Isotoopeilla on eri määrä asioita. Mitä isotoopit ovat kemiassa? Määritelmä, rakenne

On todettu, että jokainen luonnossa esiintyvä kemiallinen alkuaine on isotooppien seos (siis niiden atomimassat ovat murto-osia). Ymmärtääksesi, kuinka isotoopit eroavat toisistaan, on tarpeen tarkastella yksityiskohtaisesti atomin rakennetta. Atomi muodostaa ytimen ja elektronipilven. Atomin massaan vaikuttavat elektronit, jotka liikkuvat hämmästyttävällä nopeudella elektronipilven kiertoradalla, neutronit ja protonit, jotka muodostavat ytimen.

Mitä isotoopit ovat

Isotoopit on kemiallisen alkuaineen atomityyppi. Jokaisessa atomissa on aina yhtä paljon elektroneja ja protoneja. Koska niillä on vastakkaiset varaukset (elektronit ovat negatiivisia ja protonit positiivisia), atomi on aina neutraali (tämä alkuainehiukkanen ei kanna varausta, se on nolla). Kun elektroni katoaa tai vangitaan, atomi menettää neutraaliuden ja muuttuu joko negatiiviseksi tai positiiviseksi ioniksi.
Neutroneilla ei ole varausta, mutta niiden lukumäärä saman alkuaineen atomiytimessä voi vaihdella. Tämä ei millään tavalla vaikuta atomin neutraalisuuteen, mutta se vaikuttaa sen massaan ja ominaisuuksiin. Esimerkiksi mikä tahansa vetyatomin isotooppi sisältää yhden elektronin ja yhden protonin. Mutta neutronien määrä on erilainen. Protiumissa on vain yksi neutroni, deuteriumissa on 2 neutronia ja tritiumissa 3 neutronia. Nämä kolme isotooppia eroavat toisistaan ​​huomattavasti ominaisuuksiltaan.

Isotooppien vertailu

Miten isotoopit eroavat toisistaan? Niillä on eri määrä neutroneja, eri massat ja erilaiset ominaisuudet. Isotoopeilla on identtiset elektronikuoren rakenteet. Tämä tarkoittaa, että ne ovat melko samanlaisia ​​​​kemiallisilta ominaisuuksiltaan. Siksi heille annetaan yksi paikka jaksollisessa taulukossa.
Luonnosta on löydetty stabiileja ja radioaktiivisia (epästabiileja) isotooppeja. Radioaktiivisten isotooppien atomien ytimet voivat muuttua spontaanisti toisiksi ytimiksi. Radioaktiivisen hajoamisen aikana ne lähettävät erilaisia ​​hiukkasia.
Useimmissa alkuaineissa on yli kaksi tusinaa radioaktiivista isotooppia. Lisäksi radioaktiiviset isotoopit syntetisoidaan keinotekoisesti ehdottoman kaikille alkuaineille. Isotooppien luonnollisessa seoksessa niiden pitoisuus vaihtelee hieman.
Isotooppien olemassaolo teki mahdolliseksi ymmärtää, miksi joissain tapauksissa pienemmän atomimassan alkuaineilla on suurempi atomiluku kuin elementeillä, joilla on suurempi atomimassa. Esimerkiksi argon-kalium-parissa argon sisältää raskaita isotooppeja ja kalium kevyitä isotooppeja. Siksi argonin massa on suurempi kuin kaliumin.

ImGist päätti, että isotooppien väliset erot ovat seuraavat:

Niissä on eri määrä neutroneja.
Isotoopeilla on eri atomimassat.
Ioniatomien massan arvo vaikuttaa niiden kokonaisenergiaan ja ominaisuuksiin.

