Isotoper har forskelligt antal ting. Hvad er isotoper i kemi? Definition, struktur

Det er blevet fastslået, at hvert kemisk grundstof, der findes i naturen, er en blanding af isotoper (derfor har de fraktioneret atommasse). For at forstå, hvordan isotoper adskiller sig fra hinanden, er det nødvendigt at overveje atomets struktur i detaljer. Et atom danner en kerne og en elektronsky. Massen af ​​et atom er påvirket af elektroner, der bevæger sig med forbløffende hastigheder gennem orbitaler i elektronskyen, neutroner og protoner, der udgør kernen.

Hvad er isotoper

Isotoper er en type atom i et kemisk grundstof. Der er altid lige mange elektroner og protoner i ethvert atom. Da de har modsatte ladninger (elektroner er negative, og protoner er positive), er atomet altid neutralt (denne elementære partikel bærer ikke en ladning, den er nul). Når en elektron mistes eller fanges, mister et atom neutralitet og bliver enten en negativ eller en positiv ion.
Neutroner har ingen ladning, men deres antal i atomkernen af ​​det samme grundstof kan variere. Dette påvirker ikke på nogen måde atomets neutralitet, men det påvirker dets masse og egenskaber. For eksempel indeholder enhver isotop af et brintatom en elektron og en proton. Men antallet af neutroner er anderledes. Protium har kun 1 neutron, deuterium har 2 neutroner, og tritium har 3 neutroner. Disse tre isotoper adskiller sig markant fra hinanden i egenskaber.

Sammenligning af isotoper

Hvordan er isotoper forskellige? De har forskelligt antal neutroner, forskellige masser og forskellige egenskaber. Isotoper har identiske strukturer af elektronskaller. Det betyder, at de er ret ens i kemiske egenskaber. Derfor får de én plads i det periodiske system.
Der er fundet stabile og radioaktive (ustabile) isotoper i naturen. Atomkernerne i radioaktive isotoper er i stand til spontant at omdannes til andre kerner. Under processen med radioaktivt henfald udsender de forskellige partikler.
De fleste grundstoffer har over to dusin radioaktive isotoper. Derudover syntetiseres radioaktive isotoper kunstigt for absolut alle grundstoffer. I en naturlig blanding af isotoper varierer deres indhold lidt.
Eksistensen af ​​isotoper gjorde det muligt at forstå, hvorfor grundstoffer med lavere atommasse i nogle tilfælde har et højere atomnummer end grundstoffer med højere atommasse. For eksempel i argon-kalium-parret inkluderer argon tunge isotoper, og kalium indeholder lette isotoper. Derfor er massen af ​​argon større end den af ​​kalium.

ImGist fastslog, at forskellene mellem isotoper er som følger:

De har forskellige antal neutroner.
Isotoper har forskellige atommasser.
Værdien af ​​massen af ​​ionatomer påvirker deres samlede energi og egenskaber.

At studere fænomenet radioaktivitet, videnskabsmænd i det første årti af det 20. århundrede. opdaget en lang række radioaktive stoffer - omkring 40. Dem var der betydeligt flere af, end der var frie pladser i grundstoffernes periodiske system mellem bismuth og uran. Arten af ​​disse stoffer har været kontroversiel. Nogle forskere anså dem for at være uafhængige kemiske grundstoffer, men i dette tilfælde viste spørgsmålet om deres placering i det periodiske system sig at være uopløseligt. Andre nægtede dem generelt retten til at blive kaldt elementer i klassisk forstand. I 1902 kaldte den engelske fysiker D. Martin sådanne stoffer for radioelementer. Da de blev undersøgt, blev det klart, at nogle radioelementer har nøjagtig de samme kemiske egenskaber, men adskiller sig i atommasse. Denne omstændighed var i modstrid med de grundlæggende bestemmelser i den periodiske lov. Den engelske videnskabsmand F. Soddy løste modsigelsen. I 1913 kaldte han kemisk lignende radioelementer isotoper (fra græske ord, der betyder "samme" og "sted"), det vil sige, at de indtager samme plads i det periodiske system. Radioelementerne viste sig at være isotoper af naturlige radioaktive grundstoffer. Alle af dem er kombineret i tre radioaktive familier, hvis forfædre er isotoper af thorium og uran.

