Większość pierwiastków posiada swoje odmiany czyli izotopy. Każdy izotop danego pierwiastka ma inną liczbę masową (A). Dlaczego? Otóż izotopy danego pierwiastka mają tyle samo protonów, bo są to atomy tego samego pierwiastka, ale różnią się liczbę neutronów. W związku z tym suma protonów i neutronów w każdym z nich jest inna, a więc liczba masowa też jest inna.
Prawdopodobnie zastanawiasz się w jaki sposób naukowcy dowiedzieli się, że jeden pierwiastek może mieć różne wersje, czyli izotopy.
Pierwiastkiem nazywamy pojedynczy atom, ale również zbiór atomów o takiej samej liczbie protonów w jądrze atomowym . Jednak mogą się one różnić liczbą neutronów, a więc być względem siebie izotopami. Pytanie skąd właściwie wiemy jaka część danego pierwiastka składa się z izotopu X, a jaka z izotopu Z? No i skąd wiemy ile izotopów posiada np. siarka, a ile tlen oraz jakie są ich masy?
Te informacje naukowcy uzyskują dzięki metodzie analitycznej, którą jest spektrometria mas, zwana też spektroskopią masową. Na czym ona polega?
Na czym polega spektrometria mas?
Spektroskopia mas pozwala ustalić masy pojedynczych atomów i cząsteczek, czyli w przypadku próbki zawierającej atomy tego samego pierwiastka, jest ona w stanie dostarczyć nam informacje o masie każdego z jego izotopów, a także o ich procentowym udziale w próbce. Ale od brzegu. Na czym polega taki pomiar?
Działanie spektrometru masowego opiera się na odchylaniu strumienia jonów w polu magnetycznym i dalszej ich analizie pod względem masy i ładunku. W związku z tym analizowane cząstki muszą mieć ładunek elektryczny i z tego powodu przekształca się je w jony, co nazywamy jonizacją. Jak to się robi?
Najpierw umieszczamy w spektrometrze próbkę zawierającą mieszaninę izotopów danego pierwiastka i podgrzewamy ją. W rezultacie cząstki zawarte w próbce unoszą się w przestrzeni, dzięki czemu można je “wysłać” dalej. Następnie naszą próbkę bombardujemy wiązką elektronów, fotonów lub jonów, co ma na celu wybicie elektronu/ów. Jednak nie każdy atom czy cząsteczka będzie z nami współpracować. W konsekwencji w komorze jonizacyjnej powstaje mieszanina jonów, cząsteczek obojętnych oraz atomów. Te jony, które posiadają ładunek dodatni (kationy) są przyspieszane dzięki silnemu polu magnetycznemu i wypychane z komory jonizacyjnej.
Pole magnetyczne powoduje odchylenie toru lotu jonów o określony kąt, który zależy od masy jonu. Im jest ona mniejsza, tym kąt odchylenia danego jonu jest większy. W taki sposób kationy są kierowane do analizatora jonów, natomiast cząstki obojętne kończą swoją podróż w komorze jonizacyjnej. Kationy w analizatorze jonów są poddawane rozdziałowi zgodnie z wartością stosunku ich masy do ładunku czyli m/z. Następnie docierają do detektora, który je zbiera, zlicza i różnicuje pod względem stosunku ich masy do ładunku (m/z) oraz mierzy zawartość każdego z nich w analizowanej próbce.
Droga próbki zawierającej mieszaninę izotopów w spektrometrze masowym:
W ostatnim etapie generowany jest wykres (widmo), na którym prezentowane są wyniki uzyskane w czasie pomiaru. Na osi x odkłada się masy poszczególnych atomów i jonów, a na osi y względną intensywność sygnału, która jest wprost proporcjonalna do liczby zarejestrowanych drobin o danej masie. Czyli na osi y mamy procentową zawartość poszczególnych drobin w analizowanej próbce.
Jak wygląda widmo uzyskane w wyniku analizy mieszaniny izotopów za pomocą spektrometru masowego?
Ale spokojnie. Na maturze na pewno nie dostaniesz tak skomplikowanego wykresu. Zadania poruszające to zagadnienie zawierają raczej dużo prostsze wykresy, takie jak ten poniżej.
Podsumowując – na czym polega spektrometria mas?
Atomy w spektrometrze są jonizowane, przyspieszane i odchylane przez pole magnetyczne a następnie analizowane i zliczane przez detektor. Jony o wyższym stosunku masy do ładunku będą odchylane o mniejszy kąt, a jony o niższym stosunku masy do ładunku, będą odchylane o większy kąt. Na podstawie uzyskanych danych można ustalić masy poszczególnych izotopów znajdujących się w analizowanej próbce oraz ich zawartość procentową. Jeśli chcesz sobie to raz jeszcze utrwalić, polecam obejrzeć film o spektrometrii masowej.
Jeśli spodobał Ci się artykuł i chciałbyś dowiedzieć się więcej o izotopach, zapraszam Cię do lekcji na ten temat w kursie Chemia w Probówce. Na pewno dowiesz się wielu ciekawych rzeczy i lepiej przygotujesz się do matury z chemii.