Radioaktiivisuuden ilmiötä tutkineet tutkijat 1900-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä. löysi suuren määrän radioaktiivisia aineita - noin 40. Niitä oli huomattavasti enemmän kuin vapaita paikkoja alkuaineiden jaksollisessa taulukossa vismutin ja uraanin välillä. Näiden aineiden luonne on ollut kiistanalainen. Jotkut tutkijat pitivät niitä itsenäisinä kemiallisina alkuaineina, mutta tässä tapauksessa kysymys niiden sijoittamisesta jaksolliseen taulukkoon osoittautui liukenemattomaksi. Toiset yleensä kielsivät heiltä oikeuden tulla kutsutuksi elementeiksi klassisessa mielessä. Vuonna 1902 englantilainen fyysikko D. Martin kutsui tällaisia ​​aineita radioelementeiksi. Niitä tutkittaessa kävi selväksi, että joillakin radioelementeillä on täsmälleen samat kemialliset ominaisuudet, mutta ne eroavat atomimassaltaan. Tämä seikka oli ristiriidassa kausilain perussäännösten kanssa. Englantilainen tiedemies F. Soddy ratkaisi ristiriidan. Vuonna 1913 hän kutsui kemiallisesti samanlaisia ​​radioelementtejä isotoopeiksi (kreikan sanoista, jotka tarkoittavat "samaa" ja "paikkaa"), eli ne ovat saman paikan jaksollisessa taulukossa. Radioelementit osoittautuivat luonnollisten radioaktiivisten alkuaineiden isotoopeiksi. Ne kaikki yhdistetään kolmeen radioaktiiviseen perheeseen, joiden esi-isot ovat toriumin ja uraanin isotooppeja.

Hapen isotoopit. Kaliumin ja argonin isobaarit (isobaarit ovat eri alkuaineiden atomeja, joilla on sama massaluku).

Stabiilien isotooppien määrä parillisille ja parittomille alkuaineille.

Pian kävi selväksi, että myös muilla stabiileilla kemiallisilla alkuaineilla on isotooppeja. Suurin ansio heidän löydöistään kuuluu englantilaiselle fyysikolle F. Astonille. Hän löysi monien alkuaineiden stabiileja isotooppeja.

Nykyajan näkökulmasta isotoopit ovat kemiallisen alkuaineen atomien lajikkeita: niillä on eri atomimassat, mutta sama ydinvaraus.

Niiden ytimissä on siis sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja. Esimerkiksi luonnolliset hapen isotoopit, joiden Z = 8, sisältävät ytimeissään 8, 9 ja 10 neutronia. Isotoopin ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärien summaa kutsutaan massaluvuksi A. Näin ollen ilmoitettujen happi-isotooppien massaluvut ovat 16, 17 ja 18. Nykyään isotoopeille hyväksytään seuraava nimitys: arvo Z on annettu alla elementtisymbolin vasemmalla puolella, arvo A on vasemmassa yläkulmassa. Esimerkiksi: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Keinotekoisen radioaktiivisuuden ilmiön löytämisen jälkeen noin 1 800 keinotekoista radioaktiivista isotooppia on tuotettu ydinreaktioilla elementeille, joiden Z on 1-110. Suurimmalla osalla keinotekoisista radioaktiivisista isotoopeista on hyvin lyhyet puoliintumisajat, mitattuna sekunneissa ja sekuntien murto-osissa ; vain harvoilla on suhteellisen pitkä elinajanodote (esim. 10 Be - 2,7 10 6 vuotta, 26 Al - 8 10 5 vuotta jne.).

Vakaita alkuaineita luonnossa edustaa noin 280 isotooppia. Jotkut niistä osoittautuivat kuitenkin heikosti radioaktiivisiksi, ja niiden puoliintumisajat olivat valtavat (esim. 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Näiden isotooppien elinikä on niin pitkä, että niitä voidaan pitää stabiileina.

