İzotopların farklı sayıda şeyleri vardır. Kimyada izotoplar nelerdir? Tanım, yapı

Doğada bulunan her kimyasal elementin izotopların bir karışımı olduğu (dolayısıyla fraksiyonel atom kütlelerine sahip oldukları) tespit edilmiştir. İzotopların birbirinden nasıl farklı olduğunu anlamak için atomun yapısını ayrıntılı olarak düşünmek gerekir. Bir atom bir çekirdek ve bir elektron bulutu oluşturur. Bir atomun kütlesi, elektron bulutundaki yörüngeler boyunca baş döndürücü hızlarda hareket eden elektronlardan, çekirdeği oluşturan nötronlardan ve protonlardan etkilenir.

İzotoplar nelerdir

İzotoplar bir kimyasal elementin atom türüdür. Herhangi bir atomda her zaman eşit sayıda elektron ve proton bulunur. Zıt yüklere sahip oldukları için (elektronlar negatif ve protonlar pozitiftir), atom her zaman nötrdür (bu temel parçacık yük taşımaz, sıfırdır). Bir elektron kaybolduğunda veya yakalandığında, atom nötrlüğünü kaybederek negatif veya pozitif iyon haline gelir.
Nötronların yükü yoktur ancak aynı elementin atom çekirdeğindeki sayıları değişebilir. Bu hiçbir şekilde atomun nötrlüğünü etkilemez ancak kütlesini ve özelliklerini etkiler. Örneğin, bir hidrojen atomunun herhangi bir izotopu bir elektron ve bir proton içerir. Ancak nötron sayısı farklıdır. Protyumda yalnızca 1 nötron, döteryumda 2 nötron ve trityumda 3 nötron bulunur. Bu üç izotop, özellikleri bakımından birbirinden önemli ölçüde farklıdır.

İzotopların karşılaştırılması

İzotoplar nasıl farklıdır? Farklı sayıda nötronları, farklı kütleleri ve farklı özellikleri vardır. İzotoplar, elektron kabuklarının aynı yapılarına sahiptir. Bu, kimyasal özellikler açısından oldukça benzer oldukları anlamına gelir. Bu nedenle periyodik tabloda onlara bir yer verilir.
Doğada kararlı ve radyoaktif (kararsız) izotoplar bulunmuştur. Radyoaktif izotop atomlarının çekirdekleri kendiliğinden diğer çekirdeklere dönüşme yeteneğine sahiptir. Radyoaktif bozunma sürecinde çeşitli parçacıklar yayarlar.
Çoğu elementin iki düzineden fazla radyoaktif izotopu vardır. Ek olarak, radyoaktif izotoplar kesinlikle tüm elementler için yapay olarak sentezlenir. Doğal bir izotop karışımında içerikleri biraz değişir.
İzotopların varlığı, bazı durumlarda daha düşük atom kütlesine sahip elementlerin neden daha yüksek atom kütlesine sahip elementlerden daha yüksek atom numarasına sahip olduğunu anlamayı mümkün kıldı. Örneğin argon-potasyum çiftinde argon ağır izotopları, potasyum ise hafif izotopları içerir. Bu nedenle argonun kütlesi potasyumunkinden daha büyüktür.

ImGist, izotoplar arasındaki farkların şu şekilde olduğunu belirledi:

Farklı sayıda nötronları vardır.
İzotoplar farklı atom kütlelerine sahiptir.
İyon atomlarının kütlesinin değeri, toplam enerjilerini ve özelliklerini etkiler.

20. yüzyılın ilk on yılında radyoaktivite olgusunu inceleyen bilim adamları. çok sayıda radyoaktif madde keşfetti - yaklaşık 40. Bizmut ve uranyum arasındaki elementlerin periyodik tablosunda boş yerlerden çok daha fazlası vardı. Bu maddelerin doğası tartışmalıdır. Bazı araştırmacılar bunların bağımsız kimyasal elementler olduğunu düşünüyorlardı, ancak bu durumda bunların periyodik tabloya yerleştirilmesi sorununun çözümsüz olduğu ortaya çıktı. Diğerleri genellikle onların klasik anlamda element olarak adlandırılma hakkını reddetti. 1902'de İngiliz fizikçi D. Martin bu tür maddelere radyoelementler adını verdi. Bunlar incelendikçe, bazı radyoelementlerin tamamen aynı kimyasal özelliklere sahip olduğu ancak atom kütlelerinin farklı olduğu ortaya çıktı. Bu durum periyodik kanunun temel hükümlerine aykırıydı. İngiliz bilim adamı F. Soddy bu çelişkiyi çözdü. 1913'te kimyasal olarak benzer radyoelementleri izotoplar olarak adlandırdı (Yunanca "aynı" ve "yer" anlamına gelen kelimelerden), yani periyodik tabloda aynı yeri işgal ediyorlar. Radyoelementlerin doğal radyoaktif elementlerin izotopları olduğu ortaya çıktı. Hepsi, ataları toryum ve uranyum izotopları olan üç radyoaktif ailede birleştirilmiştir.

