Львів
C
» » Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Ще стародавні філософи висловлювали припущення, що матерія будується з атомів. Однак про те, що самі «цеглинки» всесвіту складаються з найдрібніших частинок, вчені почали здогадуватися лише на стику XIX і XX століть. Досліди, які доводять це, виробили в науці свого часу справжню революцію. Саме кількісне співвідношення складових частин відрізняє один хімічний елемент від іншого. Кожному з них відведено своє місце в Періодичній системі Менделєєва згідно з порядковим номером. Але існують різновиди атомів, що займають у таблиці одні і ті ж клітини, незважаючи на відмінність у масі та властивості. Чому це так і про те, що таке ізотопи в хімії, буде розказано далі.


Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Атом і його частинки

Досліджуючи структуру матерії за допомогою бомбардування альфа-частинками, Е. Резерфорд довів у 1910 році, що основний простір атома заповнений порожнечою. І тільки в центрі знаходиться ядро. Навколо нього по орбиталям рухаються негативні електрони, складаючи оболонку цієї системи. Так була створена планетарна модель «цеглинок» матерії. Що таке ізотопи? Пригадайте з курсу хімії, що ядро теж має складну будову. Воно складається з позитивних протонів і не мають заряду нейтронів. Кількість перших визначає якісні характеристики хімічного елемента. Саме число протонів відрізняє речовини один від одного, наділяючи їх певним зарядом ядра. І за цією ознакою їм присвоюється порядковий номер в таблиці Менделєєва. Але кількість нейтронів у одного і того ж хімічного елемента диференціює їх на ізотопи. Визначення в хімії даному поняттю тому можна дати наступне. Це різновиди атомів, що відрізняються за складом ядра, що володіють однаковим зарядом і порядкових номерів, але мають різні масові числа, зважаючи на різницю у кількості нейтронів.


Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Позначення

Вивчаючи хімію в 9 класі та ізотопи, школярі дізнаються про прийнятих умовних позначеннях. Літерою Z відзначається заряд ядра. Це цифра збігається з кількістю протонів і тому є показником їх. Сума цих елементів з нейтронами, отмечаемыми значком N, складає А – масове число. Сімейство ізотопів одного речовини, як правило, позначається значком хімічного елемента, яких у таблиці Менделєєва наділяється порядковим номером, що збігається з числом протонів в ньому. Верхній лівий індекс, що додається до зазначеного значку відповідає масовому числу. Приміром, 238 U. Заряд елемента (в даному випадку урану, зазначеного порядковим номером 92) позначається схожим індексом знизу. Знаючи ці дані, легко можна підрахувати кількість нейтронів у даного ізотопу. Воно одно масовому числу за винятком порядкового номера: 238 – 92 = 146. Кількість нейтронів могло б бути менше, від цього даний хімічний елемент не перестав би залишатися ураном. Слід зауважити, що найчастіше в інших, більш простих речовин число протонів і нейтронів приблизно збігається. Такі відомості допомагають зрозуміти, що таке ізотоп в хімії.
Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Нуклони

Індивідуальністю певний елемент наділяє саме число протонів, а кількість нейтронів на неї жодним чином не впливає. Але атомна маса складається з цих двох зазначених елементів, які мають загальну назву «нуклони», являючи собою їх суму. Однак цей показник не залежить від числа електронів, формують негативно заряджену оболонку атома. Чому? Варто лише порівняти.
Частка маси протона в атомі велика і складає приблизно 1 а. е. м. або 1672621898(21)·10 -27 кг. Нейтрон близький до показників цієї частки (1674927471(21)·10 -27 кг). А ось маса електрона в тисячі разів менше, вважається нікчемним і не враховується. Ось чому, знаючи верхній індекс елемента в хімії, склад ядра ізотопів впізнати нескладно.

