Изучая явление радиоактивности, ученые в первое десятилетие XX в. открыли большое количество радиоактивных веществ - около 40. Их было значительно больше, чем свободных мест в периодической системе элементов в промежутке между висмутом и ураном. Природа этих веществ вызывала споры. Одни исследователи считали их самостоятельными химическими элементами, но в таком случае оказывался неразрешимым вопрос об их размещении в таблице Менделеева. Другие вообще отказывали им в праве называться элементами в классическом понимании. В 1902 г. английский физик Д. Мартин назвал такие вещества радиоэлементами. По мере их изучения выяснилось, что некоторые радиоэлементы имеют совершенно одинаковые химические свойства, но различаются по величинам атомных масс. Это обстоятельство противоречило основным положениям периодического закона. Разрешил противоречие английский ученый Ф. Содди. В 1913 г. он назвал химически сходные радиоэлементы изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковый» и «место»), т. е. занимающими одно и то же место в периодической системе. Радиоэлементы оказались изотопами естественных радиоактивных элементов. Все они объединяются в три радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана.

Изотопы кислорода. Изобары калия и аргона (изобары - атомы различных элементов с одинаковым массовым числом).

Число стабильных изотопов для четных и нечетных элементов.

Вскоре выяснилось, что и у остальных стабильных химических элементов тоже есть изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф. Астону. Он обнаружил стабильные изотопы у многих элементов.

С современной точки зрения изотопы - это разновидности атомов химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра.

Их ядра, таким образом, содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Например, природные изотопы кислорода с Z = 8 содержат в ядрах соответственно 8, 9 и 10 нейтронов. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре изотопа называется массовым числом A. Следовательно, массовые числа указанных изотопов кислорода 16, 17 и 18. Ныне принято такое обозначение изотопов: слева внизу от символа элемента дается величина Z, слева вверху - величина A. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

После открытия явления искусственной радиоактивности с помощью ядерных реакций было получено около 1800 искусственных радиоактивных изотопов для элементов с Z от 1 до 110. У подавляющего большинства искусственных радиоизотопов очень малые периоды полураспада, измеряемые секундами и долями секунд; лишь немногие имеют сравнительно большую продолжительность жизни (например, 10 Ве - 2,7 10 6 лет, 26 Al - 8 10 5 лет и т. д.).

Стабильные элементы представлены в природе примерно 280 изотопами. Однако некоторые из них оказались в слабой степени радиоактивными, с огромными периодами полураспада (например, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продолжительность жизни этих изотопов столь велика, что позволяет рассматривать их как стабильные.

В мире стабильных изотопов еще немало проблем. Так, неясно, почему их количество у разных элементов столь сильно различается. Около 25% стабильных элементов (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлены в природе лишь одним видом атомов. Это так называемые элементы-одиночки. Интересно, что все они (кроме Be) имеют нечетные значения Z. И вообще для нечетных элементов число стабильных изотопов не превышает двух. Напротив, некоторые элементы с четными Z состоят из большого числа изотопов (например, Xe имеет 9, Sn - 10 стабильных изотопов).

Совокупность стабильных изотопов у данного элемента называют плеядой. Содержание их в плеяде нередко сильно колеблется. Интересно отметить, что больше всего содержание изотопов с величинами массовых чисел, кратными четырем (12 C, 16 O, 20 Ca и т. д.), хотя есть и исключения из этого правила.

Отрытие стабильных изотопов позволило разгадать многолетнюю загадку атомных масс - их отклонение от целых чисел, объясняющееся различным процентным содержанием стабильных изотопов элементов в плеяде.

В ядерной физике известно понятие «изобары». Изобарами называют изотопы различных элементов (т. е. с разными значениями Z), имеющие одинаковые массовые числа. Изучение изобаров способствовало установлению многих важных закономерностей поведения и свойств атомных ядер. Одну из таких закономерностей выражает правило, сформулированное советским химиком С. А. Щукаревым и иемецким физиком И. Маттаухом. Оно гласит: если лва изобара различаются по значениям Z на 1, то один из них обязательно будет радиоактивным. Классический пример пары изобаров - 40 18 Ar - 40 19 K. В ней изотоп калия радиоактивен. Правило Щукарева - Маттауха позволило объяснить, почему отсутствуют стабильные изотопы у элементов технеция (Z = 43) и прометия (Z = 61). Поскольку они имеют нечетные значения Z, то нельзя было для них ожидать более двух стабильных изотопов. Но оказалось, что изобары технеция и прометия, соответственно изотопы молибдена (Z = 42) и рутения (Z = 44), неодима (Z = 60) и самария (Z = 62), представлены в природе стабильными разновидностями атомов в большом диапазоне массовых чисел. Тем самым физические закономерности накладывают запрет на существование стабильных изотопов технеция и прометия. Вот почему эти элементы фактически не существуют в природе и их пришлось синтезировать искусственно.

Ученые уже давно пытаются разработать периодическую систему изотопов. Конечно, в её основе лежат другие принципы, нежели в основе периодической системы элементов. Но эти попытки пока не привели к удовлетворительным результатам. Правда, физики доказали, что последовательность заполнения протонных и нейтронных оболочек в атомных ядрах в принципе подобна построению электронных оболочек и подоболочек в атомах (см. Атом).

Электронные оболочки у изотопов данного элемента построены совершенно одинаково. Поэтому практически тождественны их химические и физические свойства. Только изотопы водорода (протий и дейтерий) и их соединения обнаруживают заметные различия в свойствах. Например, тяжелая вода (D 2 O) замерзает при +3,8, кипит при 101,4 °C, имеет плотность 1,1059 г/см 3 , не поддерживает жизни животных и растительных организмов. При электролизе воды на водород и кислород разлагаются преимущественно молекулы H 2 0, тогда как молекулы тяжелой воды остаются в электролизере.

