If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

İzotoplar ve Kütle Spektrometrisi

Önemli noktalar:

  • Aynı sayıda protona sahip, ancak nötron sayıları farklı olan atomlar, izotop olarak adlandırılır.
  • İzotopların atom kütleleri farklıdır.
  • Bir izotopun, göreceli (nispi) bolluğu o elementin doğada bulunan bir örneğindeki, belirli bir atom kütlesine sahip atomlarının yüzdesidir.
  • Bir elementin ortalama atom kütlesi, elementin izotoplarının göreceli (nispi) bolluklarının atom kütleleri ile çarpımlarından elde edilen değerlerin toplanması ile alınan ağırlıklı bir ortalamadır.
  • Her izotopun göreceli (nispi) bolluğu, kütle spektrometrisi kullanılarak bulunabilir.
  • Kütle spektrometresi, atomları ve molekülleri yüksek enerjili elektron ışınıyla iyonlaştırır. Ardından iyonları, kütle-yük oranlarını (m/z) baz alan bir manyetik alandan saptırır.
  • Bir örneğe ait kütle spektrumu, iyonların göreceli (nispi) bolluklarını y ekseninde, m/z oranlarını ise x ekseninde gösterir. z=1, eğer tüm iyonlar için geçerliyse, x ekseninde atomik kütle birimi (u) kullanılabilir.

Giriş: Atomu parçalamak

Her şey atomlardan oluşur. Bilgisayarınız veya telefon ekranınız, üzerinde oturduğunuz sandalye, siz ve ben; hepimiz atomlardan oluşuruz. Eğer ileri teknoloji ürünü ve bir o kadar da hayali kimya gözlüklerimizi takarak daha yakından inceleyecek olursak, atomun kendisinin de, belli özelliklere sahip atomaltı parçacıklardan oluştuğunu görürüz.
Atom; proton, nötron ve elektron adı verilen atomaltı parçacıklardan oluşur. Proton +1, elektron 1, nötron ise 0 yük taşır. Atomun merkezinde yer alan çekirdek, protonlardan ve nötronlardan oluşur. Elektronlar ise çekirdeği çevreleyen yörüngelerde yer alırlar. Elektronlar, negatif yüklü oldukları için, çekirdekteki pozitif yüklü protonlar tarafından kuvvetli bir şekilde çekilirler.
Bir atomu oluşturan parçacıkları, nötr bir helyum atomu örneğini kullanarak, aşağıdakine benzeyen basit bir şema ile gösterebiliriz:
Helyum atomunun Bohr modeli.
Nötr bir helyum atomuna ait şema. Protonlar ve nötronlar çekirdektedir. Elektronlar ise çekirdeğin dışında "yörüngede" dönmektedirler. Görsel hakları: "Atomaltı Parçacıklar (Sub-atomic particles)" by Chemistry LibreTexts, CC BY-NC-SA 3.0.
Şemaya göre, helyum atomunun iki protonu, iki nötronu, iki de elektronu olduğunu görüyoruz. Şemadaki proton ve elektron sayıları, helyumun atom numarası 2 olduğu için oldukça mantıklı! Helyumun atom numarasının 2 olması, çekirdeğinde iki protonu olduğu anlamına gelir. İki protonu olmasaydı, bu, farklı bi elementin atomu olurdu. Atomun yüksüz (nötr) olması için de, protonların pozitif yükünü dengelemek adına iki elektron olması gerekir Peki nötron sayısı için ne söyleyebiliriz? Tüm helyum atomlarında iki nötron mu vardır?
Bilindiği üzere, hayır, hepsinin iki nötronu yoktur! Çekirdeğindeki proton sayısı faklı olan atomların farklı elementler olduklarını biliyoruz. Ancak bu durum, nötronlar için geçerli değildir: aynı elementin atomları farklı sayıda nötrona sahip olsalar da elementin tüm özelliklerine sahiptirler. Bu atomlar izotop olarak adlandırılırlar ve bir tek bir elementin birçok farklı izotopu olabilir.
İzotop kelimesi Yunancadan gelir: izo- "aynı" anlamına gelir, -top ise Yunancadaki "yer" anlamına gelen topos kelimesinden gelmektedir. Buradan da anlayabileceğimiz üzere, izotoplar, proton sayıları eşit olduğu için, periyodik tabloda aynı yerde bulunurlar. Aralarındaki fark ise, çekirdeklerindeki nötron sayısı ve buna bağlı olan atom kütleleridir.

