Isotoper har forskjellig antall ting. Hva er isotoper i kjemi? Definisjon, struktur

Det har blitt fastslått at hvert kjemisk element som finnes i naturen er en blanding av isotoper (derav har de atommasser). For å forstå hvordan isotoper skiller seg fra hverandre, er det nødvendig å vurdere i detalj strukturen til atomet. Et atom danner en kjerne og en elektronsky. Massen til et atom påvirkes av elektroner som beveger seg med forbløffende hastigheter gjennom orbitaler i elektronskyen, nøytroner og protoner som utgjør kjernen.

Hva er isotoper

Isotoper er en type atom i et kjemisk grunnstoff. Det er alltid like mange elektroner og protoner i et atom. Siden de har motsatte ladninger (elektroner er negative, og protoner er positive), er atomet alltid nøytralt (denne elementærpartikkelen har ingen ladning, den er null). Når et elektron går tapt eller fanges opp, mister et atom nøytralitet, og blir enten et negativt eller et positivt ion.
Nøytroner har ingen ladning, men antallet i atomkjernen til samme grunnstoff kan variere. Dette påvirker ikke på noen måte nøytraliteten til atomet, men det påvirker dets masse og egenskaper. For eksempel inneholder enhver isotop av et hydrogenatom ett elektron og ett proton. Men antallet nøytroner er annerledes. Protium har bare 1 nøytron, deuterium har 2 nøytroner og tritium har 3 nøytroner. Disse tre isotopene skiller seg markant fra hverandre i egenskaper.

Sammenligning av isotoper

Hvordan er isotoper forskjellige? De har ulikt antall nøytroner, ulik masse og ulik egenskaper. Isotoper har identiske strukturer av elektronskall. Dette betyr at de er ganske like i kjemiske egenskaper. Derfor får de én plass i det periodiske systemet.
Stabile og radioaktive (ustabile) isotoper er funnet i naturen. Atomkjernene til radioaktive isotoper er i stand til spontant å forvandle seg til andre kjerner. Under prosessen med radioaktivt forfall sender de ut ulike partikler.
De fleste grunnstoffene har over to dusin radioaktive isotoper. I tillegg syntetiseres radioaktive isotoper kunstig for absolutt alle grunnstoffer. I en naturlig blanding av isotoper varierer innholdet litt.
Eksistensen av isotoper gjorde det mulig å forstå hvorfor grunnstoffer med lavere atommasse i noen tilfeller har høyere atomnummer enn grunnstoffer med høyere atommasse. For eksempel, i argon-kalium-paret, inkluderer argon tunge isotoper, og kalium inneholder lette isotoper. Derfor er massen av argon større enn den til kalium.

ImGist bestemte at forskjellene mellom isotoper er som følger:

De har forskjellig antall nøytroner.
Isotoper har forskjellige atommasser.
Verdien av massen av ioneatomer påvirker deres totale energi og egenskaper.

Studerer fenomenet radioaktivitet, forskere i det første tiåret av det 20. århundre. oppdaget et stort antall radioaktive stoffer - rundt 40. Det var betydelig flere av dem enn det var ledige plasser i det periodiske systemet over grunnstoffer mellom vismut og uran. Naturen til disse stoffene har vært kontroversiell. Noen forskere anså dem for å være uavhengige kjemiske elementer, men i dette tilfellet viste spørsmålet om deres plassering i det periodiske systemet seg å være uløselig. Andre nektet dem generelt retten til å bli kalt elementer i klassisk forstand. I 1902 kalte den engelske fysikeren D. Martin slike stoffer for radioelementer. Etter hvert som de ble studert, ble det klart at noen radioelementer har nøyaktig de samme kjemiske egenskapene, men er forskjellige i atommasser. Denne omstendigheten var i strid med de grunnleggende bestemmelsene i den periodiske loven. Den engelske vitenskapsmannen F. Soddy løste motsigelsen. I 1913 kalte han kjemisk lignende radioelementer isotoper (fra greske ord som betyr "samme" og "sted"), det vil si at de opptar samme plass i det periodiske systemet. Radioelementene viste seg å være isotoper av naturlige radioaktive elementer. Alle er kombinert i tre radioaktive familier, hvis forfedre er isotoper av thorium og uran.

Isotoper av oksygen. Isobarer av kalium og argon (isobarer er atomer av forskjellige grunnstoffer med samme massetall).

Antall stabile isotoper for partall og oddetall.

Det ble snart klart at andre stabile kjemiske grunnstoffer også har isotoper. Hovedæren for oppdagelsen deres tilhører den engelske fysikeren F. Aston. Han oppdaget stabile isotoper av mange grunnstoffer.

Fra et moderne synspunkt er isotoper varianter av atomer av et kjemisk element: de har forskjellige atommasser, men samme kjerneladning.