Isotoper af oxygen. Isobarer af kalium og argon (isobarer er atomer af forskellige grundstoffer med samme massetal).

Antal stabile isotoper for lige og ulige elementer.

Det blev hurtigt klart, at andre stabile kemiske grundstoffer også har isotoper. Hovedæren for deres opdagelse tilhører den engelske fysiker F. Aston. Han opdagede stabile isotoper af mange grundstoffer.

Fra et moderne synspunkt er isotoper varianter af atomer af et kemisk element: de har forskellige atommasser, men den samme nukleare ladning.

Deres kerner indeholder altså det samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner. For eksempel indeholder naturlige isotoper af oxygen med Z = 8 henholdsvis 8, 9 og 10 neutroner i deres kerner. Summen af ​​antallet af protoner og neutroner i kernen af ​​en isotop kaldes massetallet A. Følgelig er massetallene for de angivne iltisotoper 16, 17 og 18. I dag accepteres følgende betegnelse for isotoper: værdien Z er angivet nedenfor til venstre for elementsymbolet, værdien A er angivet øverst til venstre. For eksempel: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Siden opdagelsen af ​​fænomenet kunstig radioaktivitet er der produceret cirka 1.800 kunstige radioaktive isotoper ved hjælp af kernereaktioner for grundstoffer med Z fra 1 til 110. Langt de fleste kunstige radioisotoper har meget korte halveringstider, målt i sekunder og brøkdele af sekunder ; kun få har en forholdsvis lang levetid (f.eks. 10 Be - 2,7 10 6 år, 26 Al - 8 10 5 år osv.).

Stabile grundstoffer er repræsenteret i naturen af ​​cirka 280 isotoper. Nogle af dem viste sig dog at være svagt radioaktive med enorme halveringstider (for eksempel 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Levetiden for disse isotoper er så lang, at de kan betragtes som stabile.

Der er stadig mange udfordringer i verden af ​​stabile isotoper. Det er således uklart, hvorfor deres antal varierer så meget mellem forskellige elementer. Omkring 25 % af de stabile grundstoffer (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) er til stede i naturen kun én type atom. Det er de såkaldte enkeltelementer. Det er interessant, at de alle (undtagen Be) har ulige Z-værdier. Generelt for ulige elementer overstiger antallet af stabile isotoper ikke to. I modsætning hertil består nogle lige-Z-elementer af et stort antal isotoper (for eksempel har Xe 9, Sn har 10 stabile isotoper).

Sættet af stabile isotoper af et givet grundstof kaldes en galakse. Deres indhold i galaksen svinger ofte meget. Det er interessant at bemærke, at det højeste indhold er af isotoper med massetal, der er multipla af fire (12 C, 16 O, 20 Ca osv.), selvom der er undtagelser fra denne regel.

Opdagelsen af ​​stabile isotoper gjorde det muligt at løse det mangeårige mysterium om atommasser - deres afvigelse fra hele tal, forklaret med de forskellige procentdele af stabile isotoper af grundstoffer i galaksen.