Разделение изотопов других элементов - задача чрезвычайно сложная. Тем не менее во многих случаях необходимы изотопы отдельных элементов со значительно измененным по сравнению с природным содержанием. Например, при решении проблемы атомной энергии возникла необходимость разделения изотопов 235 U и 238 U. Для этой цели сначала был применен метод масс-спектрометрии, с помощью которого в 1944 г. в США были получены первые килограммы урана‑235. Однако этот метод оказался слишком дорогим и был заменен методом газовой диффузии, в котором использовался UF 6 . Сейчас существует несколько методов разделения изотопов, однако все они достаточно сложны и дороги. И всё‑таки проблема «разделения неразделимого» успешно решается.

Появилась новая научная дисциплина - химия изотопов. Она изучает поведение различных изотопов химических элементов в химических реакциях и процессы изотопного обмена. В результате этих процессов происходит перераспределение изотопов данного элемента между реагирующими веществами. Вот простейший пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула воды обменивает атом протия на атом дейтерия). Развивается и геохимия изотопов. Она исследует колебания изотопного состава разных элементов в земной коре.

Широчайшее применение находят так называемые меченые атомы - искусственные радиоактивные изотопы стабильных элементов или стабильные изотопы. С помощью изотопных индикаторов - меченых атомов - изучают пути перемещения элементов в неживой и живой природе, характер распределения веществ и элементов в различных объектах. Изотопы применяются в ядерной технике: как материалы конструкций ядерных реакторов; в качестве ядерного горючего (изотопы тория, урана, плутония); в термоядерном синтезе (дейтерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивные изотопы также широко используются в качестве источников излучений.

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество.

Что такое и почему существуют изотопы

В периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Исходя из вышеперечисленного таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы» (от греческого isos – одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

По принятой нейтронно-протонной модели ядра объяснить существование изотопов удалось следующим образом: ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно, они содержат разное количество нейтронов.

Стабильные и нестабильные изотопы

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путем. Нестабильные изотопы радиоактивны , их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд.

Сколько изотопов может содержать ядро

Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно, количество изотопов ограниченно. У четных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечетно , могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связано со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.

Ещё древние философы высказывали предположение, что материя строится из атомов. Однако о том, что сами «кирпичики» мироздания состоят из мельчайших частиц, учёные начали догадываться лишь на стыке XIX и XX веков. Опыты, доказывающие это, произвели в науке в своё время настоящую революцию. Именно количественное соотношение составных частей отличает один химический элемент от другого. Каждому из них отведено своё место в согласно порядковому номеру. Но существуют разновидности атомов, занимающие в таблице одни и те же клетки, несмотря на различие в массе и свойствах. Почему это так и о том, что такое изотопы в химии, будет рассказано далее.

Атом и его частицы

Исследуя структуру материи посредством бомбардировки альфа-частицами, Э. Резерфорд доказал в 1910 году, что основное пространство атома заполнено пустотой. И только в центре находится ядро. Вокруг него по орбиталям двигаются отрицательные электроны, составляя оболочку этой системы. Так была создана планетарная модель «кирпичиков» материи.

Что такое изотопы? Вспомните из курса химии, что ядро тоже имеет сложное строение. Оно состоит из положительных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Количество первых определяет качественные характеристики химического элемента. Именно число протонов отличает вещества друг от друга, наделяя их ядра определённым зарядом. И по этому признаку им присваивается порядковый номер в таблице Менделеева. Но количество нейтронов у одного и того же химического элемента дифференцирует их на изотопы. Определение в химии данному понятию поэтому можно дать следующее. Это разновидности атомов, отличающиеся по составу ядра, обладающие одинаковым зарядом и порядковым номеров, но имеющие разные массовые числа, ввиду различий в количестве нейтронов.

Обозначения

Изучая химию в 9 классе и изотопы, школьники узнают о принятых условных обозначениях. Буквой Z отмечается заряд ядра. Это цифра совпадает с количеством протонов и поэтому является их показателем. Сумма этих элементов с нейтронами, отмечаемыми значком N, составляет А - массовое число. Семейство изотопов одного вещества, как правило, обозначается значком того химического элемента, которых в таблице Менделеева наделяется порядковым номером, совпадающим с числом протонов в нём. Левый верхний индекс, добавляемый к указанному значку соответствует массовому числу. К примеру, 238 U. Заряд элемента (в данном случае урана, отмеченного порядковым номером 92) обозначается похожим индексом снизу.

Зная эти данные, легко можно подсчитать количество нейтронов у данного изотопа. Оно равно массовому числу за вычетом порядкового номера: 238 - 92 = 146. Количество нейтронов могло бы быть меньше, от этого данный химический элемент не перестал бы оставаться ураном. Следует заметить, что чаще всего у других, более простых, веществ число протонов и нейтронов приблизительно совпадает. Подобные сведения помогают понять, что такое изотоп в химии.

Нуклоны

Индивидуальностью определённый элемент наделяет именно число протонов, а количество нейтронов на неё никаким образом не влияет. Но атомная масса составляется из этих двух указанных элементов, имеющих общее наименование «нуклоны», представляя собой их сумму. Однако этот показатель не зависит от формирующих отрицательно заряженную оболочку атома. Почему? Стоит только сравнить.

Доля массы протона в атоме велика и составляет приблизительно 1 а. е. м. или 1,672 621 898(21)·10 -27 кг. Нейтрон близок к показателям этой частицы (1,674 927 471(21)·10 -27 кг). А вот масса электрона в тысячи раз меньше, считается ничтожной и не учитывается. Вот почему, зная верхний индекс элемента в химии, состав ядра изотопов узнать несложно.