Parçacık kütleleri ve atomik kütle birimi

Tek bir atomun kütlesini nasıl temsil edebiliriz? Atomlar zaten küçüktür, bu da atomaltı parçacıkların daha da küçük oldukları anlamına gelir ve bu nedenle, her gün kullandığımız kilogram ya da gramı, bu parçacıkların kütlelerini ölçmek için kullanamayız. Bilim insanları, tam da bu nedenden dolayı, birleşik atom kütle birimi ya da u'yu geliştirmişlerdir ve biz de, atomik ya da moleküler ölçekler söz konusu olduğunda kütleyi, bu birimi kullanarak ölçeriz.
Tanımına göre, 1 u, karbonun en yaygın izotopu olan karbon-12'nin tek bir nötr atomunun kütlesinin on ikide birine eşittir. Tire işaretinden sonraki 12 sayısı, elementin bahsi geçen izotopunun proton ve nötron sayılarının toplamıdır.
Kavram kontrolü: Bir karbon-12 atomunun çekirdeğinde kaç adet proton bulunur?
Birleşik atom kütle biriminin ne kadar faydalı olduğunu görmek adına, proton, nötron ve elektronların hem kg hem de u cinsinden kütlelerine göz atalım.
İsimYükKütle (kg)Kütle (u)Konum
proton+11,673×10271,007çekirdek içinde
nötron01,675×10271,009çekirdek içinde
elektron19,109×10315,486×104çekirdek dışında
Birleşik atom kütle biriminin kullanılması, parçacıkların kütlelerini anlamamızı ve karşılaştırmamızı kolaylaştırır. Örneğin, yukarıdaki rakamlara dayanarak, protonların ve nötronların, elektronlardan çok daha büyük kütleli olduklarını söylemek mümkündür. Net olmak gerekirse, aralarında 2000 katlık bir fark olduğunu bile söyleyebiliriz. Bu da, atomun kütlesinin çok büyük bir kısmının, çekirdeği içinde yer aldığı anlamına gelir.
Aslına bakarsanız, elektonların kütlelerinin, proton ve nötronların kütlelerine kıyasla bu denli küçük olması, atomun kütlesinin geneli üzerinde göz ardı edilebilir bir etkiye sahip olması anlamına gelir. Başka bir deyişle, atomların ve moleküllerin kütleleri hesaplanırken, elektronların kütlelerini göz ardı etmek, bir yanlış değildir! Ek olarak, proton ve nötronların kütlelerinin de eşit ve 1u olduklarını varsayarak, hesaplamaları biraz daha kolaylaştırmak da mümkündür. Ancak bu makalede, genel olarak daha hassas bir biçimde hesaplanan atom kütleleri ile çalışacağımızı da hatırlatmak isteriz.