I kernefysik er begrebet "isobarer" kendt. Isobarer er isotoper af forskellige grundstoffer (det vil sige med forskellige Z-værdier), som har de samme massetal. Studiet af isobarer bidrog til etableringen af ​​mange vigtige mønstre i atomkerners adfærd og egenskaber. Et af disse mønstre er udtrykt af reglen formuleret af den sovjetiske kemiker S. A. Shchukarev og den tyske fysiker I. Mattauch. Den siger: hvis to isobarer adskiller sig i Z-værdier med 1, så vil en af ​​dem helt sikkert være radioaktiv. Et klassisk eksempel på et par isobarer er 40 18 Ar - 40 19 K. I det er kaliumisotopen radioaktiv. Shchukarev-Mattauch-reglen gjorde det muligt at forklare, hvorfor der ikke er stabile isotoper i grundstofferne technetium (Z = 43) og promethium (Z = 61). Da de har ulige Z-værdier, kunne der ikke forventes mere end to stabile isotoper for dem. Men det viste sig, at isobarerne af technetium og promethium, henholdsvis isotoper af molybdæn (Z = 42) og ruthenium (Z = 44), neodym (Z = 60) og samarium (Z = 62), er repræsenteret i naturen ved stabile sorter af atomer i en bred vifte af massetal. Således forbyder fysiske love eksistensen af ​​stabile isotoper af technetium og promethium. Dette er grunden til, at disse elementer faktisk ikke eksisterer i naturen og skulle syntetiseres kunstigt.

Forskere har længe forsøgt at udvikle et periodisk system af isotoper. Det er naturligvis baseret på andre principper end grundlaget for det periodiske system af grundstoffer. Men disse forsøg har endnu ikke ført til tilfredsstillende resultater. Det er sandt, at fysikere har bevist, at sekvensen af ​​fyldning af proton- og neutronskaller i atomkerner i princippet ligner konstruktionen af ​​elektronskaller og underskaller i atomer (se Atom).

Elektronskallene af isotoper af et givet grundstof er konstrueret på nøjagtig samme måde. Derfor er deres kemiske og fysiske egenskaber næsten identiske. Kun brintisotoper (protium og deuterium) og deres forbindelser udviser mærkbare forskelle i egenskaber. For eksempel fryser tungt vand (D 2 O) ved +3,8, koger ved 101,4 ° C, har en massefylde på 1,1059 g/cm 3 og understøtter ikke livet af dyr og planteorganismer. Under elektrolysen af ​​vand til brint og oxygen nedbrydes overvejende H 2 0 molekyler, mens tungt vands molekyler forbliver i elektrolysatoren.

At adskille isotoper af andre grundstoffer er en ekstremt vanskelig opgave. Men i mange tilfælde kræves isotoper af individuelle grundstoffer med væsentligt ændrede forekomster sammenlignet med naturlig forekomst. For eksempel, når man løser problemet med atomenergi, blev det nødvendigt at adskille isotoperne 235 U og 238 U. Til dette formål blev massespektrometrimetoden først brugt, ved hjælp af hvilken de første kilogram uran-235 blev opnået i USA i 1944. Denne metode viste sig dog at være for dyr og blev erstattet af gasdiffusionsmetoden, som brugte UF 6. Der er nu flere metoder til at adskille isotoper, men de er alle ret komplekse og dyre. Og alligevel bliver problemet med at "dele det uadskillelige" løst med succes.

En ny videnskabelig disciplin er opstået - isotopkemi. Hun studerer adfærden af ​​forskellige isotoper af kemiske grundstoffer i kemiske reaktioner og isotopudvekslingsprocesser. Som et resultat af disse processer omfordeles et givet grundstofs isotoper mellem de reagerende stoffer. Her er det enkleste eksempel: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (et vandmolekyle udskifter et protiumatom med et deuteriumatom). Isotopers geokemi er også under udvikling. Hun studerer variationer i den isotopiske sammensætning af forskellige grundstoffer i jordskorpen.

De mest anvendte er såkaldte mærkede atomer - kunstige radioaktive isotoper af stabile grundstoffer eller stabile isotoper. Ved hjælp af isotopiske indikatorer - mærkede atomer - studerer de elementernes bevægelsesveje i den livløse og levende natur, arten af ​​fordelingen af ​​stoffer og elementer i forskellige objekter. Isotoper bruges i nuklear teknologi: som materialer til konstruktion af atomreaktorer; som nukleart brændsel (isotoper af thorium, uran, plutonium); i termonuklear fusion (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktive isotoper er også meget brugt som strålingskilder.

