İzotop, İzoton, İzobar ve İzoelektronik Tanecikler Nasıl Ayırt Edilir?

Atom numarası, kütle numarası ve tanecik sayıları

Atomun çekirdeğinde proton ve nötronlar, çekirdeğin çevresinde ise elektronlar bulunur. Protonlar pozitif yüklü, nötronlar yüksüz, elektronlar negatif yüklüdür. Bir elementin kimliğini belirleyen sayı proton sayısıdır ve atom numarası olarak adlandırılır. Atom numarası Z ile gösterilir; dolayısıyla Z = proton sayısıdır. Örneğin atom numarası 8 olan her tanecik oksijendir. Proton sayısı 8 olduğu için bu taneciğin element türü değişmez.

Kütle numarası, çekirdekteki proton ve nötronların toplamıdır. A = proton sayısı + nötron sayısı bağıntısı kullanılır. Bu nedenle nötron sayısı, n = A - Z şeklinde bulunabilir. Örneğin kütle numarası 23, atom numarası 11 olan bir tanecikte 11 proton ve 12 nötron vardır. Elektron sayısı taneciğin yüksüz ya da iyon olmasına göre belirlenir. Nötr atomda proton sayısı elektron sayısına eşittir. Atom elektron vermişse pozitif iyon, elektron almışsa negatif iyon oluşur; bu nedenle iyon gösterimindeki yük, proton ve elektron sayılarının eşit olmadığını gösterir. Örneğin 11 protonlu nötr sodyum atomunda 11 elektron bulunurken Na+ iyonunda bir elektron eksildiği için 10 elektron bulunur. Atom ve iyonların sembolle gösteriminde element sembolü, kütle numarası, atom numarası ve iyon yükü birlikte kullanılabilir.

İzotop kavramı

İzotoplar, aynı elemente ait proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı atomlardır. Proton sayısı aynı olduğu için atom numaraları da aynıdır; nötron sayısı değiştiği için kütle numaraları farklı olur. Bu ilişkiyi belirleyen temel ölçüt proton sayısının eşit, nötron sayısının farklı olmasıdır.

Örneğin magnezyumun 24Mg, 25Mg ve 26Mg biçiminde gösterilen izotoplarının tamamında 12 proton bulunur. 24Mg atomunda 12 nötron, 25Mg atomunda 13 nötron, 26Mg atomunda ise 14 nötron vardır. Kütle numarası proton ve nötron toplamı olduğundan bu taneciklerin kütle numaraları sırasıyla 24, 25 ve 26 olur. Nötr magnezyum atomları ele alındığında her birinde 12 elektron bulunur; değişen temel tanecik nötron sayısıdır. İzotopların kararlılığı, radyoaktifliği ve kullanım alanları ayrı bir konudur.

İzoton kavramı

İzotonlar, farklı elementlere ait nötron sayıları eşit olan atomlardır. Farklı elementlerden söz edildiği için proton sayıları farklıdır; dolayısıyla atom numaraları da farklı olur. Nötron sayısı eşit olduğu hâlde proton sayısı değiştiğinden kütle numaraları da mutlaka farklıdır.

Örneğin radyoaktif bir karbon izotopu olan 14C atomunda 6 proton ve 8 nötron, kararlı 15N atomunda 7 proton ve 8 nötron bulunur. Bu iki atomun nötron sayısı aynı olduğu için izotondur. Ancak proton sayıları 6 ve 7 olduğundan farklı elementlere aittir; kütle numaraları da 14 ve 15 olarak farklıdır. Bir çift taneciği izoton olarak adlandırmadan önce önce nötron sayılarını hesaplamak, ardından proton sayılarının farklı olduğunu kontrol etmek gerekir. Yalnızca kütle numaralarının farklı olması izoton olduklarını göstermeye yetmez.