Vakaiden isotooppien maailmassa on edelleen monia haasteita. Siksi on epäselvää, miksi niiden lukumäärä vaihtelee niin paljon eri elementtien välillä. Noin 25 % pysyvistä alkuaineista (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) on läsnä luonnossa vain yksi atomityyppi. Nämä ovat niin sanottuja yksittäisiä elementtejä. On mielenkiintoista, että niillä kaikilla (paitsi Be:llä) on parittomat Z-arvot.Yleensä parittomilla alkuaineilla stabiilien isotooppien määrä ei ylitä kahta. Sitä vastoin jotkut parillisen Z-alkuaineet koostuvat suuresta määrästä isotooppeja (esimerkiksi Xe:ssä on 9, Sn:ssä 10 stabiilia isotooppia).

Tietyn alkuaineen stabiilien isotooppien joukkoa kutsutaan galaksiksi. Niiden sisältö galaksissa vaihtelee usein suuresti. On mielenkiintoista huomata, että suurin pitoisuus on isotooppeja, joiden massaluvut ovat neljän kerrannaisia ​​(12 C, 16 O, 20 Ca jne.), vaikka tähän sääntöön on poikkeuksia.

Stabiilien isotooppien löytäminen mahdollisti atomimassojen pitkäaikaisen mysteerin ratkaisemisen - niiden poikkeaman kokonaisluvuista, mikä selittyy galaksissa olevien elementtien stabiilien isotooppien eri prosenttiosuuksilla.

Ydinfysiikassa "isobaarien" käsite tunnetaan. Isobaarit ovat eri alkuaineiden (eli eri Z-arvojen) isotooppeja, joilla on samat massaluvut. Isobaarien tutkimus auttoi luomaan monia tärkeitä malleja atomiytimien käyttäytymiseen ja ominaisuuksiin. Yksi näistä malleista ilmaistaan ​​Neuvostoliiton kemistin S. A. Shchukarevin ja saksalaisen fyysikon I. Mattauchin laatimalla säännöllä. Siinä sanotaan: jos kaksi isobaaria eroavat Z-arvoista 1:llä, toinen niistä on ehdottomasti radioaktiivinen. Klassinen esimerkki isobaariparista on 40 18 Ar - 40 19 K. Siinä kalium-isotooppi on radioaktiivinen. Shchukarev-Mattauch-sääntö mahdollisti selityksen, miksi teknetiumissa (Z = 43) ja prometiumissa (Z = 61) ei ole stabiileja isotooppeja. Koska niillä on parittomat Z-arvot, niille ei voitu odottaa enempää kuin kahta stabiilia isotooppia. Mutta kävi ilmi, että teknetiumin ja prometiumin isobaarit, vastaavasti molybdeenin (Z = 42) ja ruteniumin (Z = 44), neodyymin (Z = 60) ja samariumin (Z = 62) isobaarit ovat luonnossa stabiileja. atomien lajikkeet laajalla massalukualueella. Fysikaaliset lait siis kieltävät teknetiumin ja prometiumin stabiilien isotooppien olemassaolon. Tästä syystä näitä alkuaineita ei todellisuudessa ole luonnossa, ja ne piti syntetisoida keinotekoisesti.

Tiedemiehet ovat pitkään yrittäneet kehittää jaksoittaista isotooppijärjestelmää. Tietenkin se perustuu eri periaatteisiin kuin elementtien jaksollisen taulukon perusta. Mutta nämä yritykset eivät ole vielä johtaneet tyydyttäviin tuloksiin. Totta, fyysikot ovat osoittaneet, että atomiytimien protoni- ja neutronikuorten täyttymisjärjestys on periaatteessa samanlainen kuin elektronikuorten ja -alikuorten rakentaminen atomeihin (katso Atom).

Tietyn alkuaineen isotooppien elektronikuoret rakennetaan täsmälleen samalla tavalla. Siksi niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat lähes identtiset. Vain vedyn isotoopeilla (protium ja deuterium) ja niiden yhdisteillä on huomattavia eroja ominaisuuksissa. Esimerkiksi raskas vesi (D 2 O) jäätyy +3,8:ssa, kiehuu 101,4 °C:ssa, sen tiheys on 1,1059 g/cm 3, eikä se tue eläinten ja kasvien eliöiden elämää. Veden elektrolyysissä vedyksi ja hapeksi pääasiallisesti H 2 0 -molekyylit hajoavat, kun taas raskasvesimolekyylit jäävät elektrolysaattoriin.

