النظائر لها أعداد مختلفة من الأشياء. ما هي النظائر في الكيمياء؟ التعريف والهيكل

لقد ثبت أن كل عنصر كيميائي موجود في الطبيعة هو خليط من النظائر (وبالتالي فإن لها كتل ذرية كسرية). لفهم كيفية اختلاف النظائر عن بعضها البعض، من الضروري النظر بالتفصيل في بنية الذرة. تشكل الذرة نواة وسحابة إلكترونية. وتتأثر كتلة الذرة بالإلكترونات التي تتحرك بسرعات مذهلة عبر المدارات الموجودة في السحابة الإلكترونية، والنيوترونات والبروتونات التي تشكل النواة.

ما هي النظائر

النظائرهو نوع من الذرة لعنصر كيميائي. يوجد دائمًا عدد متساوٍ من الإلكترونات والبروتونات في أي ذرة. وبما أن لديهم شحنات معاكسة (الإلكترونات سالبة والبروتونات موجبة)، فإن الذرة تكون محايدة دائمًا (هذا الجسيم الأولي لا يحمل شحنة، فهو صفر). عند فقدان إلكترون أو أسره، تفقد الذرة حيادها، وتصبح إما أيونًا سالبًا أو أيونًا موجبًا.
النيوترونات ليس لها شحنة، ولكن عددها في النواة الذرية لنفس العنصر يمكن أن يختلف. وهذا لا يؤثر بأي حال من الأحوال على حيادية الذرة، لكنه يؤثر على كتلتها وخصائصها. على سبيل المثال، يحتوي أي نظير لذرة الهيدروجين على إلكترون واحد وبروتون واحد. لكن عدد النيوترونات مختلف. يحتوي البروتيوم على نيوترون واحد فقط، ويحتوي الديوتيريوم على نيوترونين، ويحتوي التريتيوم على 3 نيوترونات. تختلف هذه النظائر الثلاثة بشكل ملحوظ عن بعضها البعض في الخصائص.

مقارنة النظائر

كيف تختلف النظائر؟ لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات وكتل مختلفة وخصائص مختلفة. النظائر لها هياكل متطابقة من قذائف الإلكترون. هذا يعني أنهما متشابهان تمامًا في الخواص الكيميائية. لذلك، يتم منحهم مكانًا واحدًا في الجدول الدوري.
تم العثور على نظائر مستقرة ومشعة (غير مستقرة) في الطبيعة. نوى ذرات النظائر المشعة قادرة على التحول تلقائيا إلى نوى أخرى. أثناء عملية التحلل الإشعاعي، تنبعث منها جزيئات مختلفة.
تحتوي معظم العناصر على أكثر من عشرين نظائر مشعة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع النظائر المشعة بشكل مصطنع لجميع العناصر على الإطلاق. في خليط طبيعي من النظائر، يختلف محتواها قليلاً.
إن وجود النظائر جعل من الممكن فهم السبب الذي يجعل العناصر ذات الكتلة الذرية الأقل تحتوي في بعض الحالات على عدد ذري ​​أعلى من العناصر ذات الكتلة الذرية الأعلى. على سبيل المثال، في زوج الأرجون والبوتاسيوم، يتضمن الأرجون نظائر ثقيلة، ويحتوي البوتاسيوم على نظائر خفيفة. ولذلك فإن كتلة الأرجون أكبر من كتلة البوتاسيوم.

حدد ImGist أن الاختلافات بين النظائر هي كما يلي:

لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات.
النظائر لها كتل ذرية مختلفة.
تؤثر قيمة كتلة ذرات الأيونات على إجمالي طاقتها وخصائصها.

دراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي لدى العلماء في العقد الأول من القرن العشرين. اكتشف عددًا كبيرًا من المواد المشعة - حوالي 40. وكان عددها أكبر بكثير من الأماكن الحرة في الجدول الدوري للعناصر بين البزموت واليورانيوم. وكانت طبيعة هذه المواد مثيرة للجدل. اعتبرها بعض الباحثين عناصر كيميائية مستقلة، ولكن في هذه الحالة تبين أن مسألة وضعها في الجدول الدوري غير قابلة للذوبان. وحرمهم آخرون بشكل عام من حقهم في أن يطلق عليهم اسم العناصر بالمعنى الكلاسيكي. في عام 1902، أطلق الفيزيائي الإنجليزي د. مارتن على هذه المواد اسم العناصر المشعة. وأثناء دراستها، أصبح من الواضح أن بعض العناصر المشعة لها نفس الخواص الكيميائية تمامًا، ولكنها تختلف في الكتل الذرية. وهذا الظرف يتعارض مع الأحكام الأساسية للقانون الدوري. قام العالم الإنجليزي ف. سودي بحل التناقض. في عام 1913، أطلق على العناصر المشعة المتشابهة كيميائيًا اسم النظائر المشعة (من الكلمات اليونانية التي تعني "نفس" و"مكان")، أي أنها تحتل نفس المكان في الجدول الدوري. وتبين أن العناصر المشعة هي نظائر العناصر المشعة الطبيعية. تم دمجهم جميعًا في ثلاث عائلات مشعة، أسلافها هم نظائر الثوريوم واليورانيوم.

نظائر الأكسجين. إيزوبار البوتاسيوم والأرجون (إيسوبار هي ذرات عناصر مختلفة لها نفس العدد الكتلي).

عدد النظائر المستقرة للعناصر الزوجية والفردية.

وسرعان ما أصبح من الواضح أن العناصر الكيميائية المستقرة الأخرى لها نظائر أيضًا. يعود الفضل الرئيسي في اكتشافهم إلى الفيزيائي الإنجليزي ف. أستون. اكتشف النظائر المستقرة للعديد من العناصر.

من وجهة نظر حديثة، النظائر هي أنواع مختلفة من ذرات العنصر الكيميائي: لها كتل ذرية مختلفة، ولكن لها نفس الشحنة النووية.

وبالتالي فإن نواتها تحتوي على نفس العدد من البروتونات، ولكن أعداد مختلفة من النيوترونات. على سبيل المثال، تحتوي نظائر الأكسجين الطبيعية ذات Z = 8 على 8 و9 و10 نيوترونات في نواتها، على التوالي. يسمى مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات في نواة النظير بالرقم الكتلي A. وبالتالي، فإن الأعداد الكتلية لنظائر الأكسجين المشار إليها هي 16 و17 و18. وفي الوقت الحاضر، يتم قبول التسمية التالية للنظائر: يتم إعطاء القيمة Z أدناه على يسار رمز العنصر، ويتم إعطاء القيمة A إلى أعلى اليسار، على سبيل المثال: 16 8 O، 17 8 O، 18 8 O.

منذ اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي الاصطناعي، تم إنتاج ما يقرب من 1800 نظائر مشعة صناعية باستخدام التفاعلات النووية للعناصر ذات Z من 1 إلى 110. والغالبية العظمى من النظائر المشعة الاصطناعية لها نصف عمر قصير جدًا، ويقاس بالثواني وكسور الثواني. ; القليل منها فقط لديه متوسط ​​عمر متوقع طويل نسبيًا (على سبيل المثال، 10 Be - 2.7 10 6 سنوات، 26 Al - 8 10 5 سنوات، وما إلى ذلك).

يتم تمثيل العناصر المستقرة في الطبيعة بحوالي 280 نظيرًا. ومع ذلك، تبين أن بعضها مشع بشكل ضعيف، مع فترات نصف عمر ضخمة (على سبيل المثال، 40 K، 87 Rb، 138 La، l47 Sm، 176 Lu، 187 Re). إن عمر هذه النظائر طويل جدًا بحيث يمكن اعتبارها مستقرة.

