Isotop mempunyai bilangan benda yang berbeza. Apakah isotop dalam kimia? Definisi, struktur

Telah ditetapkan bahawa setiap unsur kimia yang terdapat di alam semula jadi adalah campuran isotop (oleh itu ia mempunyai jisim atom pecahan). Untuk memahami bagaimana isotop berbeza antara satu sama lain, adalah perlu untuk mempertimbangkan secara terperinci struktur atom. Atom membentuk nukleus dan awan elektron. Jisim atom dipengaruhi oleh elektron yang bergerak pada kelajuan yang menakjubkan melalui orbital dalam awan elektron, neutron dan proton yang membentuk nukleus.

Apakah isotop

Isotop ialah sejenis atom unsur kimia. Selalu ada bilangan elektron dan proton yang sama dalam mana-mana atom. Oleh kerana mereka mempunyai cas yang bertentangan (elektron adalah negatif, dan proton adalah positif), atom sentiasa neutral (zarah asas ini tidak membawa cas, ia adalah sifar). Apabila elektron hilang atau ditangkap, atom kehilangan neutraliti, menjadi sama ada ion negatif atau positif.
Neutron tidak mempunyai cas, tetapi bilangan mereka dalam nukleus atom unsur yang sama boleh berbeza-beza. Ini tidak sama sekali menjejaskan neutraliti atom, tetapi ia menjejaskan jisim dan sifatnya. Sebagai contoh, mana-mana isotop atom hidrogen mengandungi satu elektron dan satu proton. Tetapi bilangan neutron berbeza. Protium hanya mempunyai 1 neutron, deuterium mempunyai 2 neutron, dan tritium mempunyai 3 neutron. Ketiga-tiga isotop ini berbeza dengan ketara antara satu sama lain dalam sifat.

Perbandingan isotop

Bagaimanakah isotop berbeza? Mereka mempunyai bilangan neutron yang berbeza, jisim yang berbeza dan sifat yang berbeza. Isotop mempunyai struktur kulit elektron yang sama. Ini bermakna bahawa mereka agak serupa dalam sifat kimia. Oleh itu, mereka diberi satu tempat dalam jadual berkala.
Isotop stabil dan radioaktif (tidak stabil) telah ditemui di alam semula jadi. Nukleus atom isotop radioaktif mampu berubah secara spontan menjadi nukleus lain. Semasa proses pereputan radioaktif, mereka mengeluarkan pelbagai zarah.
Kebanyakan unsur mempunyai lebih dua dozen isotop radioaktif. Di samping itu, isotop radioaktif disintesis secara buatan untuk semua unsur. Dalam campuran semula jadi isotop, kandungannya berbeza sedikit.
Kewujudan isotop memungkinkan untuk memahami mengapa, dalam beberapa kes, unsur dengan jisim atom yang lebih rendah mempunyai nombor atom yang lebih tinggi daripada unsur yang mempunyai jisim atom yang lebih tinggi. Sebagai contoh, dalam pasangan argon-potassium, argon termasuk isotop berat, dan kalium mengandungi isotop ringan. Oleh itu, jisim argon lebih besar daripada kalium.

ImGist menentukan bahawa perbezaan antara isotop adalah seperti berikut:

Mereka mempunyai bilangan neutron yang berbeza.
Isotop mempunyai jisim atom yang berbeza.
Nilai jisim atom ion mempengaruhi jumlah tenaga dan sifatnya.

Mengkaji fenomena radioaktiviti, saintis pada dekad pertama abad ke-20. menemui sejumlah besar bahan radioaktif - kira-kira 40. Terdapat lebih banyak daripada mereka daripada terdapat tempat bebas dalam jadual berkala unsur antara bismut dan uranium. Sifat bahan-bahan ini telah menjadi kontroversi. Sesetengah penyelidik menganggapnya sebagai unsur kimia bebas, tetapi dalam kes ini persoalan penempatannya dalam jadual berkala ternyata tidak larut. Yang lain secara amnya menafikan mereka hak untuk dipanggil unsur dalam pengertian klasik. Pada tahun 1902, ahli fizik Inggeris D. Martin memanggil bahan tersebut sebagai unsur radio. Semasa mereka dikaji, menjadi jelas bahawa beberapa unsur radio mempunyai sifat kimia yang sama, tetapi berbeza dalam jisim atom. Keadaan ini bercanggah dengan peruntukan asas undang-undang berkala. Saintis Inggeris F. Soddy menyelesaikan percanggahan itu. Pada tahun 1913, beliau memanggil isotop radioelemen yang serupa secara kimia (daripada perkataan Yunani yang bermaksud "sama" dan "tempat"), iaitu, mereka menduduki tempat yang sama dalam jadual berkala. Unsur radio tersebut ternyata merupakan isotop unsur radioaktif semula jadi. Kesemuanya digabungkan menjadi tiga keluarga radioaktif, yang nenek moyangnya adalah isotop torium dan uranium.

