Đồng vị có số lượng khác nhau. Đồng vị trong hóa học là gì? Định nghĩa, cấu trúc

Người ta đã xác định rằng mọi nguyên tố hóa học tìm thấy trong tự nhiên đều là hỗn hợp các đồng vị (do đó chúng có khối lượng nguyên tử nhỏ). Để hiểu các đồng vị khác nhau như thế nào, cần phải xem xét chi tiết cấu trúc của nguyên tử. Một nguyên tử tạo thành hạt nhân và đám mây điện tử. Khối lượng của nguyên tử bị ảnh hưởng bởi các electron chuyển động với tốc độ đáng kinh ngạc thông qua các quỹ đạo trong đám mây điện tử, neutron và proton tạo nên hạt nhân.

Đồng vị là gì

đồng vị là một loại nguyên tử của một nguyên tố hóa học. Luôn có số lượng electron và proton bằng nhau trong bất kỳ nguyên tử nào. Vì chúng có điện tích trái dấu (electron âm và proton dương) nên nguyên tử luôn trung hòa (hạt cơ bản này không mang điện tích, nó bằng 0). Khi một electron bị mất hoặc bị bắt giữ, nguyên tử sẽ mất tính trung hòa, trở thành ion âm hoặc ion dương.
Neutron không có điện tích, nhưng số lượng của chúng trong hạt nhân nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể khác nhau. Điều này không hề ảnh hưởng đến tính trung hòa của nguyên tử, nhưng nó ảnh hưởng đến khối lượng và tính chất của nó. Ví dụ, bất kỳ đồng vị nào của nguyên tử hydro đều chứa một electron và một proton. Nhưng số lượng neutron thì khác. Protium chỉ có 1 neutron, deuterium có 2 neutron và tritium có 3 neutron. Ba đồng vị này khác nhau rõ rệt về tính chất.

So sánh các đồng vị

Đồng vị khác nhau như thế nào? Chúng có số neutron khác nhau, khối lượng khác nhau và tính chất khác nhau. Các đồng vị có cấu trúc vỏ electron giống hệt nhau. Điều này có nghĩa là chúng khá giống nhau về tính chất hóa học. Vì vậy, chúng được xếp một vị trí trong bảng tuần hoàn.
Đồng vị ổn định và phóng xạ (không ổn định) đã được tìm thấy trong tự nhiên. Hạt nhân nguyên tử của đồng vị phóng xạ có khả năng tự biến đổi thành hạt nhân khác. Trong quá trình phân rã phóng xạ, chúng phát ra nhiều hạt khác nhau.
Hầu hết các nguyên tố có hơn hai chục đồng vị phóng xạ. Ngoài ra, các đồng vị phóng xạ được tổng hợp một cách nhân tạo cho tất cả các nguyên tố. Trong hỗn hợp đồng vị tự nhiên, hàm lượng của chúng thay đổi một chút.
Sự tồn tại của các đồng vị giúp người ta có thể hiểu tại sao, trong một số trường hợp, các nguyên tố có khối lượng nguyên tử thấp hơn lại có số nguyên tử cao hơn các nguyên tố có khối lượng nguyên tử cao hơn. Ví dụ, trong cặp argon-kali, argon bao gồm các đồng vị nặng và kali chứa các đồng vị nhẹ. Do đó khối lượng của argon lớn hơn khối lượng của kali.

ImGist xác định rằng sự khác biệt giữa các đồng vị như sau:

Chúng có số nơtron khác nhau.
Các đồng vị có khối lượng nguyên tử khác nhau.
Giá trị khối lượng của các nguyên tử ion ảnh hưởng đến tổng năng lượng và tính chất của chúng.