Kütle numarası ve izotop gösterimi

Protonların, nötronların ve elektronların farklı kütleleri ve yükleri hakkında bilgi sahibi olduğumuza göre, artık kütle numarası kavramını ele alabiliriz. Tanımına göre, kütle numarası, çekirdekteki proton sayısı artı nötron sayısına eşittir.
Kütle numarası=(proton sayısı)+(nötron sayısı)
Tıpkı atom numarasının bir elementi tanımlaması gibi, kütle numarasının da bir elementin belirli bir izotopunu tanımladığını düşünebiliriz. Aslında bir izotopu belirlemenin daha çok tercih edilen yolu, tıpkı karbon-12 örneğinde olduğu gibi, "element adı-kütle numarası" gösterimini kullanmaktır.
İzotopun kütle numarasının, çekirdeğindeki nötron sayısını hesaplamak için kullanılabileceğini bilmek önemlidir. Örneğin, karbon-12'nin kütle numarasını ve yukarıdaki denklemi kullanarak, tek bir karbon-12 atomunda kaç adet nötron olduğunu bulabiliriz. Denklemi, nötron sayısını bulmamızı sağlayacak şekilde düzenlediğimizde, aşağıdaki denklemi elde ederiz:
nötron sayısı=kütle numarası(proton sayısı)=126=6 (karbon-12’nin nötron sayısı)
Sonuç olarak, bir karbon-12 atomunun çekirdeğinde 6 adet nötron olduğunu bulduk. Haydi! Bir örneğe daha göz atalım.
Kavram kontrolü: Krom-52, kromun en kararlı izotopudur. Bir krom-52 atomunda kaç adet nötron bulunur?
Kimyagerlerin, izotopları göstermek için kullandıkları yollardan biri izotop gösterimi ya da nükleer gösterimdir. İzotop gösterimi, izotopun atom numarasını, kütle numarasını ve yükünü tek bir sembolde toplar. Örneğin, nöt hidrojen-3 ve magnezyum-24 katyonunun izotop gösterimlerini ele alalım:
Helyum-4 ve magnezyum-24'ün izotop gösterimleri.
Nötr hidrojen-3 (solda) ve +2 yüklü magnezyum-24 katyonu (sağda) için izotop gösterimleri.
Hidrojen ve magnezyumun kimyasal sembollerinin, her bir izotopa ait gösterimin tam ortasına yazıldığını görüyoruz. Bu sembollerin sol tarafında, izotopların atom numarası ve kütle numarası, sağında ise izotopun net yükü yer almakta. Yukarıdaki, hidrojen-3'e ait gösterimde olduğu gibi, nötr atomların net yükü gösterime dahil edilmez.

Atom kütlesi ve kütle numarası

Bir izotopun kütle numarası, atom kütlesi ile yakından ilgili bir kavramdır. Atom kütlesi, belirli bir elementin izotopunun kütlesinin u cinsinden ifade edilmiş hâlidir. Protonların ve nötronların kütlelerinin birbirlerine neredeyse eşit olmaları (yaklaşık 1 amu), izotopun atom kütlesinin, kütle numarasına çok yakın olmasına sebep olur. Ancak bu iki kavram farklıdır! Kütle numarası, çekirdekteki proton ve nötron sayıları her zaman tam sayı olduğu için bir tam sayıdır ve çoğunlukla birimsiz yazılır. Öte yandan, atom kütlesi yuvarlanmadığı durumlar dışında asla bir tam sayı değildir ve u kütle birimi ile kullanılır.
Öğrencilerin genellikle atom kütlesi ve kütle numarasına benzeterek karıştırdıkları bir diğer terim de, bu ikisi ile ilişkili olan ortalama atom kütlesidir (bundan zaman zaman atom ağırlığı olarak bahsedildiğini de duyabilirsiniz). Merak etmeyin, ilerleyen bölümde atom ağırlığı konusundan da bahsedeceğiz!