Muiden alkuaineiden isotooppien erottaminen on erittäin vaikea tehtävä. Monissa tapauksissa tarvitaan kuitenkin yksittäisten alkuaineiden isotooppeja, joiden runsaudet ovat merkittävästi muuttuneet luonnolliseen runsaaseen verrattuna. Esimerkiksi atomienergiaongelmaa ratkaistaessa tuli tarpeelliseksi erottaa isotoopit 235 U ja 238 U. Tätä tarkoitusta varten käytettiin ensin massaspektrometriamenetelmää, jonka avulla saatiin ensimmäiset kilot uraani-235:tä. Yhdysvalloissa vuonna 1944. Tämä menetelmä osoittautui kuitenkin liian kalliiksi ja korvattiin kaasudiffuusiomenetelmällä, jossa käytettiin UF 6:ta. Isotooppien erottamiseen on nykyään useita menetelmiä, mutta ne ovat kaikki melko monimutkaisia ​​ja kalliita. Ja silti "erottamattoman jakamisen" ongelma ratkaistaan ​​onnistuneesti.

Uusi tieteenala on syntynyt - isotooppikemia. Hän tutkii kemiallisten alkuaineiden eri isotooppien käyttäytymistä kemiallisissa reaktioissa ja isotooppien vaihtoprosesseissa. Näiden prosessien seurauksena tietyn alkuaineen isotoopit jakautuvat uudelleen reagoivien aineiden kesken. Tässä on yksinkertaisin esimerkki: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (vesimolekyyli vaihtaa protiumatomin deuteriumatomiksi). Myös isotooppien geokemia kehittyy. Hän tutkii maankuoren eri alkuaineiden isotooppisen koostumuksen vaihtelua.

Yleisimmin käytettyjä ovat ns. leimatut atomit - stabiilien alkuaineiden keinotekoiset radioaktiiviset isotoopit tai stabiilit isotoopit. Isotooppisten indikaattoreiden - leimattujen atomien - avulla he tutkivat elementtien liikereittejä elottomassa ja elävässä luonnossa, aineiden ja alkuaineiden jakautumisen luonnetta erilaisissa esineissä. Isotooppeja käytetään ydinteknologiassa: materiaalina ydinreaktorien rakentamiseen; ydinpolttoaineena (toriumin, uraanin, plutoniumin isotoopit); lämpöydinfuusiossa (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktiivisia isotooppeja käytetään myös laajalti säteilylähteinä.

Radioaktiivisten alkuaineiden ominaisuuksia tutkittaessa havaittiin, että sama kemiallinen alkuaine voi sisältää atomeja, joilla on eri ydinmassat. Samaan aikaan niillä on sama ydinvaraus, eli nämä eivät ole vieraiden aineiden epäpuhtauksia, vaan sama aine.

Mitä isotoopit ovat ja miksi niitä on olemassa?

Mendelejevin jaksollisessa taulukossa sekä tämä alkuaine että aineen atomit, joilla on eri ydinmassat, vievät yhden solun. Yllä olevan perusteella saman aineen tällaisille lajikkeille annettiin nimi "isotoopit" (kreikan kielestä isos - identtinen ja topos - paikka). Niin, isotoopit- nämä ovat tietyn kemiallisen alkuaineen lajikkeita, jotka eroavat atomiytimien massasta.

Hyväksytyn mukaan ytimen neutroni-protoni malli Isotooppien olemassaolo voitiin selittää seuraavasti: joidenkin aineen atomien ytimet sisältävät eri määrän neutroneja, mutta saman määrän protoneja. Itse asiassa yhden alkuaineen isotooppien ydinvaraus on sama, joten protonien lukumäärä ytimessä on sama. Ytimet eroavat massaltaan, joten ne sisältävät eri määrän neutroneja.