Изотопы водорода

Изотопы некоторых элементов настолько известны и распространены в природе, что получили собственные наименования. Ярким и наиболее простым примером тому может служить водород. В естественных условиях он содержится в своей самой распространённой разновидности протия. Этот элемент имеет массовое число 1, а ядро его состоит из одного протона.

Так что такое изотопы водорода в химии? Как известно, атомы этого вещества имеют первый номер в таблице Менделеева и соответственно наделены в природе зарядовым числом 1. Но количество нейтронов в ядре атома у них различно. Дейтерий, являясь тяжёлым водородом, помимо протона имеет в составе ядра ещё одну частицу, то есть нейтрон. В результате это вещество проявляет собственные физические свойства, в отличие от протия, обладая собственным весом, температурой плавления и кипения.

Тритий

Сложнее всех устроен тритий. Это сверхтяжёлый водород. В соответствии с определением изотопов в химии, он имеет зарядовое число 1, но массовое число 3. Его часто называют тритоном, потому что помимо одного протона, он имеет в составе ядра два нейтрона, то есть состоит из трёх элементов. Наименование этого элемента, открытого в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком, было предложено ещё до его выявления.

Это неустойчивое вещество, проявляющее радиоактивные свойства. Ядро его обладает способностью расщепляться с выделение бета-частицы и электронного антинейтрино. Энергия распада данного вещества не очень велика и составляет 18,59 кэВ. Поэтому подобная радиация не является для человека слишком опасной. От неё способна защитить обыкновенная одежда и хирургические перчатки. А получаемый с пищей этот радиоактивный элемент быстро выводится из организма.

Изотопы урана

Гораздо опаснее оказываются различные типы урана, которых на сегодняшний день науке известно 26. Поэтому, рассказывая о том, что такое изотопы в химии, невозможно не упомянуть об этом элементе. Несмотря на разнообразие видов урана, в природе его изотопов встречается всего три. К ним относятся 234 U, 235 U, 238 U. Первый из них, обладая подходящими свойствами, активно применяется как топливо в ядерных реакторах. А последний - для производства плутония-239, который сам, в свою очередь, незаменим как ценнейшее топливо.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется собственным Это отрезок времени, в течение которого вещество расщепляется в отношении ½. То есть в результате этого процесса количество сохранившейся части вещества вдвое уменьшается. Этот отрезок времени для урана огромен. К примеру, для изотопа-234 он исчисляется в 270 тысячелетий, а для двух других указанных разновидностей он гораздо значительнее. Рекордный период полураспада - у урана-238, продолжающийся миллиарды лет.

Нуклиды

Не каждый из видов атома, характеризующихся собственным и строго определённым числом протонов и электронов, настолько стабилен, чтобы существовать хоть сколько-нибудь продолжительный период, достаточный для его изучения. Те из них, которые обладают относительной устойчивостью, называются нуклидами. Стабильные образования такого рода радиоактивному распаду не подвергаются. Нестабильные называются радионуклидами и тоже, в свою очередь, делятся на короткоживущие и долгожители. Как известно из уроков химии 11 класса о строении атомов изотопов, наибольшим числом радионуклидов обладают осмий и платина. По одному стабильному имеют кобальт и золото, а наибольшее количество устойчивых нуклидов у олова.

Вычисление порядкового номера изотопа

Теперь постараемся обобщить сведения, описанные ранее. Поняв, что такое изотопы в химии, пришло время выяснить, как можно использовать полученные знания. Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, известно, что некоторый химический элемент обладает массовым числом 181. При этом оболочка атома данного вещества содержит в себе 73 электрона. Как можно, воспользовавшись таблицей Менделеева, узнать название данного элемента, а также число протонов и нейтронов в составе его ядра?

Приступим к решению задачи. Определить наименование вещества можно, зная его порядковый номер, который соответствует количеству протонов. Так как число положительных и отрицательных зарядов в атоме равны, то оно составляет 73. Значит, это тантал. При том, общее количество нуклонов в сумме составляет 181, а значит, протонов у данного элемента 181 - 73 = 108. Достаточно просто.

Изотопы галлия

Элемент галлий в имеет порядковый номер 71. В природе у этого вещества есть два изотопа - 69 Ga и 71 Ga. Как определить процентное соотношение разновидностей галлия?

Решение задач на изотопы по химии почти всегда связано с информаций, которую можно получить из таблицы Менделеева. В этот раз следует поступить аналогичным образом. Определим из указанного источника среднюю атомную массу. Она равна 69,72. Обозначив за x и y количественное соотношение первого и второго изотопа, примем сумму их равной 1. А значит, в виде уравнения это запишется: x + y = 1. Отсюда следует, что 69x + 71y = 69,72. Выразив y через x и подставив первое уравнение во второе, получаем, что x = 0,64, а y = 0,36. Это значит, что 69 Ga содержится в природе 64 %, а процентное соотношение 71 Ga составляет 34 %.

Превращения изотопов

Радиоактивное расщепление изотопов с трансформацией их в другие элементы разделяется на три основных типа. Первым из них является альфа-распад. Он происходит с испусканием частицы, представляющей собой ядро атома гелия. То есть это образование, состоящие из совокупности пар нейтронов и протонов. Поскольку количество последних определяет зарядовое число и номер атома вещества в периодической системе, то в результате этого процесса происходит качественное превращение одного элемента в другой, а в таблице он сдвигается влево на две клетки. При этом массовое число элемента уменьшается на 4 единицы. Это мы знаем из о строении атомов изотопов.