Ізотопи водню

Ізотопи деяких елементів настільки відомі і поширені в природі, що одержали власні найменування. Яскравим і найбільш простим прикладом тому може служити водень. У природних умовах він міститься в своїй найпоширенішій різновиди протію. Цей елемент має масове число 1 а ядро його складається з одного протона. Так що таке ізотопи водню хімії? Як відомо, атоми цієї речовини мають перший номер у таблиці Менделєєва і відповідно наділені в природі зарядовим числом 1. Але кількість нейтронів в ядрі атома у них по-різному. Дейтерій, будучи важким воднем, крім протона має в складі ядра ще одну частинку, тобто нейтрон. В результаті це речовина проявляє власні фізичні властивості, на відміну від протію, володіючи власною вагою, температурою плавлення і кипіння.
Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Тритій

Найскладніше влаштований тритій. Це надважкий водень. Згідно з визначенням ізотопів в хімії, він має зарядове число 1 а масове число 3. Його часто називають тритоном, тому що крім одного протона, він має в складі два ядра нейтрона, тобто складається з трьох елементів. Найменування елемента, відкритого в 1934 році Резерфордом, Олифантом і Хартеком, було запропоновано ще до його виявлення. Це нестійка речовина, яке виявляє радіоактивні властивості. Ядро його має здатність розщеплюватися з виділення бета-частинки та електронного антинейтрино. Енергія розпаду даної речовини не дуже велика і складає 1859 кев. Тому така радіація не є для людини занадто небезпечною. Від неї здатна захистити звичайна одяг і хірургічні рукавички. А що отримується з їжею цей радіоактивний елемент швидко виводиться з організму.

Ізотопи урану

Набагато небезпечніше виявляються різні типи урану, яких на сьогоднішній день науці відомо 26. Тому, розповідаючи про те, що таке ізотопи в хімії, неможливо не згадати про цьому елементі. Незважаючи на різноманітність видів урану, в природі його ізотопів зустрічається всього три. До них відносяться 234 U, 235 U, 238 U. Перший з них, володіючи відповідними властивостями, активно застосовується як паливо в ядерних реакторах. А останній - для виробництва плутонію-239 який сам, у свою чергу, незамінний як найцінніший паливо. Кожен з радіоактивних елементів характеризується власним періодом напіврозпаду. Це відрізок часу, протягом якого речовина розщеплюється щодо 1/2 . Тобто в результаті цього процесу кількість збереженої частини речовини зменшується вдвічі. Цей відрізок часу для урану величезний. Наприклад, для ізотопу-234 він обчислюється 270 тисячоліть, а для двох інших зазначених різновидів він набагато значніше. Рекордний період напіврозпаду - урану-238 що триває мільярди років.
Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Нукліди

Не кожен з видів атома, що характеризуються власним і строго певним числом протонів і електронів, настільки стабільний, щоб існувати хоч скільки-небудь тривалий період, достатній для його вивчення. Ті з них, які володіють відносною стійкістю, називаються нуклідами. Стабільні утворення такого роду не піддаються радіоактивному розпаду. Нестабільні називаються радіонуклідами і теж, в свою чергу, поділяються на короткоживучі і довгожителі. Як відомо з уроків хімії 11 класу про будову атомів ізотопів, найбільшим числом радіонуклідів мають осмій і платина. По одному стабільному мають кобальт і золото, а найбільша кількість стійких нуклідів у олова.

Обчислення порядкового номера ізотопу

Тепер постараємося узагальнити відомості, описані раніше. Зрозумівши, що таке ізотопи в хімії, настав час з'ясувати, як можна використовувати отримані знання. Розглянемо це на конкретному прикладі. Припустімо, відомо, що певний хімічний елемент володіє масовим числом 181. При цьому оболонка атома даного речовини містить у собі 73 електрона. Як можна, скориставшись таблицею Менделєєва, дізнатися назву даного елемента, а також число протонів і нейтронів у складі його ядра? Приступимо до вирішення завдання. Визначити найменування речовини можна, знаючи його порядковий номер, який відповідає кількості протонів. Так як число позитивних і негативних зарядів в атомі рівні, то воно становить 73. Значить, це тантал. При тому, що загальна кількість нуклонів в сумі складає 181 а значить, протонів у даного елемента 181 – 73 = 108. Досить просто.

