Изотопите имаат различен број на нешта. Што се изотопи во хемијата? Дефиниција, структура

Утврдено е дека секој хемиски елемент пронајден во природата е мешавина од изотопи (оттука тие имаат фракциони атомски маси). За да се разбере како изотопите се разликуваат еден од друг, неопходно е детално да се разгледа структурата на атомот. Атомот формира јадро и електронски облак. Масата на атомот е под влијание на електроните кои се движат со неверојатна брзина низ орбиталите во електронскиот облак, неутроните и протоните кои го сочинуваат јадрото.

Што се изотопи

Изотопие вид на атом на хемиски елемент. Во секој атом секогаш има еднаков број на електрони и протони. Бидејќи тие имаат спротивни полнежи (електроните се негативни, а протоните се позитивни), атомот е секогаш неутрален (оваа елементарна честичка не носи полнеж, таа е нула). Кога електрон е изгубен или заробен, атомот ја губи неутралноста, станувајќи или негативен или позитивен јон.
Неутроните немаат полнеж, но нивниот број во атомското јадро на истиот елемент може да варира. Ова на никаков начин не влијае на неутралноста на атомот, но влијае на неговата маса и својства. На пример, секој изотоп на атом на водород содржи еден електрон и еден протон. Но, бројот на неутрони е различен. Протиумот има само 1 неутрон, деутериумот има 2 неутрони, а тритиумот има 3 неутрони. Овие три изотопи значително се разликуваат едни од други по својства.

Споредба на изотопи

Како се разликуваат изотопите? Тие имаат различен број на неутрони, различни маси и различни својства. Изотопите имаат идентични структури на електронски обвивки. Тоа значи дека тие се доста слични по хемиски својства. Затоа, им се дава едно место во периодниот систем.
Во природата се пронајдени стабилни и радиоактивни (нестабилни) изотопи. Јадрата на атомите на радиоактивните изотопи се способни спонтано да се трансформираат во други јадра. За време на процесот на радиоактивно распаѓање, тие испуштаат различни честички.
Повеќето елементи имаат над дваесетина радиоактивни изотопи. Покрај тоа, радиоактивните изотопи се вештачки синтетизирани за апсолутно сите елементи. Во природна мешавина на изотопи, нивната содржина малку варира.
Постоењето на изотопи овозможи да се разбере зошто, во некои случаи, елементите со помала атомска маса имаат поголем атомски број од елементите со поголема атомска маса. На пример, во парот аргон-калиум, аргонот вклучува тешки изотопи, а калиумот содржи лесни изотопи. Затоа, масата на аргон е поголема од онаа на калиумот.

ImGist утврди дека разликите помеѓу изотопите се како што следува:

Тие имаат различен број на неутрони.
Изотопите имаат различни атомски маси.
Вредноста на масата на јонските атоми влијае на нивната вкупна енергија и својства.

Проучувајќи го феноменот на радиоактивност, научниците во првата деценија на 20 век. откриле голем број радиоактивни материи - околу 40. Имало значително повеќе отколку што имало слободни места во периодниот систем на елементи помеѓу бизмутот и ураниумот. Природата на овие супстанции е контроверзна. Некои истражувачи ги сметаа за независни хемиски елементи, но во овој случај прашањето за нивното сместување во периодниот систем се покажа како нерастворливо. Други, генерално, им го ускратија правото да се нарекуваат елементи во класична смисла. Во 1902 година, англискиот физичар Д. Мартин таквите супстанции ги нарекол радиоелементи. Како што беа проучувани, стана јасно дека некои радиоелементи имаат точно исти хемиски својства, но се разликуваат во атомските маси. Оваа околност беше во спротивност со основните одредби на периодичниот закон. Англискиот научник Ф. Соди ја решил контрадикторноста. Во 1913 година, тој ги нарекол хемиски слични радиоелементи изотопи (од грчки зборови што значат „исто“ и „место“), односно тие го заземаат истото место во периодниот систем. Се покажа дека радиоелементите се изотопи на природни радиоактивни елементи. Сите тие се комбинирани во три радиоактивни семејства, чии предци се изотопи на ториум и ураниум.

Изотопи на кислород. Изобари на калиум и аргон (изобарите се атоми на различни елементи со ист масен број).

Број на стабилни изотопи за парни и непарни елементи.

Наскоро стана јасно дека и други стабилни хемиски елементи имаат изотопи. Главната заслуга за нивното откритие му припаѓа на англискиот физичар Ф.Астон. Тој откри стабилни изотопи на многу елементи.

Од модерна гледна точка, изотопите се сорти на атоми на хемиски елемент: тие имаат различни атомски маси, но исто нуклеарно полнење.