Oksijen izotopları. Potasyum ve argonun izobarları (izobarlar, aynı kütle numarasına sahip farklı elementlerin atomlarıdır).

Çift ve tek elementler için kararlı izotopların sayısı.

Kısa sürede diğer kararlı kimyasal elementlerin de izotoplara sahip olduğu anlaşıldı. Keşiflerinin ana kredisi İngiliz fizikçi F. Aston'a aittir. Birçok elementin kararlı izotoplarını keşfetti.

Modern bakış açısına göre izotoplar, bir kimyasal elementin atom çeşitleridir: farklı atom kütlelerine sahiptirler ancak aynı nükleer yüke sahiptirler.

Dolayısıyla çekirdekleri aynı sayıda proton, ancak farklı sayıda nötron içerir. Örneğin Z = 8 olan oksijenin doğal izotopları çekirdeklerinde sırasıyla 8, 9 ve 10 nötron içerir. Bir izotopun çekirdeğindeki proton ve nötron sayılarının toplamına kütle numarası A denir. Sonuç olarak, belirtilen oksijen izotoplarının kütle numaraları 16, 17 ve 18'dir. Günümüzde izotoplar için aşağıdaki tanımlama kabul edilmektedir: Eleman sembolünün solunda aşağıda Z değeri, sol üst kısmında A değeri verilmiştir.Örneğin: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Yapay radyoaktivite olgusunun keşfinden bu yana, Z'si 1'den 110'a kadar olan elementler için nükleer reaksiyonlar kullanılarak yaklaşık 1.800 yapay radyoaktif izotop üretildi. Yapay radyoizotopların büyük çoğunluğunun, saniyeler ve saniyelerin kesirleri cinsinden ölçülen çok kısa yarı ömürleri vardır. ; yalnızca birkaçının nispeten uzun yaşam beklentisi vardır (örneğin, 10 Be - 2,7 10 6 yıl, 26 Al - 8 10 5 yıl, vb.).

Kararlı elementler doğada yaklaşık 280 izotopla temsil edilir. Bununla birlikte, bazılarının büyük yarı ömürlere sahip, zayıf derecede radyoaktif olduğu ortaya çıktı (örneğin, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Bu izotopların ömrü o kadar uzundur ki kararlı kabul edilebilirler.

Kararlı izotoplar dünyasında hala birçok zorluk var. Bu nedenle, sayılarının farklı unsurlar arasında neden bu kadar büyük ölçüde değiştiği açık değildir. Kararlı elementlerin (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) yaklaşık %25'i mevcuttur. Doğada tek tür atom vardır. Bunlar sözde tekil unsurlardır. İlginçtir ki (Be hariç) hepsinin tek Z değerleri vardır.Genel olarak tek elementler için kararlı izotop sayısı ikiyi geçmez. Buna karşılık, bazı çift-Z elementleri çok sayıda izotoptan oluşur (örneğin, Xe'nin 9, Sn'nin 10 kararlı izotopu vardır).

Belirli bir elementin kararlı izotopları kümesine galaksi denir. Galaksideki içerikleri sıklıkla büyük ölçüde dalgalanır. Bu kuralın istisnaları olmasına rağmen, en yüksek içeriğin kütle numaraları dördün katları olan izotoplardan (12 C, 16 O, 20 Ca, vb.) oluşması ilginçtir.

Kararlı izotopların keşfi, atom kütlelerinin uzun süredir devam eden gizemini çözmeyi mümkün kıldı; galaksideki elementlerin kararlı izotoplarının farklı yüzdeleriyle açıklanan tam sayılardan sapmaları.