لا تزال هناك تحديات كثيرة في عالم النظائر المستقرة. وبالتالي، فمن غير الواضح لماذا يختلف عددها بشكل كبير بين العناصر المختلفة. حوالي 25% من العناصر المستقرة (Be، F، Na، Al، P، Sc، Mn، Co، As، Y، Nb، Rh، I، Cs، Pt، Tb، Ho، Tu، Ta، Au) موجودة في الطبيعة نوع واحد فقط من الذرة. هذه هي ما يسمى العناصر الفردية. ومن المثير للاهتمام أن جميعها (باستثناء Be) لها قيم فردية Z. بشكل عام، بالنسبة للعناصر الفردية، لا يتجاوز عدد النظائر المستقرة اثنين. في المقابل، تتكون بعض العناصر الزوجية Z من عدد كبير من النظائر (على سبيل المثال، Xe لديه 9، Sn لديه 10 نظائر مستقرة).

تسمى مجموعة النظائر المستقرة لعنصر معين بالمجرة. غالبًا ما يتقلب محتواها في المجرة بشكل كبير. ومن المثير للاهتمام ملاحظة أن المحتوى الأعلى هو من النظائر ذات الأعداد الكتلية التي تساوي مضاعفات العدد أربعة (12C، 16O، 20 Ca، وما إلى ذلك)، على الرغم من وجود استثناءات لهذه القاعدة.

إن اكتشاف النظائر المستقرة جعل من الممكن حل اللغز الذي طال أمده بشأن الكتل الذرية - انحرافها عن الأعداد الصحيحة، وهو ما يفسره النسب المئوية المختلفة للنظائر المستقرة للعناصر في المجرة.

في الفيزياء النووية مفهوم "الأيزوبار" معروف. إيزوبار هي نظائر لعناصر مختلفة (أي بقيم Z مختلفة) لها نفس الأعداد الكتلية. ساهمت دراسة الأيزوبار في إنشاء العديد من الأنماط المهمة في سلوك وخصائص النوى الذرية. يتم التعبير عن أحد هذه الأنماط من خلال القاعدة التي صاغها الكيميائي السوفيتي S. A. Shchukarev والفيزيائي الألماني I. Mattauch. تقول: إذا اختلف اثنان من الأيزوبار في قيم Z بمقدار 1، فسيكون أحدهما مشعًا بالتأكيد. المثال الكلاسيكي لزوج من الأيزوبار هو 40 18 Ar - 40 19 K. وفيه يكون نظير البوتاسيوم مشعًا. أتاحت قاعدة ششوكاريف-ماتوش تفسير سبب عدم وجود نظائر مستقرة في عنصري التكنيتيوم (Z = 43) والبروميثيوم (Z = 61). نظرًا لأن لها قيم Z غريبة، فلا يمكن توقع وجود أكثر من نظيرين مستقرين لها. ولكن اتضح أن تساويات التكنيشيوم والبروميثيوم، على التوالي، نظائر الموليبدينوم (Z = 42) والروثينيوم (Z = 44)، والنيوديميوم (Z = 60) والسماريوم (Z = 62)، يتم تمثيلها في الطبيعة بشكل مستقر أنواع الذرات في نطاق واسع من الأعداد الكتلية. وبالتالي، فإن القوانين الفيزيائية تحظر وجود نظائر مستقرة من التكنيشيوم والبروميثيوم. ولهذا السبب لا توجد هذه العناصر فعليًا في الطبيعة ويجب تصنيعها بشكل مصطنع.

لقد حاول العلماء منذ فترة طويلة تطوير نظام دوري للنظائر. وبطبيعة الحال، فهو يعتمد على مبادئ مختلفة عن أساس الجدول الدوري للعناصر. لكن هذه المحاولات لم تؤد بعد إلى نتائج مرضية. صحيح أن الفيزيائيين أثبتوا أن تسلسل ملء أغلفة البروتونات والنيوترونات في النوى الذرية يشبه من حيث المبدأ بناء الأغلفة الإلكترونية والأغلفة الفرعية في الذرات (انظر الذرة).

يتم إنشاء الأغلفة الإلكترونية لنظائر عنصر معين بنفس الطريقة تمامًا. ولذلك، فإن خصائصها الكيميائية والفيزيائية متطابقة تقريبا. فقط نظائر الهيدروجين (البروتيوم والديوتيريوم) ومركباتها تظهر اختلافات ملحوظة في الخصائص. على سبيل المثال، يتجمد الماء الثقيل (D2O) عند +3.8، ويغلي عند 101.4 درجة مئوية، وتبلغ كثافته 1.1059 جم/سم3، ولا يدعم حياة الحيوانات والكائنات النباتية. أثناء التحليل الكهربي للماء إلى هيدروجين وأكسجين، تتحلل جزيئات H2O في الغالب، بينما تبقى جزيئات الماء الثقيل في المحلل الكهربي.