Така, нивните јадра содржат ист број на протони, но различен број на неутрони. На пример, природните изотопи на кислород со Z = 8 содржат 8, 9 и 10 неутрони во нивните јадра, соодветно. Збирот на броевите на протоните и неутроните во јадрото на изотопот се нарекува масен број А. Следствено, масените броеви на наведените изотопи на кислород се 16, 17 и 18. Во денешно време, следнава ознака за изотопи е прифатена: вредноста Z е дадена долу лево од симболот на елементот, вредноста A е дадена горе лево. На пример: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Од откривањето на феноменот на вештачка радиоактивност, произведени се приближно 1.800 вештачки радиоактивни изотопи со помош на нуклеарни реакции за елементи со Z од 1 до 110. Огромното мнозинство на вештачки радиоизотопи имаат многу краток полуживот, измерен во секунди и делови од секунди ; само неколку имаат релативно долг животен век (на пример, 10 Be - 2,7 10 6 години, 26 Al - 8 10 5 години, итн.).

Стабилните елементи во природата се претставени со приближно 280 изотопи. Сепак, некои од нив се покажаа како слабо радиоактивни, со огромен полуживот (на пример, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Животниот век на овие изотопи е толку долг што може да се сметаат за стабилни.

Сè уште има многу предизвици во светот на стабилните изотопи. Така, не е јасно зошто нивниот број толку многу варира меѓу различните елементи. Околу 25% од стабилните елементи (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) се присутни во природата само еден вид атом. Тоа се таканаречените единечни елементи. Интересно е што сите (освен Be) имаат непарни вредности на Z. Генерално, за непарните елементи бројот на стабилни изотопи не надминува два. Спротивно на тоа, некои парни-Z елементи се состојат од голем број изотопи (на пример, Xe има 9, Sn има 10 стабилни изотопи).

Множеството стабилни изотопи на даден елемент се нарекува галаксија. Нивната содржина во галаксијата често варира во голема мера. Интересно е да се забележи дека најголемата содржина има изотопи со масен број кои се множители на четири (12 C, 16 O, 20 Ca итн.), иако има исклучоци од ова правило.

Откривањето на стабилните изотопи овозможи да се реши долгогодишната мистерија за атомските маси - нивното отстапување од цели броеви, објаснето со различните проценти на стабилни изотопи на елементите во галаксијата.

Во нуклеарната физика е познат концептот на „изобари“. Изобарите се изотопи на различни елементи (односно, со различни Z вредности) кои имаат исти масени броеви. Проучувањето на изобарите придонесе за воспоставување на многу важни обрасци во однесувањето и својствата на атомските јадра. Еден од овие обрасци е изразен со правилото формулирано од советскиот хемичар С. А. Шчукарев и германскиот физичар И. Матауч. Тој вели: ако два изобари се разликуваат во вредностите на Z за 1, тогаш еден од нив дефинитивно ќе биде радиоактивен. Класичен пример за пар изобари е 40 18 Ar - 40 19 K. Во него, изотопот на калиум е радиоактивен. Правилото Шчукарев-Матауч овозможи да се објасни зошто нема стабилни изотопи во елементите технициум (Z = 43) и прометиум (Z = 61). Бидејќи тие имаат непарни вредности на Z, за нив не може да се очекуваат повеќе од два стабилни изотопи. Но, се покажа дека изобарите на технициум и прометиум, соодветно изотопите на молибден (Z = 42) и рутениум (Z = 44), неодимиум (Z = 60) и самариум (Z = 62), се претставени во природата со стабилни сорти на атоми во широк опсег на масени броеви. Така, физичките закони забрануваат постоење на стабилни изотопи на технециум и прометиум. Ова е причината зошто овие елементи всушност не постојат во природата и мораа да се синтетизираат вештачки.

Научниците долго време се обидуваат да развијат периодичен систем на изотопи. Се разбира, се заснова на различни принципи од основата на периодниот систем на елементи. Но, овие обиди сè уште не доведоа до задоволителни резултати. Точно, физичарите докажаа дека низата на пополнување на протонски и неутронски обвивки во атомските јадра, во принцип, е слична на конструкцијата на електронските обвивки и подобвивките во атомите (види Атом).

Електронските обвивки на изотопи на даден елемент се конструирани на ист начин. Затоа, нивните хемиски и физички својства се речиси идентични. Само водородните изотопи (протиум и деутериум) и нивните соединенија покажуваат забележителни разлики во својствата. На пример, тешката вода (D 2 O) замрзнува на +3,8, врие на 101,4 ° C, има густина од 1,1059 g/cm 3 и не го поддржува животот на животните и растителните организми. За време на електролизата на водата во водород и кислород, претежно H 2 0 молекулите се распаѓаат, додека молекулите на тешка вода остануваат во електролизаторот.

