Izotopi istog elementa imaju isti broj. Šta su izotopi

Proučavanjem svojstava radioaktivnih elemenata otkriveno je da isti kemijski element može sadržavati atome različite nuklearne mase. Istovremeno, imaju isti nuklearni naboj, odnosno to nisu nečistoće stranih tvari, već ista tvar.

Šta su izotopi i zašto postoje?

U Mendeljejevom periodnom sistemu, i ovaj element i atomi supstance različite nuklearne mase zauzimaju jednu ćeliju. Na osnovu gore navedenog, takve vrste iste supstance dobile su naziv "izotopi" (od grčkog isos - identičan i topos - mjesto). dakle, izotopi- to su varijante datog hemijskog elementa, koji se razlikuju po masi atomskih jezgara.

Prema prihvaćenom neutron-n model rotonskog jezgra Postojanje izotopa bilo je moguće objasniti na sljedeći način: jezgra nekih atoma tvari sadrže različit broj neutrona, ali isti broj protona. U stvari, nuklearni naboj izotopa jednog elementa je isti, dakle, broj protona u jezgri je isti. Jezgra se razlikuju po masi, pa prema tome sadrže različit broj neutrona.

Stabilni i nestabilni izotopi

Izotopi mogu biti stabilni ili nestabilni. Do danas je poznato oko 270 stabilnih izotopa i više od 2000 nestabilnih. Stabilni izotopi- To su varijante hemijskih elemenata koji mogu samostalno postojati dugo vremena.

Večina nestabilni izotopi je dobijen vještačkim putem. Nestabilni radioaktivni izotopi su aktivni, njihova jezgra su podložna procesu radioaktivnog raspada, odnosno spontane transformacije u druge jezgre, praćene emisijom čestica i/ili zračenja. Gotovo svi radioaktivni umjetni izotopi imaju vrlo kratko vrijeme poluraspada, mjereno u sekundama ili čak dijelovima sekunde.

Koliko izotopa može sadržavati jezgro?

Jezgro ne može sadržavati proizvoljan broj neutrona. Shodno tome, broj izotopa je ograničen. Parni broj protona elemenata, broj stabilnih izotopa može doseći deset. Na primjer, kalaj ima 10 izotopa, ksenon ima 9, živa ima 7, i tako dalje.

Ti elementi broj protona je neparan, može imati samo dva stabilna izotopa. Neki elementi imaju samo jedan stabilan izotop. To su supstance kao što su zlato, aluminijum, fosfor, natrijum, mangan i druge. Takve varijacije u broju stabilnih izotopa različitih elemenata povezane su sa složenom ovisnošću broja protona i neutrona o energiji vezivanja jezgra.

Gotovo sve tvari u prirodi postoje u obliku mješavine izotopa. Broj izotopa u supstanci zavisi od vrste supstance, atomske mase i broja stabilnih izotopa datog hemijskog elementa.

Proučavajući svojstva radioaktivnih elemenata, otkriveno je da isti kemijski element može sadržavati atome različite nuklearne mase. Istovremeno, imaju isti nuklearni naboj, odnosno to nisu nečistoće stranih tvari, već ista tvar.

Šta su izotopi i zašto postoje?

U Mendeljejevom periodnom sistemu, i ovaj element i atomi supstance različite nuklearne mase zauzimaju jednu ćeliju. Na osnovu gore navedenog, takve vrste iste supstance dobile su naziv "izotopi" (od grčkog isos - identičan i topos - mjesto). dakle, izotopi- to su varijante datog hemijskog elementa, koji se razlikuju po masi atomskih jezgara.

Prema prihvaćenom neutronsko-protonskom modelu jezgra, postojanje izotopa je bilo moguće objasniti na sljedeći način: jezgra nekih atoma tvari sadrže različit broj neutrona, ali isti broj protona. U stvari, nuklearni naboj izotopa jednog elementa je isti, dakle, broj protona u jezgri je isti. Jezgra se razlikuju po masi, pa prema tome sadrže različit broj neutrona.

Stabilni i nestabilni izotopi

Izotopi mogu biti stabilni ili nestabilni. Do danas je poznato oko 270 stabilnih izotopa i više od 2000 nestabilnih. Stabilni izotopi- To su varijante hemijskih elemenata koji mogu samostalno postojati dugo vremena.

Večina nestabilni izotopi je dobijen vještačkim putem. Nestabilni izotopi su radioaktivni, njihova jezgra su podložna procesu radioaktivnog raspada, odnosno spontane transformacije u druge jezgre, praćene emisijom čestica i/ili zračenja. Gotovo svi radioaktivni umjetni izotopi imaju vrlo kratko vrijeme poluraspada, mjereno u sekundama ili čak dijelovima sekunde.