يعد فصل نظائر العناصر الأخرى مهمة صعبة للغاية. ومع ذلك، في كثير من الحالات، تكون هناك حاجة إلى نظائر العناصر الفردية ذات الوفرة المتغيرة بشكل كبير مقارنة بالوفرة الطبيعية. على سبيل المثال، عند حل مشكلة الطاقة الذرية، أصبح من الضروري فصل النظيرين 235 U و 238 U. ولهذا الغرض، تم استخدام طريقة قياس الطيف الكتلي لأول مرة، والتي تم من خلالها الحصول على الكيلوجرامات الأولى من اليورانيوم -235 في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1944. ومع ذلك، ثبت أن هذه الطريقة مكلفة للغاية وتم استبدالها بطريقة نشر الغاز التي تستخدم سادس فلوريد اليورانيوم. توجد الآن عدة طرق لفصل النظائر، لكنها كلها معقدة ومكلفة للغاية. ومع ذلك، فإن مشكلة "تقسيم ما لا ينفصل" يتم حلها بنجاح.

لقد ظهر نظام علمي جديد - كيمياء النظائر. تدرس سلوك نظائر العناصر الكيميائية المختلفة في التفاعلات الكيميائية وعمليات تبادل النظائر. ونتيجة لهذه العمليات، يتم إعادة توزيع نظائر عنصر معين بين المواد المتفاعلة. إليك أبسط مثال: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (يستبدل جزيء الماء ذرة البروتيوم بذرة الديوتيريوم). كما تتطور الكيمياء الجيولوجية للنظائر. وهي تدرس الاختلافات في التركيب النظائري للعناصر المختلفة في القشرة الأرضية.

الأكثر استخدامًا هي ما يسمى بالذرات المسمى - النظائر المشعة الاصطناعية للعناصر المستقرة أو النظائر المستقرة. وبالاستعانة بالمؤشرات النظائرية - الذرات المسمى - يقومون بدراسة مسارات حركة العناصر في الطبيعة الجامدة والحية، وطبيعة توزيع المواد والعناصر في الأجسام المختلفة. تستخدم النظائر في التكنولوجيا النووية: كمواد لبناء المفاعلات النووية؛ كوقود نووي (نظائر الثوريوم واليورانيوم والبلوتونيوم)؛ في الاندماج النووي الحراري (الديوتيريوم، 6 لي، 3 هي). كما تستخدم النظائر المشعة على نطاق واسع كمصادر للإشعاع.

عند دراسة خصائص العناصر المشعة، اكتشف أن نفس العنصر الكيميائي يمكن أن يحتوي على ذرات ذات كتل نووية مختلفة. وفي الوقت نفسه، لديهم نفس الشحنة النووية، أي أنها ليست شوائب من مواد غريبة، ولكن نفس المادة.

ما هي النظائر ولماذا توجد؟

في الجدول الدوري لمندليف، يشغل كل من هذا العنصر وذرات مادة ذات كتل نووية مختلفة خلية واحدة. بناءً على ما سبق، تم تسمية هذه الأصناف من نفس المادة باسم "النظائر" (من الكلمة اليونانية isos - متطابقة وتوبوس - مكان). لذا، النظائر- هذه أنواع من عنصر كيميائي معين تختلف في كتلة النوى الذرية.

حسب المقبول نموذج النيوترون والبروتون للنواةويمكن تفسير وجود النظائر على النحو التالي: تحتوي نوى بعض ذرات المادة على أعداد مختلفة من النيوترونات، ولكن نفس عدد البروتونات. في الواقع، الشحنة النووية لنظائر عنصر واحد هي نفسها، وبالتالي فإن عدد البروتونات في النواة هو نفسه. وتختلف النوى في الكتلة، وبالتالي تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات.