Isotop oksigen. Isobar kalium dan argon (isobar ialah atom unsur yang berbeza dengan nombor jisim yang sama).

Bilangan isotop stabil untuk unsur genap dan ganjil.

Tidak lama kemudian menjadi jelas bahawa unsur kimia stabil lain juga mempunyai isotop. Kredit utama untuk penemuan mereka adalah milik ahli fizik Inggeris F. Aston. Dia menemui isotop stabil bagi banyak unsur.

Dari sudut pandangan moden, isotop ialah jenis atom unsur kimia: ia mempunyai jisim atom yang berbeza, tetapi cas nuklear yang sama.

Oleh itu, nukleus mereka mengandungi bilangan proton yang sama, tetapi bilangan neutron yang berbeza. Contohnya, isotop semula jadi oksigen dengan Z = 8 masing-masing mengandungi 8, 9 dan 10 neutron dalam nukleusnya. Jumlah bilangan proton dan neutron dalam nukleus isotop dipanggil nombor jisim A. Akibatnya, nombor jisim isotop oksigen yang ditunjukkan ialah 16, 17 dan 18. Pada masa kini, sebutan berikut untuk isotop diterima: nilai Z diberikan di bawah di sebelah kiri simbol unsur, nilai A diberikan di sebelah kiri atas. Contohnya: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Sejak penemuan fenomena radioaktiviti tiruan, kira-kira 1,800 isotop radioaktif tiruan telah dihasilkan menggunakan tindak balas nuklear untuk unsur dengan Z dari 1 hingga 110. Sebahagian besar radioisotop tiruan mempunyai separuh hayat yang sangat pendek, diukur dalam saat dan pecahan saat ; hanya sedikit yang mempunyai jangka hayat yang agak panjang (contohnya, 10 Be - 2.7 10 6 tahun, 26 Al - 8 10 5 tahun, dsb.).

Unsur stabil diwakili dalam alam semula jadi oleh kira-kira 280 isotop. Walau bagaimanapun, sebahagian daripada mereka ternyata radioaktif yang lemah, dengan separuh hayat yang besar (contohnya, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Jangka hayat isotop ini adalah terlalu lama sehingga boleh dianggap stabil.

Masih terdapat banyak cabaran dalam dunia isotop stabil. Oleh itu, tidak jelas mengapa bilangan mereka sangat berbeza antara unsur-unsur yang berbeza. Kira-kira 25% unsur stabil (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) terdapat dalam alam hanya satu jenis atom. Ini adalah apa yang dipanggil elemen tunggal. Adalah menarik bahawa kesemuanya (kecuali Be) mempunyai nilai Z ganjil. Secara amnya, untuk unsur ganjil bilangan isotop stabil tidak melebihi dua. Sebaliknya, beberapa unsur genap-Z terdiri daripada sejumlah besar isotop (contohnya, Xe mempunyai 9, Sn mempunyai 10 isotop stabil).

Set isotop stabil bagi unsur tertentu dipanggil galaksi. Kandungan mereka dalam galaksi sering berubah-ubah. Adalah menarik untuk diperhatikan bahawa kandungan tertinggi adalah isotop dengan nombor jisim yang merupakan gandaan empat (12 C, 16 O, 20 Ca, dsb.), walaupun terdapat pengecualian kepada peraturan ini.

Penemuan isotop stabil memungkinkan untuk menyelesaikan misteri jisim atom yang telah lama wujud - sisihan mereka daripada nombor bulat, dijelaskan oleh peratusan berbeza isotop unsur stabil dalam galaksi.