Da man studerede radioaktive grundstoffers egenskaber, blev det opdaget, at det samme kemiske grundstof kan indeholde atomer med forskellige kernemasser. Samtidig har de den samme nukleare ladning, det vil sige, at der ikke er tale om urenheder af fremmede stoffer, men det samme stof.

Hvad er isotoper og hvorfor eksisterer de?

I Mendeleevs periodiske system optager både dette grundstof og atomer af et stof med forskellige kernemasser én celle. Baseret på ovenstående fik sådanne sorter af det samme stof navnet "isotoper" (fra det græske isos - identisk og topos - sted). Så, isotoper- disse er varianter af et givet kemisk grundstof, der adskiller sig i massen af ​​atomkerner.

Ifølge den accepterede neutron-proton model af kernen Det var muligt at forklare eksistensen af ​​isotoper som følger: kernerne i nogle atomer i et stof indeholder forskellige antal neutroner, men det samme antal protoner. Faktisk er kerneladningen af ​​isotoper af et grundstof den samme, derfor er antallet af protoner i kernen det samme. Kerner er forskellige i masse; følgelig indeholder de forskellige antal neutroner.

Stabile og ustabile isotoper

Isotoper kan være stabile eller ustabile. Til dato kendes omkring 270 stabile isotoper og mere end 2000 ustabile. Stabile isotoper- Det er varianter af kemiske grundstoffer, der kan eksistere selvstændigt i lang tid.

Mest af ustabile isotoper blev opnået kunstigt. Ustabile isotoper radioaktiv, deres kerner er udsat for processen med radioaktivt henfald, det vil sige spontan transformation til andre kerner, ledsaget af emission af partikler og/eller stråling. Næsten alle radioaktive kunstige isotoper har meget korte halveringstider, målt i sekunder eller endda brøkdele af sekunder.

Hvor mange isotoper kan en kerne indeholde?

Kernen kan ikke indeholde et vilkårligt antal neutroner. Følgelig er antallet af isotoper begrænset. Lige antal protoner grundstoffer, kan antallet af stabile isotoper nå ti. For eksempel har tin 10 isotoper, xenon har 9, kviksølv har 7, og så videre.

De elementer antallet af protoner er ulige, kan kun have to stabile isotoper. Nogle grundstoffer har kun én stabil isotop. Det er stoffer som guld, aluminium, fosfor, natrium, mangan og andre. Sådanne variationer i antallet af stabile isotoper af forskellige elementer er forbundet med den komplekse afhængighed af antallet af protoner og neutroner på kernens bindingsenergi.

Næsten alle stoffer i naturen findes i form af en blanding af isotoper. Antallet af isotoper i et stof afhænger af stoftype, atommasse og antallet af stabile isotoper af et givet kemisk grundstof.

Gentag hovedpunkterne i emnet "Grundlæggende begreber for kemi" og løs de foreslåede problemer. Brug nr. 6-17.

Grundlæggende bestemmelser

1. Stof(simpel og kompleks) er enhver samling af atomer og molekyler placeret i en bestemt aggregeringstilstand.

Transformationer af stoffer ledsaget af ændringer i deres sammensætning og (eller) struktur kaldes kemiske reaktioner .

2. Strukturelle enheder stoffer:

· Atom- den mindste elektrisk neutrale partikel af et kemisk grundstof eller et simpelt stof, der har alle dets kemiske egenskaber og derefter fysisk og kemisk udelelige.

· Molekyle- den mindste elektrisk neutrale partikel af et stof, der besidder alle dets kemiske egenskaber, fysisk udelelige, men kemisk delelige.

3. Kemisk grundstof - Dette er en type atom med en vis kerneladning.

4. Forbindelse atom :

5. Forbindelse atomkerne :

Kernen indeholder elementarpartikler ( nukleoner) –

protoner(1 1 p ) og neutroner(10n).