Stabiilit ja epästabiilit isotoopit

Isotoopit voivat olla stabiileja tai epästabiileja. Tähän mennessä tunnetaan noin 270 stabiilia ja yli 2000 epästabiilia isotooppia. Stabiilit isotoopit- Nämä ovat kemiallisten alkuaineiden lajikkeita, jotka voivat olla olemassa itsenäisesti pitkään.

Suurin osa epävakaat isotoopit saatu keinotekoisesti. Epästabiilit isotoopit radioaktiivinen, niiden ytimet ovat alttiina radioaktiiviselle hajoamisprosessille, toisin sanoen spontaanille muuttumiselle toisiksi ytimiksi, johon liittyy hiukkasten ja/tai säteilyn emissio. Lähes kaikilla radioaktiivisilla keinotekoisilla isotoopeilla on hyvin lyhyet puoliintumisajat, mitattuna sekunneissa tai jopa sekunnin murto-osissa.

Kuinka monta isotooppia ydin voi sisältää?

Ydin ei voi sisältää mielivaltaista määrää neutroneja. Tästä syystä isotooppien määrä on rajoitettu. Parillinen määrä protoneja alkuaineista, stabiilien isotooppien määrä voi olla kymmenen. Esimerkiksi tinassa on 10 isotooppia, ksenonissa 9, elohopeassa 7 ja niin edelleen.

Ne elementit protonien määrä on pariton, voi sisältää vain kaksi stabiilia isotooppia. Joillakin alkuaineilla on vain yksi stabiili isotooppi. Nämä ovat aineita, kuten kulta, alumiini, fosfori, natrium, mangaani ja muut. Tällaiset vaihtelut eri alkuaineiden stabiilien isotooppien lukumäärässä liittyvät protonien ja neutronien lukumäärän kompleksiseen riippuvuuteen ytimen sitoutumisenergiasta.

Lähes kaikki luonnossa esiintyvät aineet ovat isotooppien seoksena. Aineen isotooppien määrä riippuu aineen tyypistä, atomimassasta ja tietyn kemiallisen alkuaineen stabiilien isotooppien määrästä.

Toista aiheen "Kemian peruskäsitteet" pääkohdat ja ratkaise ehdotetut ongelmat. Käytä numeroita 6-17.

Perussäännökset

1. Aine(yksinkertainen ja monimutkainen) on mikä tahansa atomien ja molekyylien kokoelma, joka sijaitsee tietyssä aggregaatiotilassa.

Aineiden muunnoksia, joihin liittyy muutoksia niiden koostumuksessa ja (tai) rakenteessa, kutsutaan kemialliset reaktiot .

2. Rakenneyksiköt aineet:

· Atomi- kemiallisen alkuaineen tai yksinkertaisen aineen pienin sähköisesti neutraali hiukkanen, jolla on kaikki kemialliset ominaisuudet ja joka on sitten fysikaalisesti ja kemiallisesti jakamaton.

· Molekyyli- aineen pienin sähköisesti neutraali hiukkanen, jolla on kaikki sen kemialliset ominaisuudet, fysikaalisesti jakamaton, mutta kemiallisesti jaettavissa.

3. Kemiallinen alkuaine - Tämä on atomityyppi, jolla on tietty ydinvaraus.

4. Yhdiste atomi :

5. Yhdiste atomiydin :

Ydin sisältää alkuainehiukkasia ( nukleonit) –

protonit(1 1 p ) ja neutroneja(10 n ).

· Koska Lähes kaikki atomin massa on keskittynyt ytimeen ja m p ≈ m n≈ 1 amu, Tuo pyöristetty arvoA rkemiallisen alkuaineen määrä on yhtä suuri kuin ytimessä olevien nukleonien kokonaismäärä.