النظائر المستقرة وغير المستقرة

يمكن أن تكون النظائر مستقرة أو غير مستقرة. حتى الآن، هناك حوالي 270 نظيرًا مستقرًا وأكثر من 2000 نظيرًا غير مستقر معروفًا. النظائر المستقرة- هذه أنواع من العناصر الكيميائية التي يمكن أن توجد بشكل مستقل لفترة طويلة.

معظم النظائر غير المستقرةتم الحصول عليها بشكل مصطنع. النظائر غير المستقرة المشعةتخضع نواتها لعملية التحلل الإشعاعي، أي التحول التلقائي إلى نوى أخرى، مصحوبًا بانبعاث جسيمات و/أو إشعاع. تتمتع جميع النظائر الاصطناعية المشعة تقريبًا بنصف عمر قصير جدًا، ويُقاس بالثواني أو حتى بأجزاء من الثواني.

كم عدد النظائر التي يمكن أن تحتوي عليها النواة؟

لا يمكن للنواة أن تحتوي على عدد عشوائي من النيوترونات. وبناء على ذلك، فإن عدد النظائر محدود. عدد متساوي من البروتوناتالعناصر، يمكن أن يصل عدد النظائر المستقرة إلى عشرة. على سبيل المثال، يحتوي القصدير على 10 نظائر، ويحتوي الزينون على 9، ويحتوي الزئبق على 7، وهكذا.

تلك العناصر عدد البروتونات غريب، يمكن أن تحتوي على نظيرين مستقرين فقط. بعض العناصر لها نظير واحد مستقر فقط. وهي مواد مثل الذهب والألومنيوم والفوسفور والصوديوم والمنغنيز وغيرها. ترتبط هذه الاختلافات في عدد النظائر المستقرة للعناصر المختلفة بالاعتماد المعقد لعدد البروتونات والنيوترونات على طاقة الربط للنواة.

توجد جميع المواد الموجودة في الطبيعة تقريبًا على شكل خليط من النظائر. يعتمد عدد النظائر الموجودة في المادة على نوع المادة والكتلة الذرية وعدد النظائر المستقرة لعنصر كيميائي معين.

كرر النقاط الرئيسية لموضوع "المفاهيم الأساسية في الكيمياء" وحل المشكلات المقترحة. استخدم الأرقام 6-17.

الأحكام الأساسية

1. مادة(البسيط والمعقد) هو أي مجموعة من الذرات والجزيئات الموجودة في حالة معينة من التجميع.

تسمى تحولات المواد المصحوبة بتغييرات في تركيبها و (أو) بنيتها التفاعلات الكيميائية .

2. الوحدات الهيكلية مواد:

· ذرة- أصغر جسيم متعادل كهربائيا من عنصر كيميائي أو مادة بسيطة يمتلك جميع خواصه الكيميائية ومن ثم فهو غير قابل للتجزئة فيزيائيا وكيميائيا.

· مركب- أصغر جسيم متعادل كهربائيا من المادة، يمتلك جميع خواصه الكيميائية، وغير قابل للتجزئة فيزيائيا، ولكنه قابل للقسمة كيميائيا.

3. عنصر كيميائي - هذا نوع من الذرة بشحنة نووية معينة.

4. مُجَمَّع ذرة :

5. مُجَمَّع النواة الذرية :

تحتوي النواة على جسيمات أولية ( النيوكليونات) –

البروتونات(1 1 ع ) و النيوترونات(1 0 ن ).

· لأن تتركز كل كتلة الذرة تقريبًا في النواة و م ص ≈ م ن≈ 1 أمو، الذي - التي قيمة مدورةأ صمن عنصر كيميائي يساوي العدد الإجمالي للنيوكليونات في النواة.

7. النظائر- مجموعة متنوعة من ذرات نفس العنصر الكيميائي، تختلف عن بعضها البعض فقط في كتلتها.

· التدوين النظائري: على يسار رمز العنصر يشير إلى العدد الكتلي (أعلى) والعدد الذري للعنصر (أسفل)

· لماذا النظائر لها كتل مختلفة؟

المهمة: تحديد التركيب الذري لنظائر الكلور: 35 17Clو 37 17Cl?