Dalam fizik nuklear konsep "isobar" diketahui. Isobar ialah isotop unsur yang berbeza (iaitu, dengan nilai Z yang berbeza) yang mempunyai nombor jisim yang sama. Kajian isobar menyumbang kepada pembentukan banyak corak penting dalam kelakuan dan sifat nukleus atom. Salah satu daripada corak ini dinyatakan oleh peraturan yang dirumuskan oleh ahli kimia Soviet S. A. Shchukarev dan ahli fizik Jerman I. Mattauch. Ia berkata: jika dua isobar berbeza dalam nilai Z sebanyak 1, maka salah satu daripadanya pasti akan menjadi radioaktif. Contoh klasik sepasang isobar ialah 40 18 Ar - 40 19 K. Di dalamnya, isotop kalium adalah radioaktif. Peraturan Shchukarev-Mattauch memungkinkan untuk menjelaskan mengapa tiada isotop stabil dalam unsur technetium (Z = 43) dan promethium (Z = 61). Oleh kerana mereka mempunyai nilai Z ganjil, lebih daripada dua isotop stabil tidak boleh dijangkakan untuk mereka. Tetapi ternyata isobar technetium dan promethium, masing-masing isotop molibdenum (Z = 42) dan ruthenium (Z = 44), neodymium (Z = 60) dan samarium (Z = 62), diwakili dalam alam semula jadi dengan stabil. jenis atom dalam pelbagai nombor jisim. Oleh itu, undang-undang fizik melarang kewujudan isotop stabil teknetium dan prometium. Inilah sebabnya mengapa unsur-unsur ini sebenarnya tidak wujud dalam alam semula jadi dan terpaksa disintesis secara buatan.

Para saintis telah lama mencuba untuk membangunkan sistem isotop berkala. Sudah tentu, ia berdasarkan prinsip yang berbeza daripada asas jadual berkala unsur. Tetapi percubaan ini masih belum membawa kepada hasil yang memuaskan. Benar, ahli fizik telah membuktikan bahawa urutan pengisian kulit proton dan neutron dalam nukleus atom, pada dasarnya, serupa dengan pembinaan kulit elektron dan subkulit dalam atom (lihat Atom).

Cangkang elektron isotop unsur tertentu dibina dengan cara yang sama. Oleh itu, sifat kimia dan fizikalnya hampir sama. Hanya isotop hidrogen (protium dan deuterium) dan sebatiannya mempamerkan perbezaan ketara dalam sifat. Sebagai contoh, air berat (D 2 O) membeku pada +3.8, mendidih pada 101.4 ° C, mempunyai ketumpatan 1.1059 g/cm 3, dan tidak menyokong kehidupan haiwan dan organisma tumbuhan. Semasa elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen, kebanyakan molekul H 2 0 terurai, manakala molekul air berat kekal dalam elektrolisis.

Mengasingkan isotop unsur lain adalah tugas yang amat sukar. Walau bagaimanapun, dalam banyak kes, isotop unsur individu dengan kelimpahan yang berubah dengan ketara berbanding dengan kelimpahan semula jadi diperlukan. Sebagai contoh, apabila menyelesaikan masalah tenaga atom, ia menjadi perlu untuk memisahkan isotop 235 U dan 238 U. Untuk tujuan ini, kaedah spektrometri jisim pertama kali digunakan, dengan bantuan yang mana kilogram pertama uranium-235 diperolehi. di Amerika Syarikat pada tahun 1944. Walau bagaimanapun, kaedah ini terbukti terlalu mahal dan telah digantikan dengan kaedah resapan gas, yang menggunakan UF 6. Kini terdapat beberapa kaedah untuk mengasingkan isotop, tetapi semuanya agak kompleks dan mahal. Namun masalah "membahagikan yang tidak dapat dipisahkan" sedang berjaya diselesaikan.

Satu disiplin saintifik baru telah muncul - kimia isotop. Dia mengkaji kelakuan pelbagai isotop unsur kimia dalam tindak balas kimia dan proses pertukaran isotop. Hasil daripada proses ini, isotop unsur tertentu diagihkan semula antara bahan yang bertindak balas. Berikut ialah contoh paling mudah: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (molekul air menukar atom protium dengan atom deuterium). Geokimia isotop juga sedang berkembang. Dia mengkaji variasi dalam komposisi isotop unsur-unsur berbeza dalam kerak bumi.

Yang paling banyak digunakan ialah atom berlabel yang dipanggil - isotop radioaktif tiruan unsur stabil atau isotop stabil. Dengan bantuan penunjuk isotop - atom berlabel - mereka mengkaji laluan pergerakan unsur dalam alam semula jadi tidak bernyawa dan hidup, sifat taburan bahan dan unsur dalam pelbagai objek. Isotop digunakan dalam teknologi nuklear: sebagai bahan untuk pembinaan reaktor nuklear; sebagai bahan api nuklear (isotop torium, uranium, plutonium); dalam pelakuran termonuklear (deuterium, 6 Li, 3 He). Isotop radioaktif juga digunakan secara meluas sebagai sumber sinaran.