Nükleer fizikte “izobar” kavramı bilinmektedir. İzobarlar, aynı kütle numaralarına sahip farklı elementlerin (yani farklı Z değerlerine sahip) izotoplarıdır. İzobarların incelenmesi, atom çekirdeğinin davranışı ve özelliklerinde birçok önemli modelin oluşturulmasına katkıda bulunmuştur. Bu modellerden biri, Sovyet kimyager S. A. Shchukarev ve Alman fizikçi I. Mattauch tarafından formüle edilen kuralla ifade edilmektedir. Diyor ki: Eğer iki izobar Z değerlerinde 1 farklılık gösterirse, bunlardan biri kesinlikle radyoaktif olacaktır. Bir çift izobarın klasik bir örneği 40 18 Ar - 40 19 K'dır. İçinde potasyum izotopu radyoaktiftir. Shchukarev-Mattauch kuralı, teknesyum (Z = 43) ve prometyum (Z = 61) elementlerinde neden kararlı izotopların bulunmadığını açıklamayı mümkün kıldı. Tek Z değerlerine sahip oldukları için ikiden fazla kararlı izotop beklenemez. Ancak teknetyum ve prometyum izobarlarının, sırasıyla molibden (Z = 42) ve rutenyum (Z = 44), neodim (Z = 60) ve samaryum (Z = 62) izotoplarının doğada kararlı olarak temsil edildiği ortaya çıktı. geniş bir kütle numarası aralığındaki atom çeşitleri. Bu nedenle, fiziksel yasalar teknetyum ve prometyumun kararlı izotoplarının varlığını yasaklar. Bu nedenle bu elementler aslında doğada bulunmuyor ve yapay olarak sentezlenmek zorunda kalıyordu.

Bilim adamları uzun zamandır periyodik bir izotop sistemi geliştirmeye çalışıyorlar. Elbette elementlerin periyodik tablosunun temelinden farklı ilkelere dayanmaktadır. Ancak bu girişimler henüz tatmin edici sonuçlara yol açmadı. Doğru, fizikçiler atom çekirdeğindeki proton ve nötron kabuklarını doldurma sırasının prensipte atomlardaki elektron kabuklarının ve alt kabuklarının yapımına benzer olduğunu kanıtladılar (bkz. Atom).

Belirli bir elementin izotoplarının elektron kabukları tamamen aynı şekilde yapılmıştır. Bu nedenle kimyasal ve fiziksel özellikleri hemen hemen aynıdır. Yalnızca hidrojen izotopları (protium ve döteryum) ve bunların bileşikleri, özelliklerde gözle görülür farklılıklar gösterir. Örneğin ağır su (D 2 O) +3,8'de donar, 101,4 °C'de kaynar, yoğunluğu 1,1059 g/cm3 olup hayvan ve bitki organizmalarının yaşamını desteklemez. Suyun hidrojen ve oksijene elektrolizi sırasında ağırlıklı olarak H 2 0 molekülleri ayrışır, ağır su molekülleri ise elektrolizörde kalır.

Diğer elementlerin izotoplarını ayırmak son derece zor bir iştir. Bununla birlikte, birçok durumda, doğal bolluğa kıyasla önemli ölçüde değişen bolluklara sahip bireysel elementlerin izotopları gereklidir. Örneğin atom enerjisi problemini çözerken 235 U ve 238 U izotoplarını ayırmak gerekli hale geldi. Bu amaçla ilk olarak kütle spektrometri yöntemi kullanıldı ve bunun yardımıyla ilk kilogram uranyum-235 elde edildi. 1944'te ABD'de. Ancak bu yöntemin çok pahalı olduğu ortaya çıktı ve yerini UF 6'nın kullanıldığı gaz difüzyon yöntemi aldı. Artık izotopları ayırmak için çeşitli yöntemler var, ancak bunların hepsi oldukça karmaşık ve pahalı. Yine de "ayrılmaz olanı bölme" sorunu başarıyla çözülüyor.

Yeni bir bilimsel disiplin ortaya çıktı: izotop kimyası. Kimyasal reaksiyonlarda ve izotop değişim süreçlerinde kimyasal elementlerin çeşitli izotoplarının davranışlarını inceliyor. Bu işlemlerin bir sonucu olarak, belirli bir elementin izotopları reaksiyona giren maddeler arasında yeniden dağıtılır. İşte en basit örnek: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (bir su molekülü, bir protium atomunu bir döteryum atomuyla değiştirir). İzotopların jeokimyası da gelişiyor. Yerkabuğundaki farklı elementlerin izotopik bileşimindeki varyasyonları inceliyor.

En yaygın olarak kullanılanlar, etiketli atomlar olarak adlandırılan, kararlı elementlerin veya kararlı izotopların yapay radyoaktif izotoplarıdır. İzotopik göstergelerin - etiketli atomların yardımıyla - cansız ve canlı doğadaki elementlerin hareket yollarını, maddelerin ve elementlerin çeşitli nesnelerdeki dağılımının doğasını incelerler. İzotoplar nükleer teknolojide kullanılmaktadır: nükleer reaktörlerin inşasında malzeme olarak; nükleer yakıt olarak (toryum, uranyum, plütonyum izotopları); termonükleer füzyonda (döteryum, 6 Li, 3 He). Radyoaktif izotoplar da radyasyon kaynağı olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır.

