nötronlu ²₁H (döteryum) ve iki nötronlu ³₁H (trityum). Karbonun en bilinen izotopları ¹²₆C, ¹³₆C ve ¹⁴₆C'dir; kancadaki yaş tayininde kullanılan, kararsız olan ve zamanla bozunan ¹⁴C'dir. Klorun doğada iki kararlı izotopu bulunur: ³⁵₁₇Cl ve ³⁷₁₇Cl.

İzotopların kimyasal özellikleri aynıdır, çünkü kimyasal davranış elektronlarla belirlenir ve nötr izotop atomlarının elektron sayıları eşittir. Fiziksel özellikleri ise farklıdır: kütleleri, yoğunlukları, erime ve kaynama noktaları birbirinden biraz ayrılır. Döteryum içeren "ağır su" ile sıradan su kimyasal olarak benzer davranır ama ağır suyun yoğunluğu daha büyüktür.

Bir atom ile kendi iyonu izotop değildir. ³⁵₁₇Cl atomu ile ³⁵₁₇Cl⁻ iyonunun proton ve nötron sayıları aynıdır; farkları yalnız elektron sayısıdır. İzotop tanımı nötron sayısı farklı nötr atomlar içindir. Atom ile iyonu ise elektron sayıları farklı olduğu için kimyasal olarak da farklı davranır.

Doğadaki izotop karışımı

Bir elementin doğada bulunan örneği çoğunlukla tek bir izotoptan değil, izotoplarının karışımından oluşur. Periyodik tabloda bir elementin altında yazan atom kütlesi bu yüzden çoğu zaman tam sayı değildir; izotopların kütlelerinin, doğadaki bulunma oranlarına göre alınmış ortalamasıdır. Klorun doğal örneğinde atomların yaklaşık dörtte üçü ³⁵Cl, dörtte biri ³⁷Cl'dir. Ortalama kütle bu yüzden 35 ile 37 arasında, ama 35'e daha yakın çıkar: (3 · 35 + 1 · 37) / 4 = 35,5. Kimya kitaplarında klorun atom kütlesinin 35,5 olarak geçmesinin nedeni budur. Bu ortalama, mol hesaplarının yapıldığı ünitede doğrudan kullanılacaktır.

İzotonlar

Nötron sayıları aynı, proton sayıları farklı atomlara izoton denir. Proton sayıları farklı olduğu için izotonlar farklı elementlerdir; bu yüzden hem kimyasal hem fiziksel özellikleri farklıdır. ¹⁴₆C ile ¹⁶₈O izotondur: ikisinde de 8 nötron vardır (14 − 6 ve 16 − 8). İzoton olup olmadığını anlamak için her taneciğin nötron sayısı ayrı ayrı hesaplanır; gösterimde doğrudan yazmadığı için bu ilişki en kolay gözden kaçandır.

İzobarlar

Kütle numaraları aynı, atom numaraları farklı atomlara izobar denir. Bunlar da farklı elementlerdir. ¹⁴₆C ile ¹⁴₇N izobardır; ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₁₉K ve ⁴⁰₂₀Ca da birbirinin izobarıdır. Kütle numaraları aynı olduğu için kütleleri birbirine çok yakındır, ama kimyasal özellikleri tamamen farklıdır: argon bir soy gaz, potasyum tepkimeye çok yatkın bir metal, kalsiyum ise başka bir metaldir.

İzoelektronik tanecikler

Elektron sayıları aynı olan taneciklere izoelektronik denir. Bu tanecikler atom ya da iyon olabilir. ¹⁰Ne atomu, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F⁻, O²⁻ ve N³⁻ iyonlarının hepsinde 10 elektron vardır; birbirleriyle izoelektroniktirler. Aynı biçimde Ar atomu ile K⁺, Ca²⁺, Cl⁻ ve S²⁻ iyonları 18'er elektron taşır. İzoelektronik taneciklerin elektron sayıları eşittir, ama proton sayıları ve yükleri farklıdır. Bu yüzden ne kimyasal ne fiziksel özellikleri aynıdır. Bir iyonun kaç elektron taşıdığı, önceki dersteki kuralla, çekirdek yükünden iyon yükünün düşülmesiyle hesaplanır.