· تختلف كتل النظائر بسبب اختلاف أعداد النيوترونات في نواتها.

8. توجد العناصر الكيميائية في الطبيعة على شكل مخاليط من النظائر.

يتم التعبير عن التركيب النظائري لنفس العنصر الكيميائي بـ الكسور الذرية(ω في.)، والتي تشير إلى الجزء الذي يتكون منه عدد ذرات نظير معين من إجمالي عدد ذرات جميع نظائر عنصر معين، مع اعتباره واحدًا أو 100%.

على سبيل المثال:

ω عند (35 17 الكلورين) = 0.754

ω عند (37 17 الكلورين) = 0.246

9. يوضح الجدول الدوري متوسط ​​قيم الكتل الذرية النسبية للعناصر الكيميائية مع مراعاة تركيبها النظائري. لذلك، Ar المشار إليها في الجدول هي كسرية.

أ صتزوج= ω في 1) ∙ آر (1) + … + ω في.(ن ) ∙ آر ( ن )

على سبيل المثال:

أ صتزوج(Cl) = 0.754 ∙ 35 + 0.246 ∙ 37 = 35.453

10. المشكلة التي يجب حلها:

رقم 1. حدد الكتلة الذرية النسبية للبورون إذا كان من المعروف أن الكسر المولي لنظير 10B هو 19.6%، ونظير 11B هو 80.4%.

11. كتل الذرات والجزيئات صغيرة جدًا. وحاليا تم اعتماد نظام قياس موحد في الفيزياء والكيمياء.

1 أمو =م(a.u.m.) = 1/12 م(12 ج) = 1.66057 ∙ 10 -27 كجم = 1.66057 ∙ 10 -24 جم.

الكتل المطلقة لبعض الذرات:

م( ج) =1.99268 ∙ 10 -23 جم

م( ح) =1.67375 ∙ 10 -24 جم

م( يا) =2.656812 ∙ 10 -23 جم

أ ص- يوضح عدد المرات التي تكون فيها ذرة معينة أثقل من 1/12 من ذرة 12C. السيد∙ 1.66 ∙ 10 -27 كجم

13. عدد الذرات والجزيئات في العينات العادية من المواد كبير جداً، لذلك عند توصيف كمية المادة يتم استخدام وحدة القياس -خلد .

· الخلد (ν)– وحدة كمية المادة التي تحتوي على نفس عدد الجزيئات (الجزيئات والذرات والأيونات والإلكترونات) الموجودة في ذرات 12 جم من النظائر 12 ج

· كتلة ذرة واحدة 12 جيساوي 12 amu، وبالتالي فإن عدد الذرات الموجودة في 12 جم من النظائر 12 جيساوي:

ن أ= 12 جم / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 جم = 6.0221 ∙ 10 23

· الكمية الفيزيائية ن أمُسَمًّى ثابت أفوجادرو (عدد أفوجادرو) وله البعد [N A] = مول -1.

14. الصيغ الأساسية:

م = السيد = ρ ∙ جهاز افتراضي(ρ - الكثافة؛ V م - الحجم عند مستوى الصفر)

مشاكل لحلها بشكل مستقل

رقم 1. احسب عدد ذرات النيتروجين في 100 جم من كربونات الأمونيوم التي تحتوي على 10% شوائب غير نيتروجينية.

رقم 2. في الظروف العادية، كتلة 12 لترًا من خليط الغاز المكون من الأمونيا وثاني أكسيد الكربون 18 جرامًا، ما عدد اللترات التي يحتويها كل غاز في الخليط؟

رقم 3. عند تعريضها لحمض الهيدروكلوريك الزائد، يتم إضافة 8.24 جم من خليط أكسيد المنغنيز (رابعا) مع الأكسيد المجهول MO 2، الذي لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك، تم الحصول على 1.344 لترًا من الغاز في الظروف المحيطة. وفي تجربة أخرى تبين أن النسبة المولية لأكسيد المنغنيز (رابعا) إلى الأكسيد المجهول هو 3:1. حدد صيغة الأكسيد المجهول واحسب نسبة كتلته في الخليط.