Radyoaktif elementlerin özellikleri incelenirken aynı kimyasal elementin farklı nükleer kütlelere sahip atomlar içerebileceği keşfedildi. Aynı zamanda aynı nükleer yüke sahiptirler, yani bunlar yabancı maddelerin safsızlıkları değil, aynı maddedir.

İzotoplar nelerdir ve neden varlar?

Mendeleev'in periyodik tablosunda hem bu element hem de farklı nükleer kütlelere sahip bir maddenin atomları bir hücrede yer alır. Yukarıdakilere dayanarak, aynı maddenin bu tür çeşitlerine “izotoplar” adı verilmiştir (Yunanca izoslardan - özdeş ve topos - yerden). Bu yüzden, izotoplar- bunlar belirli bir kimyasal elementin atom çekirdeklerinin kütlesinde farklılık gösteren çeşitleridir.

Kabul edilene göre çekirdeğin nötron-proton modeliİzotopların varlığını şu şekilde açıklamak mümkündü: Bir maddenin bazı atomlarının çekirdekleri farklı sayıda nötron, ancak aynı sayıda proton içerir. Aslında bir elementin izotoplarının nükleer yükü aynıdır, dolayısıyla çekirdekteki proton sayısı aynıdır. Çekirdeklerin kütleleri farklıdır ve buna göre farklı sayıda nötron içerirler.

Kararlı ve kararsız izotoplar

İzotoplar kararlı veya kararsız olabilir. Bugüne kadar yaklaşık 270 kararlı izotop ve 2000'den fazla kararsız izotop bilinmektedir. Kararlı izotoplar- Bunlar, uzun süre bağımsız olarak var olabilen kimyasal element çeşitleridir.

Çoğu kararsız izotoplar yapay olarak elde edilmiştir. Kararsız izotoplar radyoaktifçekirdekleri radyoaktif bozunma sürecine, yani parçacık emisyonu ve/veya radyasyonun eşlik ettiği diğer çekirdeklere kendiliğinden dönüşüme tabidir. Hemen hemen tüm radyoaktif yapay izotopların yarı ömürleri saniyeler hatta saniyelerin kesirleri ile ölçülen çok kısadır.

Bir çekirdek kaç tane izotop içerebilir?

Çekirdek keyfi sayıda nötron içeremez. Buna göre izotop sayısı sınırlıdır. Çift sayıda proton elementlerin kararlı izotoplarının sayısı ona ulaşabilir. Örneğin kalayın 10 izotopu, ksenonun 9 izotopu, cıvanın 7 izotopu vardır ve bu böyle devam eder.

Bu unsurlar proton sayısı tektir, yalnızca iki kararlı izotopa sahip olabilir. Bazı elementlerin yalnızca bir kararlı izotopu vardır. Bunlar altın, alüminyum, fosfor, sodyum, manganez ve diğerleri gibi maddelerdir. Farklı elementlerin kararlı izotoplarının sayısındaki bu tür değişiklikler, proton ve nötron sayısının çekirdeğin bağlanma enerjisine karmaşık bağımlılığı ile ilişkilidir.

Doğadaki hemen hemen tüm maddeler izotop karışımları halinde bulunur. Bir maddedeki izotop sayısı, maddenin türüne, atom kütlesine ve belirli bir kimyasal elementin kararlı izotop sayısına bağlıdır.

“Kimyanın temel kavramları” konusunun ana noktalarını tekrarlayın ve önerilen problemleri çözün. 6-17 numaralarını kullanın.

Temel hükümler

1. Madde(basit ve karmaşık), belirli bir toplanma durumunda bulunan herhangi bir atom ve molekül topluluğudur.

Bileşimlerindeki ve (veya) yapılarındaki değişikliklerin eşlik ettiği maddelerin dönüşümlerine denir. kimyasal reaksiyonlar .

2. Yapısal birimler maddeler:

· Atom- bir kimyasal elementin veya basit bir maddenin, tüm kimyasal özelliklerine sahip olan ve fiziksel ve kimyasal olarak bölünemeyen en küçük elektriksel olarak nötr parçacığı.

· Molekül- Bir maddenin tüm kimyasal özelliklerine sahip, fiziksel olarak bölünmez, ancak kimyasal olarak bölünebilen en küçük elektriksel olarak nötr parçacığı.