Koliko izotopa može sadržavati jezgro?

Jezgro ne može sadržavati proizvoljan broj neutrona. Shodno tome, broj izotopa je ograničen. Parni broj protona elemenata, broj stabilnih izotopa može doseći deset. Na primjer, kalaj ima 10 izotopa, ksenon ima 9, živa ima 7, i tako dalje.

Ti elementi broj protona je neparan, može imati samo dva stabilna izotopa. Neki elementi imaju samo jedan stabilan izotop. To su supstance kao što su zlato, aluminijum, fosfor, natrijum, mangan i druge. Takve varijacije u broju stabilnih izotopa različitih elemenata povezane su sa složenom ovisnošću broja protona i neutrona o energiji vezivanja jezgra.

Gotovo sve tvari u prirodi postoje u obliku mješavine izotopa. Broj izotopa u supstanci zavisi od vrste supstance, atomske mase i broja stabilnih izotopa datog hemijskog elementa.

Ponovite glavne tačke teme „Osnovni pojmovi hemije“ i rešite predložene zadatke. Koristite br. 6-17.

Osnovne odredbe

1. Supstanca(jednostavno i složeno) je svaka kolekcija atoma i molekula koja se nalazi u određenom agregacijskom stanju.

Transformacije tvari praćene promjenama u njihovom sastavu i (ili) strukturi se nazivaju hemijske reakcije .

2. Strukturne jedinice supstance:

· Atom- najmanja električki neutralna čestica nekog hemijskog elementa ili jednostavne supstance, koja poseduje sva svoja hemijska svojstva i tada je fizički i hemijski nedeljiva.

· Molekula- najmanja električki neutralna čestica tvari, koja posjeduje sva njena hemijska svojstva, fizički nedjeljiva, ali kemijski djeljiva.

3. Hemijski element - Ovo je vrsta atoma sa određenim nuklearnim nabojem.

4. Compound atom :

5. Compound atomsko jezgro :

Jezgro sadrži elementarne čestice ( nukleoni) –

protona(1 1 p ) i neutroni(1 0 n ).

· Jer Gotovo sva masa atoma koncentrisana je u jezgru i m str ≈ m n≈ 1 amu, To zaokružena vrijednostA rhemijskog elementa jednak je ukupnom broju nukleona u jezgru.

7. Izotopi- niz atoma istog hemijskog elementa, koji se međusobno razlikuju samo po svojoj masi.

· Izotopska oznaka: lijevo od simbola elementa označava maseni broj (gore) i atomski broj elementa (dolje)

· Zašto izotopi imaju različite mase?

Zadatak: Odrediti atomski sastav izotopa hlora: 35 17Cli 37 17Cl?

· Izotopi imaju različite mase zbog različitog broja neutrona u njihovim jezgrima.

8. U prirodi, hemijski elementi postoje u obliku mješavine izotopa.

Izotopski sastav istog hemijskog elementa izražava se u atomske frakcije(ω at.), koji označavaju koji dio čini broj atoma datog izotopa od ukupnog broja atoma svih izotopa datog elementa, uzet kao jedan ili 100%.

Na primjer:

ω na (35 17 Cl) = 0,754

ω na (37 17 Cl) = 0,246

9. Periodični sistem prikazuje prosječne vrijednosti relativnih atomskih masa hemijskih elemenata, uzimajući u obzir njihov izotopski sastav. Prema tome, Ar prikazani u tabeli su razlomci.

A rWed= ω at.(1) ∙ Ar (1) + … + ω at.(n ) ∙ Ar ( n )

Na primjer:

A rWed(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

10. Problem za rješavanje:

br. 1. Odrediti relativnu atomsku masu bora ako je poznato da je molarni udio izotopa 10 B 19,6%, a izotopa 11 B 80,4%.

11. Mase atoma i molekula su vrlo male. Trenutno je u fizici i hemiji usvojen jedinstveni mjerni sistem.

1 amu =m(a.u.m.) = 1/12 m(12 C) = 1,66057 ∙ 10 -27 kg = 1,66057 ∙ 10 -24 g.

Apsolutne mase nekih atoma:

m( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g

m( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g

m( O) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– pokazuje koliko je puta dati atom teži od 1/12 atoma 12 C. Gospodin∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Broj atoma i molekula u običnim uzorcima supstanci je veoma velik, pa se pri karakterizaciji količine supstance koristi jedinica mere -krtica .