Одвојувањето на изотопи на други елементи е исклучително тешка задача. Меѓутоа, во многу случаи, потребни се изотопи на поединечни елементи со значително изменето изобилство во споредба со природното изобилство. На пример, при решавањето на проблемот со атомската енергија, стана неопходно да се одвојат изотопите 235 U и 238 U. За таа цел, најпрвин беше користен методот на масена спектрометрија, со чија помош се добиени првите килограми ураниум-235 во САД во 1944 г. Сепак, овој метод се покажа како прескап и беше заменет со методот на дифузија на гас, кој користеше UF 6. Сега постојат неколку методи за одвојување на изотопи, но сите тие се прилично сложени и скапи. А сепак проблемот со „поделба на неразделното“ успешно се решава.

Се појави нова научна дисциплина - изотоп хемија. Таа го проучува однесувањето на различни изотопи на хемиски елементи во хемиските реакции и процесите на размена на изотопи. Како резултат на овие процеси, изотопите на даден елемент се прераспределуваат помеѓу супстанциите што реагираат. Еве го наједноставниот пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула на вода разменува атом на протиум за атом на деутериум). Се развива и геохемијата на изотопи. Таа ги проучува варијациите во изотопскиот состав на различни елементи во земјината кора.

Најмногу се користат таканаречените означени атоми - вештачки радиоактивни изотопи на стабилни елементи или стабилни изотопи. Со помош на изотопски индикатори - означени атоми - тие ги проучуваат патеките на движење на елементите во неживата и жива природа, природата на дистрибуцијата на супстанции и елементи во различни предмети. Изотопите се користат во нуклеарната технологија: како материјали за изградба на нуклеарни реактори; како нуклеарно гориво (изотопи на ториум, ураниум, плутониум); во термонуклеарна фузија (деутериум, 6 Li, 3 He). Радиоактивните изотопи се исто така широко користени како извори на зрачење.

При проучувањето на својствата на радиоактивните елементи, беше откриено дека истиот хемиски елемент може да содржи атоми со различна нуклеарна маса. Во исто време, тие имаат ист нуклеарен полнеж, односно тоа не се нечистотии од туѓи материи, туку иста супстанција.

Што се изотопи и зошто постојат?

Во периодниот систем на Менделеев, и овој елемент и атомите на супстанција со различни нуклеарни маси заземаат една клетка. Врз основа на горенаведеното, на таквите сорти на иста супстанција им беше дадено името „изотопи“ (од грчкиот isos - идентично и топос - место). Значи, изотопи- ова се сорти на даден хемиски елемент, кои се разликуваат по масата на атомските јадра.

Според прифатените неутронско-протонски модел на јадротоБеше можно да се објасни постоењето на изотопи на следниов начин: јадрата на некои атоми на супстанцијата содржат различен број на неутрони, но ист број на протони. Всушност, нуклеарното полнење на изотопи на еден елемент е ист, затоа, бројот на протони во јадрото е ист. Јадрата се разликуваат по маса; соодветно, тие содржат различен број на неутрони.

Стабилни и нестабилни изотопи

Изотопите можат да бидат стабилни или нестабилни. До денес се познати околу 270 стабилни изотопи и повеќе од 2000 нестабилни. Стабилни изотопи- Станува збор за сорти на хемиски елементи кои можат да постојат независно долго време.

Повеќето нестабилни изотопие добиена вештачки. Нестабилни изотопи радиоактивни, нивните јадра се предмет на процес на радиоактивно распаѓање, односно спонтана трансформација во други јадра, придружена со емисија на честички и/или зрачење. Речиси сите радиоактивни вештачки изотопи имаат многу краток полуживот, измерен во секунди, па дури и во делови од секунди.

Колку изотопи може да содржи јадрото?

Јадрото не може да содржи произволен број на неутрони. Според тоа, бројот на изотопи е ограничен. Парен број на протониелементи, бројот на стабилни изотопи може да достигне десет. На пример, калајот има 10 изотопи, ксенонот има 9, живата има 7 и така натаму.

Тие елементи бројот на протони е непарен, може да има само два стабилни изотопи. Некои елементи имаат само еден стабилен изотоп. Тоа се супстанции како злато, алуминиум, фосфор, натриум, манган и други. Ваквите варијации во бројот на стабилни изотопи на различни елементи се поврзани со сложената зависност на бројот на протони и неутрони од сврзувачката енергија на јадрото.

Речиси сите супстанции во природата постојат во форма на мешавина од изотопи. Бројот на изотопи во супстанцијата зависи од видот на супстанцијата, атомската маса и бројот на стабилни изотопи на даден хемиски елемент.

Повторете ги главните точки од темата „Основни поими на хемијата“ и решете ги предложените проблеми. Користете бр. 6-17.

Основни одредби

1. Супстанција(едноставен и сложен) е секоја збирка на атоми и молекули лоцирани во одредена состојба на агрегација.