При потере ядром атома бета-частицы, по сути представляющей собой электрон, меняется его состав. Один из нейтронов трансформируется в протон. Это значит, что качественные характеристики вещества вновь меняются, а элемент сдвигается в таблице на одну клетку вправо, практически не теряя при этом в массе. Обычно подобное превращение сопряжено с электромагнитным гамма-излучением.

Превращение изотопа радия

Вышеизложенные сведения и знания из химии 11 класса об изотопах снова помогают решать практические задачи. К примеру, следующие: 226 Ra при распаде превращается в химический элемент IV группы, обладающий массовым числом 206. Сколько альфа- и бета-частиц при этом он должен потерять?

Учитывая изменения в массе и группу дочернего элемента, воспользовавшись таблицей Менделеева, легко определить, что образовавшимся при расщеплении изотопом будет свинец с зарядом 82 и массовым числом 206. А учитывая зарядовое число этого элемента и исходного радия, следует предположить, что ядро его потеряло пять альфа-частиц и четыре бета-частицы.

Использование радиоактивных изотопов

Всем прекрасно известно, какой вред живым организмам может нанести радиоактивное излучение. Однако свойства радиоактивных изотопов бывают для человека полезны. Они с успехом применяются во многих отраслях промышленности. С их помощью возможно обнаружить утечку в инженерных и строительных сооружениях, подземных трубопроводах и нефтепроводах, накопительных баках, теплообменниках на электростанциях.

Указанные свойства активно используются также в научных экспериментах. К примеру, муха цеце является переносчиком многих серьёзных заболеваний для человека, скота и домашних животных. В целях предотвращения подобного самцов этих насекомых стерилизуют посредством слабого радиоактивного излучения. Изотопы также бывают незаменимы при изучении механизмов некоторых химических реакций, ведь атомами данных элементов можно метить воду и другие вещества.

При биологических исследованиях часто также используются меченые изотопы. К примеру, именно таким образом было установлено, как фосфор влияет на почву, рост и развитие культурных растений. С успехом свойства изотопов применяются и в медицине, что позволило лечить раковые опухоли и другие тяжёлые заболевания, определять возраст биологических организмов.

Повторите основные положения темы «Основные понятия химии» и решите предложенные задачи. Используйте №№6-17.

Основные положения

1. Вещество (простое и сложное) – это любая совокупность атомов и молекул, находящаяся в определённом агрегатном состоянии.

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называется химическими реакциями .

2. Структурные единицы вещества :

· Атом – наименьшая элекронейтральная частица химического элемента и простого вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и далее физически и химически неделимая.

· Молекула – наименьшая электронейтральная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, физически неделимая, но делимая химически.

3. Химический элемент – это вид атомов с определённым зарядом ядра.

4. Состав атома :

Частица	Как определить?	Заряд		Масса
		Кл	условные единицы		а.е.м.
Электрон	По порядковому Номеру (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Протон	По порядковому номеру (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Нейтрон	Ar – N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Состав атомного ядра :

· В состав ядра входят элементарные частицы (нуклоны ) –

протоны (1 1 p ) и нейтроны (1 0 n ).

· Т.к. практически вся масса атома сосредоточена в ядре и m p ≈ m n ≈ 1 а.е.м , то округлённое значение A r химического элемента равно общему числу нуклонов в ядре.

7. Изотопы – разновидность атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся друг от друга только своей массой.

· Обозначение изотопов: слева от символа элемента указывают массовое число (вверху) и порядковый номер элемента (внизу)

· Почему у изотопов разная масса?

Задание: Определите атомный состав изотопов хлора: 35 17 Cl и 37 17 Cl ?

· Изотопы имеют разную массу из-за различного числа нейтронов в их ядрах.

8. В природе химические элементы существуют в виде смесей изотопов.

Изотопный состав одного и того же химического элемента выражают в атомных долях (ω ат.) , которые указывают какую часть составляет число атомов данного изотопа от общего числа атомов всех изотопов данного элемента, принятого за единицу или 100%.

Например:

ω ат (35 17 Cl ) = 0,754

ω ат (37 17 Cl ) = 0,246

9. В таблице Менделеева приведены средние значения относительных атомных масс химических элементов с учётом их изотопного состава. Поэтому A r , указанные в таблице являются дробными.

A r ср = ω ат.(1) ∙ Ar (1) + … + ω ат.( n ) ∙ Ar ( n )

Например:

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

10. Задача для решения:

№1. Определите относительную атомную массу бора, если известно, что молярная доля изотопа 10 В составляет – 19,6 %, а изотопа 11 В – 80,4 %.

11. Массы атомов и молекул очень малы. В настоящее время в физике и химии принята единая система измерения.

1 а.е.м. = m (а.е.м.) = 1/12 m (12 C ) = 1,66057 ∙ 10 -27 кг = 1,66057 ∙ 10 -24 г .

Абсолютные массы некоторых атомов:

m ( C ) =1,99268 ∙ 10 -23 г

m ( H ) =1,67375 ∙ 10 -24 г

m ( O ) =2,656812 ∙ 10 -23 г

A r – показывает, во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 части атома 12 С. M r ∙ 1,66 ∙ 10 -27 кг

13. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют единицу измерения – моль .

· Моль (ν) – единица количества вещества, которое содержит столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов содержится в 12 г изотопа 12 C

· Масса 1 атома 12 C равна 12 а.е.м., поэтому число атомов в 12 г изотопа 12 C равно:

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

· Физическая величина N A называется постоянной Авогадро (число Авогадро) и имеет размерность[ N A ] = моль -1 .

14. Основные формулы:

M = M r = ρ ∙ V m (ρ – плотность; V m – объём при н.у.)

Задачи для самостоятельного решения

№1. Вычислите число атомов азота в 100г карбоната аммония, содержащего 10% неазотистых примесей.