Nghiên cứu hiện tượng phóng xạ, các nhà khoa học thập niên đầu thế kỷ 20. đã phát hiện ra một số lượng lớn các chất phóng xạ - khoảng 40. Có nhiều chất phóng xạ hơn đáng kể so với số lượng vị trí tự do trong bảng tuần hoàn các nguyên tố giữa bismuth và uranium. Bản chất của những chất này đã gây tranh cãi. Một số nhà nghiên cứu coi chúng là các nguyên tố hóa học độc lập, nhưng trong trường hợp này, câu hỏi về vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn hóa ra lại không thể giải quyết được. Những người khác thường từ chối quyền được gọi là các phần tử theo nghĩa cổ điển. Năm 1902, nhà vật lý người Anh D. Martin gọi những chất đó là nguyên tố phóng xạ. Khi chúng được nghiên cứu, người ta thấy rõ rằng một số nguyên tố phóng xạ có đặc tính hóa học giống hệt nhau nhưng khác nhau về khối lượng nguyên tử. Tình tiết này mâu thuẫn với những quy định cơ bản của định luật tuần hoàn. Nhà khoa học người Anh F. Soddy đã giải quyết được mâu thuẫn. Năm 1913, ông gọi các nguyên tố phóng xạ tương tự nhau về mặt hóa học là các đồng vị (từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “giống nhau” và “vị trí”), nghĩa là chúng chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn. Các nguyên tố phóng xạ hóa ra là đồng vị của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Tất cả chúng được kết hợp thành ba họ phóng xạ, tổ tiên của chúng là đồng vị của thori và uranium.

Đồng vị của oxy. Đồng vị của kali và argon (đồng vị là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có cùng số khối).

Số lượng đồng vị ổn định của các nguyên tố chẵn và lẻ.

Rõ ràng là các nguyên tố hóa học ổn định khác cũng có đồng vị. Công lao chính cho khám phá của họ thuộc về nhà vật lý người Anh F. Aston. Ông đã phát hiện ra các đồng vị ổn định của nhiều nguyên tố.

Theo quan điểm hiện đại, đồng vị là các dạng nguyên tử của một nguyên tố hóa học: chúng có khối lượng nguyên tử khác nhau, nhưng có cùng điện tích hạt nhân.

Do đó, hạt nhân của chúng chứa cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron. Ví dụ, các đồng vị tự nhiên của oxy có Z = 8 lần lượt chứa 8, 9 và 10 neutron trong hạt nhân của chúng. Tổng số proton và neutron trong hạt nhân của một đồng vị được gọi là số khối A. Do đó, số khối của các đồng vị oxy được chỉ định là 16, 17 và 18. Ngày nay, tên gọi sau đây cho các đồng vị được chấp nhận: giá trị Z cho phía dưới bên trái ký hiệu phần tử, giá trị A cho phía trên bên trái, ví dụ: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Kể từ khi phát hiện ra hiện tượng phóng xạ nhân tạo, khoảng 1.800 đồng vị phóng xạ nhân tạo đã được tạo ra bằng phản ứng hạt nhân đối với các nguyên tố có Z từ 1 đến 110. Phần lớn các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kỳ bán rã rất ngắn, tính bằng giây và phân số của giây. ; chỉ một số ít có tuổi thọ tương đối dài (ví dụ: 10 Be - 2,7 10 6 năm, 26 Al - 8 10 5 năm, v.v.).

Các nguyên tố ổn định trong tự nhiên có khoảng 280 đồng vị. Tuy nhiên, một số trong chúng hóa ra có tính phóng xạ yếu, có chu kỳ bán rã rất lớn (ví dụ: 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Tuổi thọ của các đồng vị này dài đến mức chúng có thể được coi là ổn định.

Vẫn còn nhiều thách thức trong thế giới đồng vị ổn định. Vì vậy, không rõ tại sao số lượng của chúng lại khác nhau rất nhiều giữa các nguyên tố khác nhau. Khoảng 25% các nguyên tố ổn định (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) có mặt trong bản chất chỉ có một loại nguyên tử. Đây được gọi là các yếu tố đơn lẻ. Điều thú vị là tất cả chúng (trừ Be) đều có giá trị Z. Nói chung, đối với các nguyên tố lẻ, số lượng đồng vị ổn định không vượt quá hai. Ngược lại, một số nguyên tố Z chẵn bao gồm một số lượng lớn các đồng vị (ví dụ Xe có 9, Sn có 10 đồng vị ổn định).

Tập hợp các đồng vị ổn định của một nguyên tố nhất định được gọi là thiên hà. Nội dung của chúng trong thiên hà thường biến động rất lớn. Thật thú vị khi lưu ý rằng hàm lượng cao nhất là các đồng vị có số khối là bội số của 4 (12 C, 16 O, 20 Ca, v.v.), mặc dù vẫn có những ngoại lệ đối với quy tắc này.

Việc phát hiện ra các đồng vị ổn định giúp giải quyết được bí ẩn lâu đời về khối lượng nguyên tử - độ lệch của chúng so với các số nguyên, được giải thích bằng tỷ lệ phần trăm khác nhau của các đồng vị ổn định của các nguyên tố trong thiên hà.