Göreceli (nispi) bolluk ve ortalama atom kütlesi

Klorun kararlı iki izotopu vardır: klor-35 ve klor-37.
Klor-35'in atom kütlesi 34,97u, klor-37'nin ise 36,97u'dur. Ancak periyodik tabloyu incelediğimizde, klorun kütlesinin 35,45u olduğunu görürüz. Bu değer nereden geliyor olabilir?
Bu değerin, klor atomlarının ortalama kütlesi olduğunu düşündüyseniz, yanılmıyorsunuz. Aslına bakarsanız, periyodik tabloda gördüğünüz bütün kütleler, elementlerin kararlı izotoplarının atom kütleleri ve bollukları baz alınarak elde edilen ortalama değerlerdir. Bu ortalama kütleler ortalama atom kütlesi ya da bazı ders kitaplarında olduğu gibi atom ağırlıkları olarak adlandırılırlar.
Şimdi, klorun ortalama atom kütlesi üzerinde biraz düşünelim. Basitçe düşünürsek, klor-35 ve klor-37'nin atom kütleleri sırası ile 34,97 ve 36,97u ise, klorun ortalama atom kütlesi neden bu iki değerin ortalaması değildir?
Sorunu cevabı, farklı izotopların farklı göreceli (nispi) bolluklara sahip olmalarıyla ilgilidir. Başka bir deyişle, bazı izotoplar diğer izotoplara göre Dünya üzerinde daha bol miktarlarda bulunabilirler. Klor örneğini kullanacak olursak, klor-35'in göreceli (nispi) bolluğu %75,76 iken klor-37'nin göreceli (nispi) bolluğu %24,24'tür. Göreceli (nispi) bolluk değerlerinin yüzde olarak verildiğine dikkat edelim. Bu, bir elementin tüm kararlı izotoplarının göreceli (nispi) bolluklarının toplamının %100'e eşit olmasını gerektirir. Bir atomun ortalama atom kütlesi değeri ise aslında, bu değerlere göre hesaplanmış ağırlıklı bir ortalamadır. Bu konuyu daha iyi örneklemek adına, klorun atom ağırlığını hesaplayalım.

Örnek: Klorun ortalama atom kütlesini hesaplama

Ortalama atom kütlesinin, bir ağırlıklı ortalama olduğunu aklımızdan çıkarmamalıyız. Bir ağırlıklı ortalama almak istediğimizde, işlem kümesindeki bütün değerleri (örneğin burada, klorun her bir izotopunun atom kütlelerini), kesir olarak ifade edilen göreceli (nispi) bollukları ile çarparız. Ardından çarpım sonucu elde ettiğimiz tüm değerleri toplarız. Bu işlemleri şu şekilde gösterebiliriz.
Ortalama atom kütlesi=i=1n(göreceli (nispi) bolluk×atom kütlesi)i
Klorla ilgili değerleri denkleme yerleştirdiğimizde, aşağıdaki eşitliği elde ederiz:
Klorun ortalama atom kütlesi=(0,7576×34,97u)+(0,2424×36,97u)=26,49u+8,96u=35,45u
Klor-35, klor-37'ye göre yaklaşık 3 kat daha bol bulunan bir izotop olduğu için ağırlıklı ortalama, 35u'ya, 37u'ya olduğundan daha yakın olacaktır.
Kavram kontrolü: Brom elementinin kararlı iki izotopu bulunur: brom-79 ve brom-81. Bu izotopların göreceli (nispi) bollukları sırasıyla %50,70 ve %49,30dur. Bromun atom ağırlığı 79, 80 ya da 81u değerlerinden hangisine daha yakındır?