Bir çift, birden fazla ilişki

İki tanecik aynı anda birden fazla ilişkiye girebilir. ³⁹₁₉K⁺ ile ⁴⁰₂₀Ca²⁺ iyonlarını düşünelim. İkisinde de 18 elektron vardır; izoelektroniktirler. Nötron sayıları da 39 − 19 = 20 ve 40 − 20 = 20 olarak eşittir; izotondurlar. Kütle numaraları ve proton sayıları ise farklıdır. Bu yüzden sorularda bir çift için "hangisi doğrudur" sorulduğunda dört sayının hepsi ayrı ayrı karşılaştırılmalı, ilk bulunan ilişkide durulmamalıdır.

Karşılaştırma sırası

İki tanecik verildiğinde önce her biri için dört sayı çıkarılır: proton (atom numarası), nötron (A − Z), kütle numarası (A) ve elektron (Z − yük). Sonra sayılar sütun sütun karşılaştırılır ve eşit olan her sütun bir ilişkiye işaret eder. Proton sayısı eşit, nötron farklı ve ikisi de nötrse izotoptur; proton sayısı eşit ama yalnız elektron sayısı farklıysa atom ile iyonudur. Dört sayıyı kâğıda küçük bir tablo olarak yazmak, özellikle üç ya da dört taneciğin birlikte verildiği sorularda karışıklığı önler; hangi sütunda eşitlik olduğu bir bakışta görülür ve gözden kaçan ilişki kalmaz.

Örnek 1 — İlişkiyi adlandırmak

Soru: ¹⁴₆C ile ¹⁴₇N atomları arasındaki ilişki hangisidir?

• A) İzotop
• B) İzoton
• C) İzoelektronik
• D) Aynı atomdur
• E) İzobar

Çözüm: Kütle numaraları 14 ile eşit, atom numaraları farklıdır. Nötron sayıları 8 ve 7, elektron sayıları 6 ve 7'dir. Cevap: E.

Örnek 2 — İzoelektronik tanecik bulmak

Soru: Aşağıdakilerden hangisi ₁₀Ne atomu ile izoelektroniktir?

• A) ₁₂Mg²⁺
• B) ₁₁Na
• C) ₁₇Cl⁻
• D) ₁₉K⁺
• E) ₂₀Ca²⁺

Çözüm: Ne'de 10 elektron vardır. Mg²⁺'da 12 − 2 = 10 elektron bulunur; öteki seçenekler 11, 18, 18 ve 18 elektron taşır. Cevap: A.

Örnek 3 — İzotopların özellikleri

Soru: ³⁵₁₇Cl ile ³⁷₁₇Cl atomları için hangisi doğrudur?

• A) Farklı elementlerdir.
• B) Kimyasal özellikleri aynı, kütleleri farklıdır.
• C) Nötron sayıları aynıdır.
• D) Elektron sayıları farklıdır.
• E) İzobardırlar.

Çözüm: Proton ve elektron sayıları aynı, nötron sayıları 18 ve 20'dir. İzotopturlar; kimyasal davranışları aynı, kütleleri farklıdır. Cevap: B.

Örnek 4 — Bilinmeyeni bulmak

Soru: ⁴⁰₁₉K atomu ile izobar olan ve atom numarası 18 olan atomun nötron sayısı kaçtır?

• A) On sekiz
• B) Kırk
• C) Yirmi bir
• D) Yirmi iki
• E) On dokuz

Çözüm: İzobar olduğu için kütle numarası da 40'tır. Nötron sayısı 40 − 18 = 22 olur. Cevap: D.

• İzotopların her özelliğinin aynı olduğunu sanmak. Kimyasal özellikleri aynı, kütleye bağlı fiziksel özellikleri farklıdır.
• Atom ile kendi iyonunu izotop saymak. Fark yalnız elektron sayısındadır; izotop tanımına girmez.
• İzotonu gösterimden okumaya çalışmak. Nötron sayısı gösterimde yazmaz; her tanecik için A − Z hesaplanır.
• İzoelektronik taneciklerin aynı element olduğunu sanmak. Elektron sayısı eşit, proton sayısı ve yük farklıdır.
• İlk bulunan ilişkide durmak. Bir çift aynı anda hem izoton hem izoelektronik olabilir.