Kjernene deres inneholder altså samme antall protoner, men forskjellig antall nøytroner. For eksempel inneholder naturlige isotoper av oksygen med Z = 8 henholdsvis 8, 9 og 10 nøytroner i kjernene. Summen av antall protoner og nøytroner i kjernen til en isotop kalles massetallet A. Følgelig er massetallene til de indikerte oksygenisotopene 16, 17 og 18. I dag er følgende betegnelse for isotoper akseptert: verdien Z er gitt under til venstre for elementsymbolet, verdien A er gitt øverst til venstre. For eksempel: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Siden oppdagelsen av fenomenet kunstig radioaktivitet er det produsert omtrent 1800 kunstige radioaktive isotoper ved bruk av kjernereaksjoner for grunnstoffer med Z fra 1 til 110. De aller fleste kunstige radioisotoper har svært korte halveringstider, målt i sekunder og brøkdeler av sekunder ; bare noen få har relativt lang forventet levealder (for eksempel 10 Be - 2,7 10 6 år, 26 Al - 8 10 5 år osv.).

Stabile elementer er representert i naturen med omtrent 280 isotoper. Noen av dem viste seg imidlertid å være svakt radioaktive, med enorme halveringstider (for eksempel 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Levetiden til disse isotopene er så lang at de kan anses som stabile.

Det er fortsatt mange utfordringer i verden av stabile isotoper. Derfor er det uklart hvorfor antallet varierer så mye mellom ulike elementer. Omtrent 25 % av stabile elementer (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) er tilstede i natur bare én type atom. Dette er de såkalte enkeltelementene. Det er interessant at alle (unntatt Be) har odde Z-verdier. Generelt, for odde elementer overstiger ikke antallet stabile isotoper to. I motsetning til dette består noen jevn-Z-elementer av et stort antall isotoper (for eksempel har Xe 9, Sn har 10 stabile isotoper).

Settet med stabile isotoper av et gitt grunnstoff kalles en galakse. Innholdet deres i galaksen svinger ofte sterkt. Det er interessant å merke seg at det høyeste innholdet er av isotoper med massetall som er multipler av fire (12 C, 16 O, 20 Ca, etc.), selv om det er unntak fra denne regelen.

Oppdagelsen av stabile isotoper gjorde det mulig å løse det langvarige mysteriet med atommasser - deres avvik fra hele tall, forklart av de forskjellige prosentene av stabile isotoper av grunnstoffer i galaksen.

I kjernefysikk er konseptet "isobarer" kjent. Isobarer er isotoper av forskjellige grunnstoffer (det vil si med forskjellige Z-verdier) som har samme massetall. Studiet av isobarer bidro til etableringen av mange viktige mønstre i oppførselen og egenskapene til atomkjerner. Et av disse mønstrene er uttrykt av regelen formulert av den sovjetiske kjemikeren S. A. Shchukarev og den tyske fysikeren I. Mattauch. Den sier: hvis to isobarer avviker i Z-verdier med 1, vil en av dem definitivt være radioaktiv. Et klassisk eksempel på et par isobarer er 40 18 Ar - 40 19 K. I den er kaliumisotopen radioaktiv. Shchukarev-Mattauch-regelen gjorde det mulig å forklare hvorfor det ikke er stabile isotoper i grunnstoffene technetium (Z = 43) og promethium (Z = 61). Siden de har odde Z-verdier, kunne ikke mer enn to stabile isotoper forventes for dem. Men det viste seg at isobarene av technetium og promethium, henholdsvis isotopene av molybden (Z = 42) og rutenium (Z = 44), neodym (Z = 60) og samarium (Z = 62), er representert i naturen med stabile varianter av atomer i et bredt spekter av massetall. Dermed forbyr fysiske lover eksistensen av stabile isotoper av technetium og promethium. Dette er grunnen til at disse elementene faktisk ikke eksisterer i naturen og måtte syntetiseres kunstig.

Forskere har lenge prøvd å utvikle et periodisk system av isotoper. Selvfølgelig er det basert på andre prinsipper enn grunnlaget for det periodiske system av grunnstoffer. Men disse forsøkene har ennå ikke ført til tilfredsstillende resultater. Riktignok har fysikere bevist at sekvensen for å fylle proton- og nøytronskall i atomkjerner er i prinsippet lik konstruksjonen av elektronskall og underskall i atomer (se Atom).

Elektronskallene til isotoper av et gitt grunnstoff er konstruert på nøyaktig samme måte. Derfor er deres kjemiske og fysiske egenskaper nesten identiske. Bare hydrogenisotoper (protium og deuterium) og deres forbindelser viser merkbare forskjeller i egenskaper. For eksempel fryser tungtvann (D 2 O) ved +3,8, koker ved 101,4 ° C, har en tetthet på 1,1059 g/cm 3, og støtter ikke livet til dyr og planteorganismer. Under elektrolysen av vann til hydrogen og oksygen spaltes hovedsakelig H 2 0-molekyler, mens tungtvannsmolekyler forblir i elektrolysatoren.