№2. При нормальных условиях 12 л газовой смеси, состоящей из аммиака и углекислого газа, имеют массу 18 г. Сколько литров каждого из газов содержит смесь?

№3. При действии избытка соляной кислоты на 8,24 г смеси оксида марганца (IV ) с неизвестным оксидом МО 2 , который не реагирует с соляной кислотой, получено 1,344 л газа при н.у. Входе другого опыта установлено, что мольное отношение оксида марганца (IV ) к неизвестному оксиду равно 3:1. Установите формулу неизвестного оксида и вычислите его массовую долю в смеси.

Изотопы - разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа.

Термин изотоп формируется из греческих корней isos (ἴσος «equal») и topos (τόπος «место»), что означает «то же место»; Таким образом, смысл имени заключается в том, что разные изотопы одного элемента занимают одинаковое положение в периодической таблице.

Три естественных изотопа водорода. Тот факт, что каждый изотоп имеет один протон, имеет варианты водорода: тождество изотопа определяется числом нейтронов. Слева направо изотопы представляют собой протий (1H) с нулевыми нейтронами, дейтерий (2H) с одним нейтроном и тритий (3H) с двумя нейтронами.

Число протонов в ядре атома называется атомным числом и равно числу электронов в нейтральном (неионизированном) атоме. Каждое атомное число идентифицирует конкретный элемент, но не изотоп; Атом данного элемента может иметь широкий диапазон по числу нейтронов. Число нуклонов (как протонов, так и нейтронов) в ядре — это массовое число атома, и каждый изотоп данного элемента имеет разное массовое число.

Например, углерод-12, углерод-13 и углерод-14 представляют собой три изотопа элементарного углерода с массовыми числами 12, 13 и 14 соответственно. Атомный номер углерода равен 6, что означает, что каждый атом углерода имеет 6 протонов, так что нейтронные числа этих изотопов составляют 6, 7 и 8 соответственно.

Н уклиды и изотопы

Нуклид относится к ядру, а не к атому. Идентичные ядра принадлежат одному нуклиду, например, каждое ядро ​​нуклида углерод-13 состоит из 6 протонов и 7 нейтронов. Концепция нуклидов (относящаяся к отдельным ядерным видам) подчеркивает ядерные свойства по сравнению с химическими свойствами, тогда как изотопная концепция (группирующая все атомы каждого элемента) подчеркивает химическую реакцию над ядерной. Нейтронное число оказывает большое влияние на свойства ядер, но его влияние на химические свойства пренебрежимо мало для большинства элементов. Даже в случае самых легких элементов, где отношение количества нейтронов к атомному номеру изменяется в наибольшей степени между изотопами, оно обычно имеет лишь незначительный эффект, хотя это имеет значение в некоторых случаях (для водорода, самого легкого элемента, изотопный эффект является большим Чтобы сильно повлиять на биологию). Поскольку изотоп — это более древний термин, он лучше известен, чем нуклид, и до сих пор иногда используется в контекстах, где нуклид может быть более подходящим, например, ядерные технологии и ядерная медицина.

Обозначения

Изотоп или нуклид определяется по имени конкретного элемента (это указывает номер атома), за которым следует дефис и массовое число (например, гелий-3, гелий-4, углерод-12, углерод-14, уран-235 и Уран-239). Когда используется химический символ, например. «C» для углерода, стандартная нотация (теперь известная как «AZE-нотация», потому что A — это массовое число, Z — атомный номер и E для элемента) — указать массовое число (число нуклонов) с верхним индексом в верхней Слева от химического символа и указать атомный номер с нижним индексом в левом нижнем углу). Поскольку атомный номер задается символом элемента, обычно указывается только массовое число в верхнем индексе и не указывается индекс атома. Букву m иногда присоединяют после массового числа, чтобы указать ядерный изомер, метастабильное или энергетически-возбужденное ядерное состояние (в отличие от основного состояния с наименьшей энергией), например, 180м 73Ta (тантал-180м).

Радиоактивные, первичные и стабильные изотопы

Некоторые изотопы являются радиоактивными и поэтому называются радиоизотопами или радионуклидами, тогда как другие никогда не наблюдались для радиоактивного распада и называются стабильными изотопами или стабильными нуклидами. Например, 14 С представляет собой радиоактивную форму углерода, тогда как 12 С и 13 С являются стабильными изотопами. На Земле существует около 339 естественных нуклидов, из которых 286 являются первичными нуклидами, что означает, что они существуют с момента образования Солнечной системы.

Первоначальные нуклиды включают 32 нуклида с очень большим периодом полураспада (более 100 миллионов лет) и 254, которые формально считаются «стабильными нуклидами», поскольку они не наблюдались для распада. В большинстве случаев, по очевидным причинам, если элемент имеет стабильные изотопы то эти изотопы преобладают в элементарной распространенности, обнаруженной на Земле и в Солнечной системе. Однако в случае трех элементов (теллур, индий и рений) наиболее распространенным изотопом, обнаруженным в природе, является фактически один (или два) чрезвычайно долгоживущий радиоизотоп(ы) элемента, несмотря на то, что эти элементы имеют один или более устойчивых изотопов.

Теория предсказывает, что многие, по-видимому, «стабильные» изотопы / нуклиды являются радиоактивными, с чрезвычайно длинными периодами полураспада (не учитывая возможность распада протонов, что сделает все нуклиды в конечном итоге неустойчивыми). Из 254 нуклидов, которые никогда не наблюдались, только 90 из них (все из первых 40 элементов) теоретически устойчивы ко всем известным формам распада. Элемент 41 (ниобий) теоретически нестабилен спонтанным делением, но это никогда не было обнаружено. Многие другие устойчивые нуклиды в теории энергетически восприимчивы к другим известным формам распада, таким как альфа-распад или двойной бета-распад, но продукты распада еще не наблюдались, и поэтому считается, что эти изотопы являются «стабильными по наблюдениям». Прогнозируемые периоды полураспада для этих нуклидов часто значительно превышают расчетный возраст Вселенной, и на самом деле существует также 27 известных радионуклидов с периодами полураспада, превышающими возраст Вселенной.