· krtica (ν)– jedinica za količinu tvari koja sadrži isti broj čestica (molekula, atoma, jona, elektrona) koliko ima atoma u 12 g izotopa 12 C

· Masa 1 atoma 12 C jednak je 12 amu, dakle broj atoma u 12 g izotopa 12 C jednako:

N / A= 12 g / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 g = 6,0221 ∙ 10 23

· Fizička količina N / A pozvao Avogadrova konstanta (Avogadrov broj) i ima dimenziju [N A] = mol -1.

14. Osnovne formule:

M = Gospodin = ρ ∙ V m(ρ – gustina; V m – zapremina na nultom nivou)

Problemi koje treba riješiti samostalno

br. 1. Izračunajte broj atoma dušika u 100 g amonijevog karbonata koji sadrži 10% nečistoća bez dušika.

br. 2. U normalnim uslovima, 12 litara gasne mešavine koja se sastoji od amonijaka i ugljen-dioksida ima masu 18 g. Koliko litara svakog gasa sadrži smeša?

br. 3. Kada je izložen višku hlorovodonične kiseline, 8,24 g mješavine mangan oksida (IV) sa nepoznatim oksidom MO 2, koji ne reaguje sa hlorovodoničnom kiselinom, dobijeno je 1.344 litara gasa u ambijentalnim uslovima. U drugom eksperimentu je ustanovljeno da je molarni omjer mangan oksida (IV) prema nepoznatom oksidu je 3:1. Odredite formulu nepoznatog oksida i izračunajte njegov maseni udio u smjesi.

· Poluraspad · Maseni broj · Nuklearna lančana reakcija

Terminologija

Istorija otkrića izotopa

Prvi dokaz da supstance koje imaju isto hemijsko ponašanje mogu imati različita fizička svojstva dobijen je proučavanjem radioaktivnih transformacija atoma teških elemenata. U 1906-07, pokazalo se da proizvod radioaktivnog raspada uranijuma - jonijuma i proizvod radioaktivnog raspada torija - radiotorijum, imaju ista hemijska svojstva kao torij, ali se od njega razlikuju po atomskoj masi i karakteristikama radioaktivnog raspada. Kasnije je otkriveno da sva tri proizvoda imaju identičan optički i rendgenski spektar. Takve supstance, identične po hemijskim svojstvima, ali različite po masi atoma i nekim fizičkim svojstvima, na predlog engleskog naučnika F. Soddija, počele su da se nazivaju izotopi.

Izotopi u prirodi

Vjeruje se da je izotopski sastav elemenata na Zemlji isti u svim materijalima. Neki fizički procesi u prirodi dovode do narušavanja izotopskog sastava elemenata (prirodnih frakcionisanje izotopi karakteristični za lake elemente, kao i izotopski pomaci tokom raspada prirodnih dugoživućih izotopa). Postupno nakupljanje jezgara u mineralima - produktima raspada nekih dugovječnih nuklida - koristi se u nuklearnoj geohronologiji.

Ljudska upotreba izotopa

U tehnološkim aktivnostima ljudi su naučili da mijenjaju izotopski sastav elemenata kako bi dobili bilo koja specifična svojstva materijala. Na primjer, 235 U je sposoban za lančanu reakciju fisije pomoću toplinskih neutrona i može se koristiti kao gorivo za nuklearne reaktore ili nuklearno oružje. Međutim, prirodni uranijum sadrži samo 0,72% ovog nuklida, dok je lančana reakcija praktično izvodljiva samo sa sadržajem 235U od najmanje 3%. Zbog sličnosti fizičkih i hemijskih svojstava izotopa teških elemenata, postupak obogaćivanja uranijuma izotopima je izuzetno složen tehnološki zadatak, koji je dostupan samo u desetak zemalja u svijetu. Izotopske oznake se koriste u mnogim granama nauke i tehnologije (na primjer, u radioimunotesti).

vidi takođe

• Izotopska geohemija

Nestabilno (manje od jednog dana): 8 C: Ugljik-8, 9 C: Ugljik-9, 10 C: Ugljik-10, 11 C: Ugljik-11

Stabilan: 12 C: Carbon-12, 13 C: Carbon-13

10-10.000 godina: 14 C: Ugljik-14

Nestabilan (manje od jednog dana): 15 C: Ugljik-15, 16 C: Ugljik-16, 17 C: Ugljik-17, 18 C: Ugljik-18, 19 C: Ugljik-19, 20 C: Ugljik-20, 21 C: Ugljik-21, 22 C: Ugljik-22