· Fordi Næsten al massen af ​​et atom er koncentreret i kernen og m p ≈ m n≈ 1 amu, At afrundet værdiA raf et kemisk grundstof er lig med det samlede antal nukleoner i kernen.

7. Isotoper- en række atomer af det samme kemiske grundstof, der kun adskiller sig fra hinanden i deres masse.

· Isotopnotation: til venstre for grundstofsymbolet angiver grundstoffets massenummer (øverst) og atomnummer (nederst)

· Hvorfor har isotoper forskellige masser?

Opgave: Bestem atomsammensætningen af ​​chlorisotoper: 35 17Clog 37 17Cl?

· Isotoper har forskellige masser på grund af forskelligt antal neutroner i deres kerner.

8. I naturen findes kemiske grundstoffer i form af blandinger af isotoper.

Den isotopiske sammensætning af det samme kemiske grundstof er udtrykt i atomare fraktioner(ω at.), som angiver, hvilken del antallet af atomer i en given isotop udgør af det samlede antal atomer af alle isotoper af et givet grundstof, taget som en eller 100%.

For eksempel:

ω ved (35 17 Cl) = 0,754

ω ved (37 17 Cl) = 0,246

9. Det periodiske system viser gennemsnitsværdierne af de relative atommasser af kemiske elementer under hensyntagen til deres isotopsammensætning. Derfor er Ar angivet i tabellen brøkdele.

A rons= ω kl.(1) ∙ Ar (1) + … + ω på.(n ) ∙ Ar ( n )

For eksempel:

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

10. Problem at løse:

nr. 1. Bestem den relative atommasse af bor, hvis det er kendt, at molfraktionen af ​​10 B-isotopen er 19,6 %, og 11 B-isotopen er 80,4 %.

11. Masserne af atomer og molekyler er meget små. I øjeblikket er et samlet målesystem blevet vedtaget i fysik og kemi.

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

Absolutte masser af nogle atomer:

m( C) = 1,99268 ∙ 10-23 g

m( H) = 1,67375 ∙ 10-24 g

m( O) =2,656812 ∙ 10-23 g

A r– viser hvor mange gange et givet atom er tungere end 1/12 af et 12 C-atom. Hr∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Antallet af atomer og molekyler i almindelige prøver af stoffer er meget stort, derfor, når man karakteriserer mængden af ​​et stof, bruges måleenheden -muldvarp .

· Muldvarp (ν)– en mængdeenhed af et stof, der indeholder det samme antal partikler (molekyler, atomer, ioner, elektroner), som der er atomer i 12 g isotop 12 C

· Masse af 1 atom 12 C er lig med 12 amu, så antallet af atomer i 12 g isotop 12 C lige med:

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

· Fysisk mængde N A hedder Avogadros konstant (Avogadros tal) og har dimensionen [NA] = mol -1.

14. Grundlæggende formler:

M = Hr = ρ ∙ V m(ρ – tæthed; V m – volumen ved nulniveau)

Problemer, der skal løses selvstændigt

nr. 1. Beregn antallet af nitrogenatomer i 100 g ammoniumcarbonat indeholdende 10 % ikke-nitrogen urenheder.

nr. 2. Under normale forhold har 12 liter af en gasblanding bestående af ammoniak og kuldioxid en masse på 18 g. Hvor mange liter af hver gas indeholder blandingen?

nr. 3. Når de udsættes for overskydende saltsyre, 8,24 g af en blanding af manganoxid (IV) med det ukendte oxid MO 2, som ikke reagerer med saltsyre, blev der opnået 1,344 liter gas ved omgivende betingelser. I et andet eksperiment blev det fastslået, at molforholdet mellem manganoxid (IV) til det ukendte oxid er 3:1. Bestem formlen for det ukendte oxid og beregn dets massefraktion i blandingen.