Радиоактивные нуклиды, созданные искусственно, в настоящее время их известно 3 339 нуклидов. К ним относятся 905 нуклидов, которые либо стабильны, либо имеют периоды полувыведения более 60 минут.

Свойства изотопов

Химические и молекулярные свойства

Нейтральный атом имеет такое же число электронов, как и протоны. Таким образом, разные изотопы данного элемента имеют одинаковое число электронов и имеют сходную электронную структуру. Поскольку химическое поведение атома в значительной степени определяется его электронной структурой, различные изотопы демонстрируют почти идентичное химическое поведение.

Исключением из этого является кинетический изотопный эффект: из-за их больших масс более тяжелые изотопы имеют тенденцию реагировать несколько медленнее, чем более легкие изотопы того же элемента. Это наиболее ярко выражено для протия (1 H), дейтерия (2 H) и трития (3 H), так как дейтерий имеет в два раза больше массы протия, а тритий имеет в три раза больше массы протия. Эти различия в массе также влияют на поведение их соответствующих химических связей, изменяя центр тяжести (уменьшенную массу) атомных систем. Однако для более тяжелых элементов относительная разность масс между изотопами намного меньше, так что эффекты разности масс в химии обычно незначительны. (Тяжелые элементы также имеют относительно больше нейтронов, чем более легкие элементы, поэтому отношение массы ядра к совокупной электронной массе несколько больше).

Аналогично, две молекулы, которые отличаются только изотопами их атомов (изотопологи), имеют одинаковую электронную структуру и следовательно почти неразличимые физические и химические свойства (опять же с первичными исключениями являются дейтерий и тритий). Колебательные моды молекулы определяются ее формой и массами составляющих ее атомов; Поэтому разные изотопологи имеют разные наборы вибрационных мод. Поскольку колебательные моды позволяют молекуле поглощать фотоны соответствующих энергий, изотопологи имеют различные оптические свойства в инфракрасном диапазоне.

Ядерные свойства и стабильность

Изотопные периоды полураспада. График для стабильных изотопов отклоняется от линии Z = N при увеличении номера элемента Z

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных друг с другом остаточной сильной силой. Поскольку протоны заряжены положительно, они отталкивают друг друга. Нейтроны, которые электрически нейтральны, стабилизируют ядро ​​двумя способами. Их соприкосновение немного отодвигает протоны, уменьшая электростатическое отталкивание между протонами, и они оказывают привлекательную ядерную силу друг на друга и на протоны. По этой причине один или несколько нейтронов необходимы для того, чтобы два или более протона связывались с ядром. По мере увеличения числа протонов увеличивается и отношение нейтронов к протонам, необходимое для обеспечения стабильного ядра (см. график справа). Например, хотя отношение нейтрон: протон 3 2 He составляет 1:2, отношение нейтрон: протон 238 92 U
Больше 3:2. Ряд более легких элементов имеет устойчивые нуклиды с отношением 1:1 (Z = N). Нуклид 40 20 Ca (кальций-40) является наблюдательным самым тяжелым стабильным нуклидом с таким же числом нейтронов и протонов; (Теоретически, самый тяжелый стабильный — это сера-32). Все стабильные нуклиды, более тяжелые, чем кальций-40, содержат больше нейтронов, чем протоны.

Число изотопов на один элемент

Из 81 элемента со стабильными изотопами, наибольшее число стабильных изотопов наблюдаемыми для любого элемента составляет десять (для элемента олова). Ни один элемент не имеет девять стабильных изотопов. Ксенон — единственный элемент с восемью стабильными изотопами. Четыре элемента имеют семь стабильных изотопов, восемь из которых имеют шесть стабильных изотопов, десять имеют пять стабильных изотопов, девять имеют четыре стабильных изотопа, пять имеют три стабильных изотопа, 16 имеют два стабильных изотопа, а 26 элементов имеют только один (Из них 19 являются так называемыми мононуклидными элементами, имеющими единственный примордиальный стабильный изотоп, который доминирует и фиксирует атомный вес естественного элемента с высокой точностью, 3 также присутствуют радиоактивные мононуклидные элементы). В общей сложности имеется 254 нуклидов, которые не наблюдались для распада. Для 80 элементов, которые имеют один или более стабильных изотопов, среднее число стабильных изотопов составляет 254/80 = 3,2 изотопов на элемент.

Четные и нечетные числа нуклонов

Протоны: отношение нейтронов не является единственным фактором, влияющим на ядерную стабильность. Это зависит также от четности или нечетности его атомного номера Z, числа нейтронов N, следовательно их суммы массового числа A. Нечетные как Z так и N имеет тенденцию к снижению ядерной энергии связи, создавая нечетные ядра, как правило менее стабильные. Это значимое различие ядерной энергии связи между соседними ядрами, особенно нечетные изобары, имеют важные последствия: неустойчивые изотопы с неоптимальным числом нейтронов или протонов распадаются на бета-распад (включая позитронный распад), захват электронов или другие экзотические средства, такое как спонтанное деление и распад кластеров.

Большинство устойчивых нуклидов являются четным числом протоннов и четным числом нейтронов, где все числа Z, N и A четные. Нечетные стабильные нуклиды делятся (примерно равномерно) на нечетные.