Proučavajući fenomen radioaktivnosti, naučnici u prvoj deceniji 20. veka. otkrili veliki broj radioaktivnih supstanci - oko 40. Bilo ih je znatno više nego što je bilo slobodnih mjesta u periodnom sistemu elemenata između bizmuta i uranijuma. Priroda ovih supstanci je kontroverzna. Neki istraživači su ih smatrali nezavisnim hemijskim elementima, ali se u ovom slučaju pokazalo da je pitanje njihovog smještaja u periodnom sistemu nerešivo. Drugi su im generalno uskraćivali pravo da se nazivaju elementima u klasičnom smislu. Godine 1902. engleski fizičar D. Martin nazvao je takve supstance radioelementima. Kako su proučavani, postalo je jasno da neki radioelementi imaju potpuno ista hemijska svojstva, ali se razlikuju po atomskim masama. Ova okolnost je bila u suprotnosti sa osnovnim odredbama periodičnog zakona. Engleski naučnik F. Sodi je razrešio kontradikciju. On je 1913. godine hemijski slične radioelemente nazvao izotopima (od grčkih reči koje znače „isto” i „mesto”), odnosno zauzimaju isto mesto u periodnom sistemu. Pokazalo se da su radioelementi izotopi prirodnih radioaktivnih elemenata. Svi su spojeni u tri radioaktivne porodice, čiji su preci izotopi torija i uranijuma.

Izotopi kiseonika. Izobare kalija i argona (izobare su atomi različitih elemenata s istim masenim brojem).

Broj stabilnih izotopa za parne i neparne elemente.

Ubrzo je postalo jasno da i drugi stabilni hemijski elementi imaju izotope. Glavne zasluge za njihovo otkriće pripadaju engleskom fizičaru F. Astonu. Otkrio je stabilne izotope mnogih elemenata.

Sa moderne točke gledišta, izotopi su vrste atoma kemijskog elementa: imaju različite atomske mase, ali isti nuklearni naboj.

Njihova jezgra stoga sadrže isti broj protona, ali različit broj neutrona. Na primjer, prirodni izotopi kisika sa Z = 8 sadrže 8, 9 i 10 neutrona u svojim jezgrama. Zbir broja protona i neutrona u jezgru izotopa naziva se maseni broj A. Prema tome, maseni brojevi navedenih izotopa kiseonika su 16, 17 i 18. Danas je prihvaćena sljedeća oznaka za izotope: vrijednost Z je data ispod lijevo od simbola elementa, vrijednost A je data gore lijevo. Na primjer: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Od otkrića fenomena umjetne radioaktivnosti, proizvedeno je približno 1800 umjetnih radioaktivnih izotopa pomoću nuklearnih reakcija za elemente sa Z od 1 do 110. Velika većina umjetnih radioizotopa ima vrlo kratko vrijeme poluraspada, mjereno u sekundama i dijelovima sekunde ; samo nekoliko njih ima relativno dug životni vijek (na primjer, 10 Be - 2,7 10 6 godina, 26 Al - 8 10 5 godina, itd.).

Stabilni elementi su u prirodi predstavljeni sa oko 280 izotopa. Međutim, pokazalo se da su neki od njih slabo radioaktivni, s ogromnim poluraspadom (na primjer, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Životni vijek ovih izotopa je toliko dug da se mogu smatrati stabilnim.

Još uvijek postoje mnogi izazovi u svijetu stabilnih izotopa. Stoga je nejasno zašto njihov broj toliko varira među različitim elementima. U priroda samo jedna vrsta atoma. To su takozvani pojedinačni elementi. Zanimljivo je da svi oni (osim Be) imaju neparne vrijednosti Z. Generalno, za neparne elemente broj stabilnih izotopa ne prelazi dva. Nasuprot tome, neki parni Z elementi se sastoje od velikog broja izotopa (na primjer, Xe ima 9, Sn ima 10 stabilnih izotopa).

Skup stabilnih izotopa datog elementa naziva se galaksija. Njihov sadržaj u galaksiji često jako varira. Zanimljivo je napomenuti da je najveći sadržaj izotopa sa masenim brojevima koji su višekratni od četiri (12 C, 16 O, 20 Ca, itd.), iako postoje izuzeci od ovog pravila.

Otkriće stabilnih izotopa omogućilo je da se riješi dugogodišnja misterija atomskih masa – njihovo odstupanje od cijelih brojeva, objašnjeno različitim procentima stabilnih izotopa elemenata u galaksiji.