Се нарекуваат трансформации на супстанции придружени со промени во нивниот состав и (или) структура хемиски реакции .

2. Структурни единици супстанции:

· Атом- најмалата електрично неутрална честичка на хемиски елемент или едноставна супстанција, која ги поседува сите нејзини хемиски својства, а потоа физички и хемиски неделива.

· Молекула- најмалата електрично неутрална честичка на супстанцијата, која ги поседува сите нејзини хемиски својства, физички неделива, но хемиски делива.

3. Хемиски елемент - Ова е тип на атом со одреден нуклеарен полнеж.

4. Соединение атом :

5. Соединение атомско јадро :

Јадрото содржи елементарни честички ( нуклеони) –

протони(1 1 стр ) и неутрони(1 0 n).

· Затоа што Речиси целата маса на атомот е концентрирана во јадрото и m стр ≈ m n≈ 1 аму, Тоа заокружена вредностА рна хемиски елемент е еднаков на вкупниот број на нуклеони во јадрото.

7. Изотопи- разновидни атоми од ист хемиски елемент, кои се разликуваат едни од други само по нивната маса.

· Изотопска ознака: лево од симболот на елементот означете го масениот број (горе) и атомскиот број на елементот (долу)

· Зошто изотопите имаат различни маси?

Задача: Одреди го атомскиот состав на изотопи на хлор: 35 17Clи 37 17Cl?

· Изотопите имаат различни маси поради различниот број на неутрони во нивните јадра.

8. Во природата хемиските елементи постојат во форма на мешавини на изотопи.

Изотопскиот состав на истиот хемиски елемент е изразен во атомски фракции(ω на.), кои покажуваат колкав дел го сочинува бројот на атоми на даден изотоп од вкупниот број на атоми на сите изотопи на даден елемент, земен како еден или 100%.

На пример:

ω во (35 17 Cl) = 0,754

ω во (37 17 Cl) = 0,246

9. Периодниот систем ги прикажува просечните вредности на релативните атомски маси на хемиските елементи, земајќи го предвид нивниот изотопски состав. Затоа, Ar наведени во табелата се фракциони.

А рср= ω на.(1) ∙ Ар (1) + … + ω на.(n ) ∙ Ар ( n )

На пример:

А рср(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

10. Проблем што треба да се реши:

бр.1. Одреди ја релативната атомска маса на бор ако се знае дека моларната фракција на изотопот 10 B е 19,6%, а изотопот 11 B е 80,4%.

11. Масите на атомите и молекулите се многу мали. Во моментов, унифициран систем за мерење е усвоен во физиката и хемијата.

1 аму =м(a.m.m.) = 1/12 м(12 C) = 1,66057 ∙ 10 -27 кг = 1,66057 ∙ 10 -24 g.

Апсолутни маси на некои атоми:

м( В) =1,99268 ∙ 10 -23 g

м( Х) =1,67375 ∙ 10 -24 g

м( О) =2,656812 ∙ 10 -23 g

А р– покажува колку пати даден атом е потежок од 1/12 од атом од 12 C. Г∙ 1,66 ∙ 10 -27 кг

13. Бројот на атоми и молекули во обичните примероци на супстанции е многу голем, затоа, кога се карактеризира количината на супстанцијата, се користи мерна единица -крт .

· Крт (ν)– единица количина на супстанција која содржи ист број честички (молекули, атоми, јони, електрони) колку што има атоми во 12 g изотоп 12 В

· Маса од 1 атом 12 Ве еднаков на 12 amu, па бројот на атоми во 12 g изотоп 12 Веднакво на:

Н А= 12 g / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 g = 6,0221 ∙ 10 23

· Физичка количина Н Аповикани Константа на Авогадро (број на Авогадро) и има димензија [N A] = mol -1.

14. Основни формули:

М = Г = ρ ∙ Вм(ρ – густина; V m – волумен на нула ниво)

Проблеми кои треба да се решаваат самостојно

бр.1. Пресметајте го бројот на азотни атоми во 100 g амониум карбонат кој содржи 10% неазотни нечистотии.

бр.2. Во нормални услови 12 литри гасна смеса која се состои од амонијак и јаглерод диоксид имаат маса од 18 g Колку литри од секој гас содржи смесата?

бр. 3. Кога се изложени на вишок на хлороводородна киселина, 8,24 g мешавина од манган оксид (IV) со непознатиот оксид MO 2, кој не реагира со хлороводородна киселина, при амбиентални услови се добиени 1.344 литри гас. Во друг експеримент, беше утврдено дека моларниот однос на манган оксид (IV) на непознатиот оксид е 3:1. Да се ​​определи формулата на непознатиот оксид и да се пресмета неговиот масен удел во смесата.