Атомный номер

148 четных протонных, четных нейтронов (ЭЭ) нуклидов составляют ~ 58% всех стабильных нуклидов. Имеются также 22 первичных долгоживущих четных нуклида. В результате каждый из 41 четных элементов от 2 до 82 имеет по крайней мере один стабильный изотоп, и большинство из этих элементов имеют несколько первичных изотопов. Половина этих четных элементов имеет шесть или более стабильных изотопов. Крайняя стабильность гелия-4 из-за двойного соединения двух протонов и двух нейтронов предотвращает существование любых нуклидов, содержащих пять или восемь нуклонов, достаточно долго, чтобы служить платформами для накопления более тяжелых элементов посредством ядерного синтеза.

Эти 53 стабильных нуклида имеют четное число протонов и нечетное число нейтронов. Они являются меньшинством по сравнению с четными изотопами, которые примерно в 3 раза многочисленны. Среди 41 четно-Z элементов, которые имеют стабильный нуклид, только два элемента (аргон и церий) не имеют четных нечетных устойчивых нуклидов. Один элемент (олово) имеет три. Имеется 24 элемента, которые имеют один четно-нечетный нуклид и 13, которые имеют два нечетно-четных нуклида.

Из-за их нечетных нейтронных чисел, четно-нечетные нуклиды имеют тенденцию иметь большие сечения захвата нейтронов из-за энергии, которая возникает из-за эффектов соединения нейтронов. Эти стабильные нуклиды могут быть необычными по обилию в природе, в основном потому что для образования и вступления в первобытное обилие они должны избежать захвата нейтронов, чтобы образовать еще другие стабильные четно-нечетные изотопы в течение, как s — процесс и r — процесс захвата нейтронов при нуклеосинтезе.

Нечетный атомный номер

48 стабильных нечетно-протонных и четно-нейтронных нуклидов, стабилизированных их четным числом спаренных нейтронов, образуют большинство стабильных изотопов нечетных элементов; Очень немногие нечетные-протон-нечетные нейтронные нуклиды составляют другие. Есть 41 нечетных элементов с Z = 1 по 81, из которых 39 имеют стабильные изотопы (у элементов технеция (43 Tc) и прометия (61 Pm) нет стабильных изотопов). Из этих 39 нечетных Z элементов 30 элементов (включая водород-1, где 0 нейтронов четный) имеют один стабильный четно-нечетный изотоп, а девять элементов: хлор (17 Cl), калий (19K), медь (29 Cu), галлий (31 Ga), Бром (35 Br), серебро (47 Ag), сурьма (51 Sb), иридий (77 Ir) и таллий (81 Tl) имеют по два нечетно-четных стабильных изотопа. Таким образом получается 30 + 2 (9) = 48 стабильных четно-четных изотопов.

Только пять устойчивых нуклидов содержат как нечетное число протонов, так и нечетное число нейтронов. Первые четыре «нечетно-нечетных» нуклида происходят в низкомолекулярных нуклидах, для которых изменение протона на нейтрон или наоборот приведет к очень однобокому соотношению протон-нейтрон.

Единственной полностью «стабильной», нечетно-нечетным нуклидом является 180m 73 Ta, который считается самым редким из 254 стабильных изотопов и является единственным изначальным ядерным изомером, который еще не наблюдался до распада, несмотря на экспериментальные попытки.

Нечетное число нейтронов

Актиниды с нечетным числом нейтронов, как правило, делятся (с тепловыми нейтронами), в то время как с четным нейтронным числом, как правило, нет, хотя они делятся на быстрые нейтроны. Все наблюдательно устойчивые нечетно-нечетные нуклиды имеют ненулевой целочисленный спин. Это объясняется тем, что одиночный неспаренный нейтронный и неспаренный протон имеют большее притяжение ядерной силы друг к другу, если их спины выровнены (производя полный спин по крайней мере на 1 единицу), а не выровнены.

Возникновение в природе

Элементы состоят из одного или более естественных изотопов. Нестабильные (радиоактивные) изотопы являются либо первичными, либо постпримерными. Изначальные изотопы были продуктом звездного нуклеосинтеза или другого типа нуклеосинтеза, такого как расщепление космических лучей, и сохранялись вплоть до настоящего времени, потому что их скорость распада настолько низкая (например, уран-238 и калий-40). Постприродные изотопы были созданы путем бомбардировки космическими лучами как космогенные нуклиды (например, тритий, углерод-14) или распад радиоактивного первичного изотопа на дочь радиоактивного радиогенного нуклида (например, от урана до радия). Несколько изотопов естественным образом синтезируются как нуклеогенные нуклиды, другими естественными ядерными реакциями, например, когда нейтроны от естественного деления ядер поглощаются другим атомом.

Как обсуждалось выше, только 80 элементов имеют стабильные изотопы, а 26 из них имеют только один стабильный изотоп. Таким образом, около двух третей стабильных элементов происходят естественным образом на Земле в нескольких стабильных изотопах, причем наибольшее число стабильных изотопов для элемента составляет десять, для олова (50Sn). На Земле существует около 94 элементов (до плутония включительно), хотя некоторые обнаружены только в очень малых количествах, таких как плутоний-244. Ученые считают, что элементы, которые происходят естественным образом на Земле (некоторые только как радиоизотопы), встречаются в виде 339 изотопов (нуклидов) в целом. Только 254 из этих естественных изотопов устойчивы в том смысле, что на сегодняшний день их не наблюдали. Еще 35 первичных нуклидов (в сумме 289 первичных нуклидов) являются радиоактивными с известными периодами полураспада, но имеют периоды полураспада более 80 миллионов лет, что позволяет им существовать с начала Солнечной системы.