İzobar kavramı

İzobarlar, kütle numaraları aynı, proton sayıları farklı olan atomlardır. Kütle numarası proton ve nötronların toplamı olduğundan proton sayısı değiştiğinde nötron sayısı da toplamı koruyacak şekilde değişir. Bu yüzden izobar taneciklerde aynı olan değer kütle numarasıdır; proton ve nötron sayıları aynı olmak zorunda değildir.

Örneğin radyoaktif 14C atomunda 6 proton ve 8 nötron, kararlı 14N atomunda 7 proton ve 7 nötron vardır. Her iki taneciğin kütle numarası 14'tür. Buna karşılık proton sayıları farklı olduğu için biri karbon, diğeri azot elementidir. Nötr atomlar için elektron sayıları da sırasıyla 6 ve 7 olur. Bu örnekte proton sayılarının farklı, nötron sayılarının farklı ve kütle numaralarının eşit olması izobar ilişkisinin ayırt edici özelliğidir.

İzoelektronik kavramı

İzoelektronik tanecikler, elektron sayıları eşit olan atom veya iyonlardır. Bu ilişkiyi belirleyen proton ya da nötron sayısı değil, taneciğin sahip olduğu toplam elektron sayısıdır. Bu nedenle izoelektronik tanecikler aynı element olmak zorunda değildir ve aralarında hem atomlar hem de iyonlar bulunabilir.

Örneğin neon atomunun 10 elektronu vardır. Na+ iyonu, 11 protona sahipken bir elektron verdiği için 10 elektrona düşer. F- iyonu ise 9 protona sahipken bir elektron aldığı için 10 elektrona ulaşır. Böylece Ne, Na+ ve F- tanecikleri izoelektroniktir. Bir taneciğin iyon yükü verilmişse elektron sayısını hesaplarken pozitif iyonlarda elektron sayısının proton sayısından eksik, negatif iyonlarda ise proton sayısından fazla olduğu dikkate alınır. Proton ve nötron sayıları eşit olmasa bile elektron sayıları eşitse izoelektronik ilişki kurulabilir.

Dört ilişkiyi tanecik sayılarına göre karşılaştırma

Bu kavramları ayırt etmek için önce her taneciğin proton, nötron ve elektron sayılarını belirlemek gerekir. Proton sayısı doğrudan atom numarasına eşittir. Nötron sayısı kütle numarasından atom numarası çıkarılarak bulunur: n = A - Z. Elektron sayısı ise taneciğin yüküne göre hesaplanır. Daha sonra eşit olan tanecik sayısı kontrol edilir:

• Proton sayısı aynı, nötron sayısı farklıysa izotop.
• Nötron sayısı aynı, proton sayısı farklıysa izoton.
• Kütle numarası aynı, proton sayısı farklıysa izobar.
• Elektron sayısı aynıysa izoelektronik.

Örneğin 23Na+ ve 20Ne taneciklerini inceleyelim. Sodyumun atom numarası 11 ve kütle numarası 23 olduğundan 11 protonu, 12 nötronu vardır. Na+ bir elektron verdiği için elektron sayısı 10'dur. Neonun atom numarası 10 ve kütle numarası 20 olduğundan 10 protonu, 10 nötronu ve nötr atom olduğu için 10 elektronu vardır. Bu iki taneciğin elektron sayısı eşit olduğundan izoelektroniktir; proton ve nötron sayıları eşit olmadığı için izotop, izoton veya izobar değildir.

Başka bir karşılaştırmada 12C ve 13C atomlarının proton sayısı 6'dır. Nötron sayıları sırasıyla 6 ve 7 olduğundan bunlar izotoptur. 14C ile 14N ise aynı kütle numarasına, yani 14'e sahipken proton sayıları farklıdır; bu nedenle izobardır. 14C ile 15N örneğinde ise her iki atomda da 8 nötron bulunduğundan ilişki izotondur. Böylece aynı iki tanecik için birden fazla sayı karşılaştırılabilir; doğru adlandırma, soruda hangi sayının eşit olduğuna bakılarak yapılır. Kütle numarasının eşit olması tek başına izotop anlamına gelmez, elektron sayısının eşit olması ise izoelektronik ilişkiyi gösterir.