U nuklearnoj fizici poznat je koncept "izobara". Izobare su izotopi različitih elemenata (tj. sa različitim Z vrijednostima) koji imaju iste masene brojeve. Proučavanje izobara doprinijelo je uspostavljanju mnogih važnih obrazaca u ponašanju i svojstvima atomskih jezgara. Jedan od ovih obrazaca izražen je pravilom koje su formulirali sovjetski hemičar S. A. Shchukarev i njemački fizičar I. Mattauch. Kaže: ako se dvije izobare razlikuju u Z vrijednostima za 1, onda će jedna od njih sigurno biti radioaktivna. Klasičan primjer para izobara je 40 18 Ar - 40 19 K. U njemu je izotop kalija radioaktivan. Shchukarev-Mattauchovo pravilo je omogućilo da se objasni zašto nema stabilnih izotopa u elementima tehnecijum (Z = 43) i prometijum (Z = 61). Budući da imaju neparne Z vrijednosti, za njih se ne može očekivati ​​više od dva stabilna izotopa. Ali pokazalo se da su izobare tehnecija i prometija, odnosno izotopi molibdena (Z = 42) i rutenija (Z = 44), neodima (Z = 60) i samarija (Z = 62), predstavljeni u prirodi stabilnim varijeteti atoma u širokom rasponu masenih brojeva. Dakle, zakoni fizike zabranjuju postojanje stabilnih izotopa tehnecijuma i prometija. Zbog toga ti elementi zapravo ne postoje u prirodi i morali su se sintetizirati umjetno.

Naučnici već dugo pokušavaju razviti periodični sistem izotopa. Naravno, zasniva se na drugačijim principima od osnove periodnog sistema elemenata. Ali ti pokušaji još nisu doveli do zadovoljavajućih rezultata. Istina, fizičari su dokazali da je redoslijed punjenja protonskih i neutronskih ljuski u atomskim jezgrama, u principu, sličan konstrukciji elektronskih ljuski i podljuska u atomima (vidi Atom).

Elektronske ljuske izotopa datog elementa konstruirane su na potpuno isti način. Stoga su njihova kemijska i fizička svojstva gotovo identična. Samo izotopi vodonika (procijum i deuterijum) i njihova jedinjenja pokazuju primetne razlike u svojstvima. Na primjer, teška voda (D 2 O) smrzava se na +3,8, ključa na 101,4 ° C, ima gustoću od 1,1059 g/cm 3 i ne podržava život životinja i biljnih organizama. Prilikom elektrolize vode u vodonik i kiseonik, razlažu se pretežno molekuli H 2 0, dok molekuli teške vode ostaju u elektrolizeru.

Odvajanje izotopa drugih elemenata je izuzetno težak zadatak. Međutim, u mnogim slučajevima, potrebni su izotopi pojedinačnih elemenata sa značajno izmijenjenim obiljem u odnosu na prirodno obilje. Na primjer, pri rješavanju problema atomske energije postalo je potrebno razdvojiti izotope 235 U i 238 U. U tu svrhu prvo je korištena metoda masene spektrometrije, uz pomoć koje su dobijeni prvi kilogrami uranijuma-235. u SAD 1944. Međutim, ova metoda se pokazala preskupom i zamijenjena je metodom difuzije plina, koja je koristila UF 6. Sada postoji nekoliko metoda za odvajanje izotopa, ali su sve prilično složene i skupe. Pa ipak, problem “podjele nerazdvojivog” se uspješno rješava.

Pojavila se nova naučna disciplina - hemija izotopa. Proučava ponašanje različitih izotopa hemijskih elemenata u hemijskim reakcijama i procesima razmene izotopa. Kao rezultat ovih procesa, izotopi datog elementa se redistribuiraju između supstanci koje reaguju. Evo najjednostavnijeg primjera: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (molekul vode mijenja atom protijuma za atom deuterija). Razvija se i geohemija izotopa. Ona proučava varijacije u izotopskom sastavu različitih elemenata u zemljinoj kori.

Najviše se koriste takozvani označeni atomi - umjetni radioaktivni izotopi stabilnih elemenata ili stabilni izotopi. Uz pomoć izotopskih indikatora - označenih atoma - proučavaju puteve kretanja elemenata u neživoj i živoj prirodi, prirodu distribucije tvari i elemenata u raznim objektima. Izotopi se koriste u nuklearnoj tehnologiji: kao materijali za izgradnju nuklearnih reaktora; kao nuklearno gorivo (izotopi torija, uranijuma, plutonijuma); u termonuklearnoj fuziji (deuterijum, 6 Li, 3 He). Radioaktivni izotopi se također široko koriste kao izvori zračenja.