Ізотопи галію

Елемент галій в періодичній системі має порядковий номер 71. У природі, у цієї речовини є два ізотопу - 69 Ga і 71 Ga. Як визначити процентне співвідношення різновидів галію? Рішення задач на ізотопи з хімії майже завжди пов'язане з інформацією, яку можна отримати з таблиці Менделєєва. В цей раз слід поступити аналогічним чином. Визначимо із зазначеного джерела середню атомну масу. Вона дорівнює 6972. Позначивши через x і y кількісне співвідношення першого і другого ізотопу, приймемо суму їх рівної 1. А значить, у вигляді це рівняння запишеться: x + y = 1. Звідси випливає, що 69x + 71y = 6972. Висловивши y через x і підставивши перше рівняння на друге, отримуємо, що x = 064 а y = 036. Це означає, що 69 Ga міститься в природі 64 %, а відсоткове співвідношення 71 Ga становить 34 %.

Перетворення ізотопів

Радіоактивне розщеплення ізотопів з трансформацією їх у інші елементи поділяється на три основні типи. Першим з них є альфа-розпад. Він відбувається з випусканням частинки, яка являє собою ядро атому гелію. Тобто це утворення, що складаються з сукупності пар нейтронів і протонів. Оскільки кількість останніх визначає зарядове число і номер атома речовини в періодичній системі, то в результаті цього процесу відбувається якісне перетворення одного елемента в інший, а в таблиці він зсувається вліво на дві клітини. При цьому масове число елемента зменшується на 4 одиниці. Це ми знаємо з розділів хімії про будову атомів ізотопів. При втраті ядром атома бета-частинки, по суті представляє собою електрон, змінюється його склад. Один з нейтронів трансформується в протон. Це означає, що якісні характеристики речовини знову змінюються, а елемент зсувається в таблиці на одну клітинку вправо, практично не втрачаючи при цьому в масі. Зазвичай подібне перетворення пов'язане з електромагнітним гамма-випромінюванням.
Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова

Перетворення ізотопи радію

Вищевикладені відомості і знання з хімії 11 класу про изотопах знову допомагають вирішувати практичні завдання. Наприклад, наступні: 226 Ra при розпаді перетворюється в хімічний елемент IV групи, що володіє масовим числом 206. Скільки альфа - і бета-частинок при цьому він повинен втратити? Враховуючи зміни в масі і групу дочірнього елемента, скориставшись таблицею Менделєєва, легко визначити, що утворився при розщепленні ізотопом буде свинець із зарядом 82 і масовим числом 206. А враховуючи зарядове число цього елемента і вихідного радію, слід припустити, що ядро його втратила п'ять альфа-частинок і чотири бета-частинки.

Використання радіоактивних ізотопів

Всім прекрасно відомо, якої шкоди живим організмам може завдати радіоактивне випромінювання. Однак властивості радіоактивних ізотопів бувають корисні для людини. Вони з успіхом застосовуються в багатьох галузях промисловості. З їх допомогою можливо виявити витік в інженерних та будівельних спорудах, підземних трубопроводах і нафтопроводах, накопичувальних баках, теплообмінниках на електростанціях.
Що таке ізотопи в хімії? Визначення, будова
Зазначені властивості активно використовуються в наукових експериментах. Наприклад, муха цеце є переносником багатьох серйозних захворювань для людини, худоби і домашніх тварин. В цілях запобігання подібного самців цих комах стерилізують за допомогою слабкого радіоактивного випромінювання. Ізотопи також бувають незамінні при вивченні механізмів деяких хімічних реакцій, адже атомами даних елементів можна мітити воду та інші речовини. При біологічних дослідженнях часто також використовуються мічені ізотопи. Наприклад, саме таким чином було встановлено, як фосфор впливає на ґрунт, ріст і розвиток культурних рослин. З успіхом властивості ізотопів застосовуються в медицині, що дозволило лікувати ракові пухлини та інші важкі захворювання, визначати вік біологічних організмів.