7. Isotoopit- useita saman kemiallisen alkuaineen atomeja, jotka eroavat toisistaan ​​vain massaltaan.

· Isotooppinen merkintä: elementin symbolin vasemmalla puolella osoittavat elementin massanumeron (ylhäällä) ja atominumeron (alhaalla)

· Miksi isotoopeilla on erilaiset massat?

Tehtävä: Selvitä kloori-isotooppien atomikoostumus: 35 17Clja 37 17Cl?

· Isotoopeilla on erilaiset massat, koska niiden ytimissä on eri määrä neutroneja.

8. Luonnossa kemialliset alkuaineet esiintyvät isotooppien seosten muodossa.

Saman kemiallisen alkuaineen isotooppinen koostumus ilmaistaan atomifraktiot(ω at.), jotka osoittavat, minkä osan tietyn isotoopin atomien määrä muodostaa tietyn alkuaineen kaikkien isotooppien atomien kokonaismäärästä, yhdeksi tai 100 %:ksi.

Esimerkiksi:

ω at (35 17 Cl) = 0,754

ω at (37 17 Cl) = 0,246

9. Jaksotaulukko näyttää kemiallisten alkuaineiden suhteellisten atomimassojen keskiarvot ottaen huomioon niiden isotooppinen koostumus. Siksi taulukossa ilmoitetut Ar ovat murtolukuja.

A rke= ω klo.(1) ∙ Ar (1) + … + ω klo.(n ) ∙ Ar ( n )

Esimerkiksi:

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

10. Ratkaistava ongelma:

Nro 1. Määritä boorin suhteellinen atomimassa, jos tiedetään, että 10 B-isotoopin mooliosuus on 19,6 % ja 11 B-isotoopin mooliosuus on 80,4 %.

11. Atomien ja molekyylien massat ovat hyvin pieniä. Tällä hetkellä fysiikassa ja kemiassa on otettu käyttöön yhtenäinen mittausjärjestelmä.

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

Joidenkin atomien absoluuttiset massat:

m( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g

m( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g

m( O) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– näyttää kuinka monta kertaa tietty atomi on raskaampi kuin 1/12 12 C-atomista. Herra∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Atomien ja molekyylien määrä tavallisissa ainenäytteissä on erittäin suuri, joten aineen määrää karakterisoitaessa käytetään mittayksikköä -mooli .

· Myyrä (ν)– aineen määräyksikkö, joka sisältää saman määrän hiukkasia (molekyylejä, atomeja, ioneja, elektroneja) kuin atomeja on 12 grammassa isotooppia 12 C

· 1 atomin massa 12 C on yhtä suuri kuin 12 amu, joten atomien lukumäärä 12 grammassa isotooppia 12 C vastaa:

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

· Fyysinen määrä N A nimeltään Avogadron vakio (Avogadron luku) ja sen mitta [N A] = mol -1.

14. Peruskaavat:

M = Herra = ρ ∙ V m(ρ – tiheys; V m – tilavuus nollatasolla)

Ongelmia ratkaista itsenäisesti

Nro 1. Laske typpiatomien lukumäärä 100 g:ssa ammoniumkarbonaattia, joka sisältää 10 % typen ulkopuolisia epäpuhtauksia.

Nro 2. Normaaliolosuhteissa 12 litran ammoniakista ja hiilidioksidista koostuvaa kaasuseosta massa on 18 g. Kuinka monta litraa kutakin kaasua seos sisältää?

Nro 3. Ylimääräiselle kloorivetyhapolle altistettuna 8,24 g mangaanioksidiseosta (IV) tuntemattomalla oksidilla MO 2, joka ei reagoi suolahapon kanssa, saatiin 1,344 litraa kaasua ympäristön olosuhteissa. Toisessa kokeessa todettiin, että mangaanioksidin moolisuhde (IV) tuntemattomaan oksidiin on 3:1. Määritä tuntemattoman oksidin kaava ja laske sen massaosuus seoksesta.