Kütle spektrometresi

Artık, göreceli (nispi) bolluk değerlerinin kullanıldığı ağırlıklı ortalama hesaplamalarıyla ortalama atom kütlesinin nasıl bulunduğunu biliyoruz. Peki, bu göreceli (nispi) bolluk değerleri nereden geliyor? Örneğin, Dünya'daki tüm klor atomlarının %75,76'sının klor-35 olduğunu nasıl biliyoruz?
Cevap, kütle spektrometrisi adı verilen ve göreceli (nispi) bollukları deneysel olarak hesaplayabilen bir teknikte saklı.
Bir kütle spektrometresi görseli.
Bir kütle spektrometresi görseli. Örnek makineye yerleştirilir, bir ısıtıcı tarafından buharlaştırılır, ardından da yüksek enerjili bir elektron dalgası tarafından iyonlaştırılır. Elde edilen iyonlar paralel elektrik plakalarının içinde hızlandırılır ve dedektöre ulaşmadan manyetik alanda saptırılırlar. Görsel hakları: "Atomic Structure and Symbolism: Figure 5" by OpenStax Chemistry, CC BY 4.0.
Kütle spektrometrisinde, analiz edilecek atomları veya molekülleri içeren örnek kütle spektrometresi adı verilen cihaza yerleştirilir. Çoğunlukla sulu veya organik bir çözelti içinde bulunan örnek, bir ısıtıcı tarafından hemen buharlaştırılır. Buharlaşan örnek yüksek enerjili elektron bombardımanına tutulur. Bu elektronların örnekteki atomların elektronlarını ayırmaya yetecek kadar enerjileri vardır, ve bu süreç sonucunda pozitif yüklü iyonlar oluşur. Bu iyonlar elektrik plakalarının içinde hızlandırılır ve ardından bir manyetik alan tarafından saptırılırlar (Şekil 3).
İyonların sapma miktarı, hızları ve yüklerine bağlıdır. Daha yavaş hareket eden ağır iyonlar daha az saparken, daha hızlı hareket eden hafif iyonlar daha fazla saparlar. Bir bowling topunu ivmelendirmek için uyguladığınız kuvvetle, bir tenis topunu harekete geçirmek için uyguladığınız kuvveti karşılaştırın. Tenis topunu hareket ettirmek çok daha kolaydır, öyle değil mi? Ek olarak, manyetik alan da, yükü daha büyük iyonları, yükü daha küçük olan iyonlara oranla daha fazla saptırır.
İyonların sapma miktarları kütle-yük oranlarıyla (mz; burada, m iyonun kütlesi, z iyonun yükünü verir) ters orantılıdır. İyonlar saptırıldıktan sonra, kütle spektrometresinin içinde bulunan dedektöre ulaşırlar ve bu dedektör de, iki ölçüm yapar: (1) her bir iyonun m/z oranı ve (2) bu orana sahip iyondan kaç adedini tespit ettiğini. Cihaza yerleştirilen örnekteki belirli bir iyonun göreceli (nispi) bolluğu, belirli bir m/z değerine sahip iyon adedinin, tespit edilen toplam iyon sayısına bölünmesiyle hesaplanır. Cihaz deney sonunda, örnek için bir kütle spektrumu oluşturur. Kütle spektrumu göreceli (nispi) bolluk ve m/z oranını karşılıklı olarak bir grafiğe döker.
Kavram kontrolü: Bir miktar bakır örneği kütle spektrometresine yerleştirilir. Örnek buharlaştırıldıktan ve iyonlaştırıldıktan sonra, 63Cu2+ ve 65Cu2+ iyonları algılanır. Hangi iyon spektrometrede daha fazla yön değiştirir (sapar)?
Bazı deneylerde, kütle spektrometresinin ortaya çıkardığı iyonların tamamının yükü +1'dir. Bu durumda, iyonların m/z oranları da, m'ye yani iyonun atom kütlesine eşit olur. Bunun sonucunda ise, bazı kütle spektrumlarının x ekseninde m/z oranı yerine u cinsinden atom kütlesini görürüz, aynen aşağıdaki, zirkomyum için hazırlanmış kütle spektrumunda olduğu gibi (Şekil 4).