Apabila mengkaji sifat unsur radioaktif, didapati bahawa unsur kimia yang sama boleh mengandungi atom dengan jisim nuklear yang berbeza. Pada masa yang sama, mereka mempunyai cas nuklear yang sama, iaitu, ini bukan kekotoran bahan asing, tetapi bahan yang sama.

Apakah isotop dan mengapa ia wujud?

Dalam jadual berkala Mendeleev, kedua-dua unsur ini dan atom bahan dengan jisim nuklear berbeza menduduki satu sel. Berdasarkan perkara di atas, jenis bahan yang sama diberi nama "isotop" (daripada isos Yunani - identik dan topos - tempat). Jadi, isotop- ini adalah jenis unsur kimia tertentu, berbeza dalam jisim nukleus atom.

Mengikut yang diterima model neutron-proton nukleus Adalah mungkin untuk menerangkan kewujudan isotop seperti berikut: nukleus beberapa atom sesuatu bahan mengandungi bilangan neutron yang berbeza, tetapi bilangan proton yang sama. Malah, cas nuklear isotop satu unsur adalah sama, oleh itu, bilangan proton dalam nukleus adalah sama. Nukleus berbeza dalam jisim; oleh itu, ia mengandungi bilangan neutron yang berbeza.

Isotop stabil dan tidak stabil

Isotop boleh menjadi stabil atau tidak stabil. Sehingga kini, kira-kira 270 isotop stabil dan lebih daripada 2000 isotop tidak stabil diketahui. Isotop stabil- Ini adalah jenis unsur kimia yang boleh wujud secara bebas untuk masa yang lama.

Kebanyakan daripada isotop tidak stabil diperoleh secara buatan. Isotop tidak stabil radioaktif, nukleus mereka tertakluk kepada proses pereputan radioaktif, iaitu, transformasi spontan kepada nukleus lain, disertai dengan pelepasan zarah dan/atau sinaran. Hampir semua isotop tiruan radioaktif mempunyai separuh hayat yang sangat pendek, diukur dalam saat atau bahkan pecahan saat.

Berapakah bilangan isotop yang boleh terkandung dalam nukleus?

Nukleus tidak boleh mengandungi bilangan neutron yang sewenang-wenangnya. Sehubungan itu, bilangan isotop adalah terhad. Bilangan proton genap unsur, bilangan isotop stabil boleh mencapai sepuluh. Sebagai contoh, timah mempunyai 10 isotop, xenon mempunyai 9, merkuri mempunyai 7, dan seterusnya.

unsur-unsur itu bilangan proton adalah ganjil, hanya boleh mempunyai dua isotop stabil. Sesetengah unsur hanya mempunyai satu isotop stabil. Ini adalah bahan seperti emas, aluminium, fosforus, natrium, mangan dan lain-lain. Variasi sedemikian dalam bilangan isotop stabil unsur berbeza dikaitkan dengan pergantungan kompleks bilangan proton dan neutron pada tenaga pengikat nukleus.

Hampir semua bahan di alam wujud dalam bentuk campuran isotop. Bilangan isotop dalam bahan bergantung pada jenis bahan, jisim atom dan bilangan isotop stabil bagi unsur kimia tertentu.

Ulangi perkara utama topik "Konsep asas kimia" dan selesaikan masalah yang dicadangkan. Gunakan No. 6-17.

Peruntukan asas

1. bahan(mudah dan kompleks) ialah sebarang koleksi atom dan molekul yang terletak dalam keadaan pengagregatan tertentu.

Transformasi bahan yang disertai dengan perubahan dalam komposisi dan (atau) strukturnya dipanggil tindak balas kimia .

2. Unit struktur bahan-bahan:

· Atom- zarah neutral elektrik terkecil bagi unsur kimia atau bahan ringkas, mempunyai semua sifat kimianya dan kemudiannya tidak boleh dibahagikan secara fizikal dan kimia.

· Molekul- zarah neutral elektrik terkecil sesuatu bahan, mempunyai semua sifat kimianya, tidak boleh dibahagikan secara fizikal, tetapi boleh dibahagikan secara kimia.

3. Unsur kimia - Ini adalah sejenis atom dengan cas nuklear tertentu.

4. Kompaun atom :

5. Kompaun nukleus atom :

Nukleus mengandungi zarah asas ( nukleon) –

proton(1 1 p ) dan neutron(1 0 n ).