Все известные стабильные изотопы естественным образом происходят на Земле; Другие природные изотопы являются радиоактивными, но из-за их относительно длительного периода полураспада или же из-за других способов непрерывного естественного производства. К ним относятся упомянутые выше космогенные нуклиды, нуклеогенные нуклиды и любые радиогенные изотопы, образующиеся в результате продолжающегося распада первичного радиоактивного изотопа, такого как радон и радий из урана.

В ядерных реакторах и ускорителях частиц созданы еще ~ 3000 радиоактивных изотопов, не обнаруженных в природе. Многие короткоживущие изотопы, не найденные естественным путем на Земле, также наблюдались спектроскопическим анализом, естественно создаваемым в звездах или сверхновых. Примером может служить алюминий-26, который, естественно, не встречается на Земле, но встречается в изобилии в астрономических масштабах.

Табулированные атомные массы элементов представляют собой средние величины, которые объясняют наличие множественных изотопов с различными массами. До открытия изотопов эмпирически определенные неинтегрированные значения атомной массы путали ученых. Например, образец хлора содержит 75,8% хлора-35 и 24,2% хлора-37, что дает среднюю атомную массу 35,5 атомных единиц массы.

Согласно общепринятой теории космологии, только изотопы водорода и гелия, следы некоторых изотопов лития и бериллия и возможно, некоторые боры, были созданы при Большом взрыве, а все остальные изотопы были синтезированы позже, в звездах и сверхновых звездах, а также в Взаимодействия между энергичными частицами, такими как космические лучи, и ранее полученными изотопами. Соответствующее изотопное содержание изотопов на Земле обусловлено величинами, образованными этими процессами, их распространением через галактику и скоростью распада изотопов, которые являются неустойчивыми. После первоначального слияния Солнечной системы изотопы были перераспределены в соответствии с массой и изотопный состав элементов слегка меняется от планеты к планете. Это иногда позволяет проследить происхождение метеоритов.

Атомная масса изотопов

Атомная масса (mr) изотопа определяется главным образом его массовым числом (т. е. Числом нуклонов в его ядре). Небольшие поправки обусловлены энергией связи ядра, небольшим различием в массе между протоном и нейтроном и массой электронов, связанных с атомом.

Массовое число — безразмерная величина. Атомная масса, с другой стороны, измеряется с использованием единицы атомной массы, основанной на массе атома углерода-12. Он обозначается символами «u» (для унифицированной атомной единицы массы) или «Da» (для дальтона).

Атомные массы естественных изотопов элемента определяют атомную массу элемента. Когда элемент содержит N изотопов, нижеприведенное выражение применяется для средней атомной массы:

Где m 1 , m 2 , …, mN — атомные массы каждого отдельного изотопа, а x 1 , …, xN — относительное обилие этих изотопов.

Применение изотопов

Существует несколько приминений, которые используют свойства различных изотопов данного элемента. Разделение изотопов является важной технологической проблемой, особенно с тяжелыми элементами, такими как уран или плутоний. Более легкие элементы, такие как литий, углерод, азот и кислород, обычно разделяются газовой диффузией их соединений, таких как СО и NO. Разделение водорода и дейтерия необычно, поскольку оно основано на химических, а не физических свойствах, например, в сульфидном процессе Гирдлера. Изотопы урана были разделены по объему путем диффузии газов, газового центрифугирования, лазерного ионизационного разделения и (в Манхэттенском проекте) по типу масс-спектрометрии производства.

Использование химических и биологических свойств

• Изотопный анализ — это определение изотопной сигнатуры, относительной распространенности изотопов данного элемента в конкретном образце. Для биогенных веществ, в частности, могут иметь место существенные изменения изотопов С, N и О. Анализ таких вариаций имеет широкий спектр применений, таких как обнаружение фальсификации в пищевых продуктах или географическое происхождение продуктов с использованием изоскапий. Идентификация некоторых метеоритов, возникших на Марсе, основана частично на изотопной сигнатуре содержащихся в них следовых газов.
• Изотопическое замещение может быть использовано для определения механизма химической реакции посредством кинетического изотопного эффекта.
• Другим распространенным применением является изотопная маркировка, использование необычных изотопов в качестве индикаторов или маркеров в химических реакциях. Обычно атомы данного элемента неотличимы друг от друга. Однако, используя изотопы разных масс, даже различные нерадиоактивные стабильные изотопы можно отличить с помощью масс-спектрометрии или инфракрасной спектроскопии. Например, при «стабильном маркировании изотопов аминокислотами в культуре клеток» (SILAC), стабильные изотопы используются для количественного определения белков. Если используются радиоактивные изотопы, они могут быть обнаружены излучаемым ими излучением (это называется радиоизотопным маркированием).
• Изотопы обычно используются для определения концентрации различных элементов или веществ с использованием метода изотопного разбавления, при котором известные количества изотопически замещенных соединений смешиваются с образцами, и изотопные характеристики полученных смесей определяются с помощью масс-спектрометрии.

Использование ядерных свойств

• Методом, подобным радиоизотопному меток, является радиометрическое датирование: с использованием известного периода полураспада неустойчивого элемента можно вычислить время, прошедшее с момента существования известной концентрации изотопа. Наиболее широко известный пример — радиоуглеродная датировка, используемая для определения возраста углеродистых материалов.
• Некоторые формы спектроскопии основаны на уникальных ядерных свойствах конкретных изотопов, как радиоактивных, так и стабильных. Например, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) может быть использована только для изотопов с отличным от нуля ядерным спином. Наиболее распространенными изотопами, используемыми при ЯМР-спектроскопии, являются 1 H, 2 D, 15 N, 13 C и 31 P.
• Мессбауэровская спектроскопия также опирается на ядерные переходы конкретных изотопов, таких как 57 Fe.