Å skille isotoper av andre elementer er en ekstremt vanskelig oppgave. Imidlertid er det i mange tilfeller nødvendig med isotoper av individuelle elementer med betydelig endret forekomst sammenlignet med naturlig forekomst. For eksempel, når man løste problemet med atomenergi, ble det nødvendig å skille isotopene 235 U og 238 U. For dette formålet ble massespektrometrimetoden først brukt, ved hjelp av hvilken de første kilogram uran-235 ble oppnådd i USA i 1944. Denne metoden viste seg imidlertid å være for dyr og ble erstattet av gassdiffusjonsmetoden, som brukte UF 6. Det finnes nå flere metoder for å skille isotoper, men de er alle ganske komplekse og dyre. Og likevel blir problemet med å "dele det uatskillelige" løst.

En ny vitenskapelig disiplin har dukket opp - isotopkjemi. Hun studerer oppførselen til ulike isotoper av kjemiske elementer i kjemiske reaksjoner og isotoputvekslingsprosesser. Som et resultat av disse prosessene blir isotopene til et gitt grunnstoff omfordelt mellom de reagerende stoffene. Her er det enkleste eksemplet: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (et vannmolekyl bytter ut et protiumatom med et deuteriumatom). Geokjemien til isotoper er også i utvikling. Hun studerer variasjoner i isotopsammensetningen til ulike grunnstoffer i jordskorpen.

De mest brukte er såkalte merkede atomer – kunstige radioaktive isotoper av stabile grunnstoffer eller stabile isotoper. Ved hjelp av isotopiske indikatorer - merkede atomer - studerer de bevegelsesveiene til elementer i livløs og levende natur, arten av fordelingen av stoffer og elementer i forskjellige gjenstander. Isotoper brukes i kjernefysisk teknologi: som materialer for konstruksjon av atomreaktorer; som kjernebrensel (isotoper av thorium, uran, plutonium); i termonukleær fusjon (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktive isotoper er også mye brukt som strålingskilder.

Da man studerte egenskapene til radioaktive grunnstoffer, ble det oppdaget at det samme kjemiske elementet kan inneholde atomer med forskjellige kjernemasser. Samtidig har de samme atomladning, det vil si at dette ikke er urenheter av fremmede stoffer, men det samme stoffet.

Hva er isotoper og hvorfor eksisterer de?

I Mendeleevs periodiske system okkuperer både dette elementet og atomene til et stoff med forskjellige kjernemasser én celle. Basert på ovenstående ble slike varianter av samme stoff gitt navnet "isotoper" (fra gresk isos - identisk og topos - sted). Så, isotoper- dette er varianter av et gitt kjemisk grunnstoff, som varierer i massen av atomkjerner.

I følge det aksepterte nøytron-proton modell av kjernen Det var mulig å forklare eksistensen av isotoper på følgende måte: Kjernene til noen atomer av et stoff inneholder forskjellig antall nøytroner, men samme antall protoner. Faktisk er kjerneladningen til isotoper av ett element den samme, derfor er antallet protoner i kjernen det samme. Kjerner er forskjellige i masse; følgelig inneholder de forskjellig antall nøytroner.

Stabile og ustabile isotoper

Isotoper kan være stabile eller ustabile. Til dags dato er rundt 270 stabile isotoper og mer enn 2000 ustabile kjent. Stabile isotoper– Dette er varianter av kjemiske grunnstoffer som kan eksistere uavhengig i lang tid.

Mest av ustabile isotoper ble oppnådd kunstig. Ustabile isotoper radioaktive, deres kjerner er gjenstand for prosessen med radioaktivt forfall, det vil si spontan transformasjon til andre kjerner, ledsaget av utslipp av partikler og/eller stråling. Nesten alle radioaktive kunstige isotoper har svært korte halveringstider, målt i sekunder eller til og med brøkdeler av sekunder.

Hvor mange isotoper kan en kjerne inneholde?

Kjernen kan ikke inneholde et vilkårlig antall nøytroner. Følgelig er antallet isotoper begrenset. Jevnt antall protoner grunnstoffer, kan antallet stabile isotoper nå ti. For eksempel har tinn 10 isotoper, xenon har 9, kvikksølv har 7, og så videre.

De elementene antall protoner er oddetall, kan bare ha to stabile isotoper. Noen grunnstoffer har bare én stabil isotop. Dette er stoffer som gull, aluminium, fosfor, natrium, mangan og andre. Slike variasjoner i antall stabile isotoper av forskjellige elementer er assosiert med den komplekse avhengigheten av antall protoner og nøytroner på bindingsenergien til kjernen.