· Kerana Hampir semua jisim atom tertumpu dalam nukleus dan m p ≈ m n≈ 1 amu, Itu nilai bulatA runsur kimia adalah sama dengan jumlah bilangan nukleon dalam nukleus.

7. Isotop- pelbagai atom unsur kimia yang sama, berbeza antara satu sama lain hanya dalam jisimnya.

· Notasi isotop: di sebelah kiri simbol unsur menunjukkan nombor jisim (atas) dan nombor atom unsur (bawah)

· Mengapakah isotop mempunyai jisim yang berbeza?

Tugasan: Tentukan komposisi atom isotop klorin: 35 17Cldan 37 17Cl?

· Isotop mempunyai jisim yang berbeza kerana bilangan neutron yang berbeza dalam nukleusnya.

8. Secara semula jadi, unsur kimia wujud dalam bentuk campuran isotop.

Komposisi isotop unsur kimia yang sama dinyatakan dalam pecahan atom(ω pada.), yang menunjukkan bahagian mana bilangan atom isotop tertentu membentuk jumlah bilangan atom semua isotop unsur tertentu, diambil sebagai satu atau 100%.

Sebagai contoh:

ω pada (35 17 Cl) = 0.754

ω pada (37 17 Cl) = 0.246

9. Jadual berkala menunjukkan nilai purata jisim atom relatif unsur kimia, dengan mengambil kira komposisi isotopnya. Oleh itu, Ar yang ditunjukkan dalam jadual adalah pecahan.

A rRabu= ω pada.(1) ∙ Ar (1) + … + ω pada.(n ) ∙ Ar ( n )

Sebagai contoh:

A rRabu(Cl) = 0.754 ∙ 35 + 0.246 ∙ 37 = 35.453

10. Masalah untuk diselesaikan:

No 1. Tentukan jisim atom relatif boron jika diketahui bahawa pecahan molar bagi isotop 10 B ialah 19.6%, dan isotop 11 B ialah 80.4%.

11. Jisim atom dan molekul adalah sangat kecil. Pada masa ini, sistem pengukuran bersatu telah diterima pakai dalam fizik dan kimia.

1 amu =m(a.m.) = 1/12 m(12 C) = 1.66057 ∙ 10 -27 kg = 1.66057 ∙ 10 -24 g.

Jisim mutlak beberapa atom:

m( C) =1.99268 ∙ 10 -23 g

m( H) =1.67375 ∙ 10 -24 g

m( O) =2.656812 ∙ 10 -23 g

A r– menunjukkan berapa kali atom tertentu lebih berat daripada 1/12 atom 12 C. Encik∙ 1.66 ∙ 10 -27 kg

13. Bilangan atom dan molekul dalam sampel biasa bahan adalah sangat besar, oleh itu, apabila mencirikan jumlah bahan, unit ukuran digunakan -tahi lalat .

· Tahi lalat (ν)– unit kuantiti bahan yang mengandungi bilangan zarah yang sama (molekul, atom, ion, elektron) seperti terdapat atom dalam 12 g isotop 12 C

· Jisim 1 atom 12 C adalah sama dengan 12 amu, jadi bilangan atom dalam 12 g isotop 12 C sama dengan:

N A= 12 g / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 g = 6.0221 ∙ 10 23

· Kuantiti fizikal N A dipanggil Pemalar Avogadro (Nombor Avogadro) dan mempunyai dimensi [N A] = mol -1.

14. Formula asas:

M = Encik = ρ ∙ V m(ρ – ketumpatan; V m – isipadu pada tahap sifar)

Masalah untuk diselesaikan secara bebas

No 1. Kira bilangan atom nitrogen dalam 100 g ammonium karbonat yang mengandungi 10% bendasing bukan nitrogen.

No 2. Dalam keadaan biasa, 12 liter campuran gas yang terdiri daripada ammonia dan karbon dioksida mempunyai jisim 18 g. Berapa liter bagi setiap gas yang mengandungi campuran itu?

No 3. Apabila terdedah kepada asid hidroklorik berlebihan, 8.24 g campuran mangan oksida (IV) dengan oksida MO 2 yang tidak diketahui, yang tidak bertindak balas dengan asid hidroklorik, 1.344 liter gas diperoleh pada keadaan ambien. Dalam eksperimen lain, telah ditetapkan bahawa nisbah molar oksida mangan (IV) kepada oksida yang tidak diketahui ialah 3:1. Tentukan formula oksida yang tidak diketahui dan hitung pecahan jisimnya dalam campuran.