Zirkonyum elementinin kütle spektrumunun analizi

Kütle spektrometrisi kullanarak atom numarası 40 olan zirkonyum elementine ait bir örneğini analiz ettiğimizi düşünelim. Cihaza örneği yerleştirdikten sonra, buna benzeyen bir kütle spektrumu elde ederiz:
Zirkonyumun kütle spektrumu.
Saf zirkonyumun ortalama bir örneğinin kütle spektrumu.
Bu spektrumu inceleyerek zirkonyum hakkında neler söyleyebiliriz? Öncelikle, spektrumda beş adet tepe noktasının olması, bize zirkonyumun doğada beş adet izotopu bulunduğu bilgisini verir. Ek olarak, bu tepe noktalarının yükseklikleri, zirkonyumun bu izotoplarından birinin diğerlerine oranla ne kadar daha fazla ya da az bol olduğunu gösterir.
Kavram kontrolü: Bu spektrum göz önünde bulundurulursa, doğadaki en bol zirkonyum izotopu hangisidir?
Son olarak, x ekseninde m/z yerine u cinsinden atom kütlesini gördüğümüzün de altını çizmek istiyoruz. Bu, bu deney sonucu elde edilen tüm iyonların yüklerinin +1 olduğu anlamına gelir. İzotopların atom kütlelerini de bildiğimize göre, göreceli (nispi) bolluklarını da kullanarak, zirkonyum örneğinin ortalama atom kütlesini hesaplayabiliriz. Bu hesaplamayı kendiniz yapmak isterseniz, makale sonundaki alıştırma sorusuna göz atabilirsiniz.
Günümüzde, bütün yaygın elementlerin ortalama atom kütlelerini bildiğimiz için, öğrencilerin öğrenmesini sağlamak dışında, çoğu zaman elementleri kütle spektrometrisi kullanarak analiz etmeye ihtiyaç duymuyoruz. Kimyagerler genellikle laboratuvarlarında kütle spektrometrisini, bilinmeyen moleküllerin veya bileşiklerin yapılarını veya kimyasal formüllerini anlayabilmek için kullanırlar. Günümüz dünyasında kütle spektrometrisi, sadece kimya alanında değil, tıpta, adli tıpta, çevre bilimlerinde ve diğer önemli alanlarda çok değerli bir analitik araç olarak kabul görmekte. İster henüz keşfedilmemiş bir gezegenin atmosferinin analizinde ister yeni üretilmiş bir molekülün özelliklerini belirlemede kullanılsın, kütle spektrometrisi, bilimsel bilginin ve algılama gücünün arttırılması açısından çok ama çok önemli bir yöntemdir.

Özet

  • Aynı sayıda protona sahip, ancak nötron sayıları farklı olan atomlar, izotop olarak adlandırılır.
  • İzotopların atom kütleleri farklıdır.
  • Bir izotopun, göreceli (nispi) bolluğu o elementin doğada bulunan bir örneğindeki, belirli bir atom kütlesine sahip atomlarının yüzdesidir.
  • Bir elementin ortalama atom kütlesi, elementin izotoplarının göreceli (nispi) bolluklarının atom kütleleri ile çarpımlarından elde edilen değerlerin toplanması ile alınan ağırlıklı bir ortalamadır.
  • Her izotopun göreceli (nispi) bolluğu, kütle spektrometrisi kullanılarak bulunabilir.
  • Kütle spektrometresi, atomları ve molekülleri yüksek enerjili elektron ışınıyla iyonlaştırır. Ardından iyonları, kütle-yük oranlarını (m/z) baz alan bir manyetik alandan saptırır.
  • Bir örneğe ait kütle spektrumu, iyonların göreceli (nispi) bolluklarını y ekseninde, m/z oranlarını ise x ekseninde gösterir. z=1, eğer tüm iyonlar için geçerliyse, x ekseninde atomik kütle birimi (u) kullanılabilir.

Bunu deneyin!

Zirkonyumun yukarıdaki kütle spektrumu baz alınarak, zirkonyumun izotopları için aşağıdaki atomik kütleleri ve göreceli (nispi) bollukları buluruz:
İzotopZr-90Zr-91Zr-92Zr-94Zr-96
Atom kütlesi (u)89,90590,90691,90593,90695,908
Göreceli (nispi) bolluk (%)51,4511,2217,1517,382,80
Tabloda verilen verilere dayanarak, örnekteki zirkonyumun ortalama atom kütlesini hesaplayın?
Cevabınızı en yakın yüzde birliğe yuvarlayarak, bir ondalık sayı olarak yazın.
  • Cevabınız şöyle olmalı
  • 0,75 gibi bir tam ondalık sayı
u

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.