3. Kimyasal element - Bu, belirli bir nükleer yüke sahip bir atom türüdür.

4. Birleştirmek atom :

5. Birleştirmek atom çekirdeği :

Çekirdek temel parçacıklar içerir ( nükleonlar) –

protonlar(1 1 p) ve nötronlar(10n).

· Çünkü Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdekte yoğunlaşmıştır ve m p ≈ m n≈ 1 saat, O yuvarlanmış değerArBir kimyasal elementin sayısı, çekirdekteki toplam nükleon sayısına eşittir.

7. İzotoplar- aynı kimyasal elementin birbirinden yalnızca kütleleri bakımından farklı olan çeşitli atomları.

· İzotopik gösterim: element sembolünün solunda elementin kütle numarasını (üstte) ve atom numarasını (altta) gösterir

· İzotopların kütleleri neden farklıdır?

Ödev: Klor izotoplarının atomik bileşimini belirleyin: 35 17Clve 37 17Cl?

· İzotoplar, çekirdeklerindeki nötron sayılarının farklı olması nedeniyle farklı kütlelere sahiptir.

8. Doğada kimyasal elementler izotop karışımları halinde bulunur.

Aynı kimyasal elementin izotopik bileşimi şu şekilde ifade edilir: atomik fraksiyonlar(ω de.), belirli bir izotopun atom sayısının, belirli bir elementin tüm izotoplarının toplam atom sayısının bir veya% 100 olarak alınan atom sayısından ne kadarını oluşturduğunu gösterir.

Örneğin:

ω (35 17)'de Cl) = 0,754

ω (37 17)'de Cl) = 0,246

9. Periyodik tablo, izotopik bileşimleri dikkate alınarak kimyasal elementlerin bağıl atom kütlelerinin ortalama değerlerini gösterir. Bu nedenle tabloda gösterilen Ar kesirlidir.

Arevlenmek= ω 1'de) ∙ Ar (1) + … + ω en.(N ) ∙ Ar ( N )

Örneğin:

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

10. Çözülecek problem:

1 numara. 10 B izotopunun molar fraksiyonunun %19,6 ve 11 B izotopunun %80,4 olduğu biliniyorsa borun bağıl atom kütlesini belirleyin.

11. Atom ve moleküllerin kütleleri çok küçüktür. Şu anda fizik ve kimyada birleşik bir ölçüm sistemi benimsenmiştir.

1 gün önce =M(a.u.m.) = 1/12 M(12C) = 1.66057 ∙ 10 -27 kg = 1,66057 ∙ 10 -24 gr.

Bazı atomların mutlak kütleleri:

M( C) =1,99268 ∙ 10 -23 gr

M( H) =1,67375 ∙ 10 -24 gr

M( Ö) =2,656812 ∙ 10 -23 g

Ar– belirli bir atomun 12 C atomunun 1/12'sinden kaç kat daha ağır olduğunu gösterir. Bay∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Sıradan madde numunelerindeki atom ve molekül sayısı çok fazladır, bu nedenle bir maddenin miktarını karakterize ederken ölçü birimi kullanılır -köstebek .

· Mol (ν)– 12 g izotoptaki atom sayısıyla aynı sayıda parçacık (moleküller, atomlar, iyonlar, elektronlar) içeren bir maddenin miktar birimi 12 C

· 1 atomun kütlesi 12 C 12 amu'ya eşittir, yani 12 g izotoptaki atom sayısı 12 C eşittir:

Yok= 12 gr / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 gr = 6,0221 ∙ 10 23

· Fiziksel miktar Yok isminde Avogadro sabiti (Avogadro sayısı) ve [NA] = mol -1 boyutuna sahiptir.

14. Temel formüller:

M = Bay = ρ ∙ VM(ρ – yoğunluk; V m – sıfır seviyedeki hacim)

Bağımsız olarak çözülmesi gereken sorunlar

1 numara. %10 nitrojen olmayan safsızlıklar içeren 100 g amonyum karbonattaki nitrojen atomlarının sayısını hesaplayın.

2 numara. Normal şartlarda amonyak ve karbondioksitten oluşan 12 litrelik bir gaz karışımının kütlesi 18 g'dır. Karışımın her bir gazdan kaç litresi vardır?

Numara 3. Aşırı hidroklorik asit maruz kaldığında, 8.24 g manganez oksit karışımı (IV) hidroklorik asitle reaksiyona girmeyen bilinmeyen oksit MO2 ile ortam koşullarında 1.344 litre gaz elde edildi. Başka bir deneyde manganez oksidin molar oranının (IV) bilinmeyen oksite oranı 3:1'dir. Bilinmeyen oksitin formülünü belirleyin ve karışımdaki kütle oranını hesaplayın.