Nesten alle stoffer i naturen eksisterer i form av en blanding av isotoper. Antall isotoper i et stoff avhenger av type stoff, atommasse og antall stabile isotoper av et gitt kjemisk grunnstoff.

Gjenta hovedpunktene i emnet "Grunnleggende begreper om kjemi" og løs de foreslåtte problemene. Bruk nr. 6-17.

Grunnleggende bestemmelser

1. Substans(enkel og kompleks) er enhver samling av atomer og molekyler som befinner seg i en viss aggregeringstilstand.

Transformasjoner av stoffer ledsaget av endringer i deres sammensetning og (eller) struktur kalles kjemiske reaksjoner .

2. Strukturelle enheter stoffer:

· Atom- den minste elektrisk nøytrale partikkelen av et kjemisk grunnstoff eller enkelt stoff, som har alle sine kjemiske egenskaper og deretter fysisk og kjemisk udelelig.

· Molekyl- den minste elektrisk nøytrale partikkelen av et stoff, som har alle dets kjemiske egenskaper, fysisk udelelige, men kjemisk delbare.

3. Kjemisk element – Dette er en type atom med en viss kjerneladning.

4. Sammensatt atom :

5. Sammensatt atomkjernen :

Kjernen inneholder elementære partikler ( nukleoner) –

protoner(1 1 p ) og nøytroner(10 n).

· Fordi Nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen og m p ≈ m n≈ 1 amu, Det avrundet verdiA rav et kjemisk grunnstoff er lik det totale antallet nukleoner i kjernen.

7. Isotoper- en rekke atomer av samme kjemiske element, som bare skiller seg fra hverandre i deres masse.

· Isotopnotasjon: til venstre for elementsymbolet angir massenummeret (øverst) og atomnummeret til elementet (nederst)

· Hvorfor har isotoper ulik masse?

Oppgave: Bestem atomsammensetningen til klorisotoper: 35 17Clog 37 17Cl?

· Isotoper har ulik masse på grunn av ulikt antall nøytroner i kjernene deres.

8. I naturen eksisterer kjemiske elementer i form av blandinger av isotoper.

Den isotopiske sammensetningen av det samme kjemiske elementet uttrykkes i atomfraksjoner(ω at.), som indikerer hvilken del antall atomer til en gitt isotop utgjør av det totale antallet atomer av alle isotoper av et gitt grunnstoff, tatt som én eller 100 %.

For eksempel:

ω ved (35 17 Cl) = 0,754

ω ved (37 17 Cl) = 0,246

9. Det periodiske systemet viser gjennomsnittsverdiene av de relative atommassene til kjemiske elementer, tatt i betraktning deres isotopiske sammensetning. Derfor er Ar angitt i tabellen brøkdeler.

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 å løse:

nr. 1. Bestem den relative atommassen til bor hvis det er kjent at molfraksjonen av 10 B isotopen er 19,6 %, og 11 B isotopen er 80,4 %.

11. Massene av atomer og molekyler er svært små. For tiden har et enhetlig målesystem blitt tatt i bruk i fysikk og kjemi.

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

Absolutte masser av noen 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 ganger et gitt atom er tyngre enn 1/12 av et 12 C-atom. MR∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Antall atomer og molekyler i vanlige prøver av stoffer er veldig stort, derfor, når man karakteriserer mengden av et stoff, brukes måleenheten -muldvarp .

· Føflekk (ν)– en mengdeenhet av et stoff som inneholder samme antall partikler (molekyler, atomer, ioner, elektroner) som det er atomer i 12 g isotop 12 C

· Masse av 1 atom 12 C er lik 12 amu, så antall atomer i 12 g isotop 12 C er lik:

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

· Fysisk mengde N A kalt Avogadros konstant (Avogadros tall) og har dimensjonen [NA] = mol -1.

14. Grunnleggende formler:

M = MR = ρ ∙ Vm(ρ – tetthet; V m – volum på nullnivå)

Problemer å løse selvstendig

nr. 1. Beregn antall nitrogenatomer i 100 g ammoniumkarbonat som inneholder 10 % ikke-nitrogenforurensninger.

nr. 2. Under normale forhold har 12 liter av en gassblanding bestående av ammoniakk og karbondioksid en masse på 18 g. Hvor mange liter av hver gass inneholder blandingen?

nr. 3. Ved eksponering for overflødig saltsyre, 8,24 g av en blanding av manganoksid (IV) med det ukjente oksidet MO 2, som ikke reagerer med saltsyre, ble det oppnådd 1,344 liter gass ved omgivelsesbetingelser. I et annet eksperiment ble det fastslått at molforholdet mellom manganoksid (IV) til det ukjente oksidet er 3:1. Bestem formelen til det ukjente oksidet og beregn massefraksjonen i blandingen.