Trong vật lý hạt nhân, khái niệm “isobar” đã được biết đến. Đồng vị là đồng vị của các nguyên tố khác nhau (nghĩa là có giá trị Z khác nhau) có cùng số khối. Việc nghiên cứu các đồng vị đã góp phần thiết lập nhiều mô hình quan trọng về hoạt động và tính chất của hạt nhân nguyên tử. Một trong những khuôn mẫu này được thể hiện bằng quy luật do nhà hóa học Liên Xô S. A. Shchukarev và nhà vật lý người Đức I. Mattauch đưa ra. Nó nói: nếu hai isobar khác nhau về giá trị Z 1, thì một trong số chúng chắc chắn sẽ có tính phóng xạ. Một ví dụ kinh điển về cặp đồng vị là 40 18 Ar - 40 19 K. Trong đó, đồng vị kali có tính phóng xạ. Quy tắc Shchukarev-Mattauch có thể giải thích tại sao không có đồng vị ổn định trong các nguyên tố technetium (Z = 43) và promethium (Z = 61). Vì chúng có các giá trị Z lẻ nên không thể mong đợi có nhiều hơn hai đồng vị ổn định ở chúng. Nhưng hóa ra các đồng vị của technetium và promethium, tương ứng là các đồng vị của molypden (Z = 42) và ruthenium (Z = 44), neodymium (Z = 60) và samarium (Z = 62), được thể hiện trong tự nhiên bằng tính chất ổn định. các loại nguyên tử có số khối khác nhau. Vì vậy, các định luật vật lý cấm sự tồn tại của các đồng vị ổn định của technetium và promethium. Đây là lý do tại sao những nguyên tố này không thực sự tồn tại trong tự nhiên và phải được tổng hợp một cách nhân tạo.

Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng phát triển một hệ thống đồng vị định kỳ. Tất nhiên, nó dựa trên các nguyên tắc khác với cơ sở của bảng tuần hoàn các nguyên tố. Nhưng những nỗ lực này vẫn chưa mang lại kết quả khả quan. Đúng vậy, các nhà vật lý đã chứng minh rằng trình tự lấp đầy các lớp vỏ proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử, về nguyên tắc, tương tự như cấu tạo của các lớp vỏ electron và lớp con trong nguyên tử (xem Nguyên tử).

Lớp vỏ electron của các đồng vị của một nguyên tố nhất định được cấu tạo theo cùng một cách. Do đó, tính chất hóa học và vật lý của chúng gần như giống hệt nhau. Chỉ các đồng vị hydro (protium và deuterium) và các hợp chất của chúng mới thể hiện sự khác biệt đáng chú ý về tính chất. Ví dụ, nước nặng (D 2 O) đóng băng ở nhiệt độ +3,8, sôi ở 101,4 ° C, có mật độ 1,1059 g/cm 3 và không hỗ trợ sự sống của động vật và thực vật. Trong quá trình điện phân nước thành hydro và oxy, chủ yếu là các phân tử H 2 0 bị phân hủy, trong khi các phân tử nước nặng vẫn còn trong máy điện phân.

Việc tách các đồng vị của các nguyên tố khác là một công việc cực kỳ khó khăn. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cần phải có các đồng vị của các nguyên tố riêng lẻ có độ phong phú thay đổi đáng kể so với độ phong phú tự nhiên. Ví dụ, khi giải bài toán năng lượng nguyên tử, cần phải tách các đồng vị 235 U và 238 U. Với mục đích này, phương pháp khối phổ lần đầu tiên được sử dụng, với sự trợ giúp của nó đã thu được những kg uranium-235 đầu tiên ở Mỹ vào năm 1944 Tuy nhiên, phương pháp này tỏ ra quá tốn kém và đã được thay thế bằng phương pháp khuếch tán khí sử dụng UF 6. Hiện nay có một số phương pháp tách đồng vị nhưng chúng đều khá phức tạp và đắt tiền. Chưa hết, bài toán “phân chia những gì không thể tách rời” đang được giải quyết thành công.

Một ngành khoa học mới đã xuất hiện - hóa học đồng vị. Cô nghiên cứu hành vi của các đồng vị khác nhau của các nguyên tố hóa học trong các phản ứng hóa học và quá trình trao đổi đồng vị. Kết quả của các quá trình này là các đồng vị của một nguyên tố nhất định được phân phối lại giữa các chất phản ứng. Đây là ví dụ đơn giản nhất: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (một phân tử nước trao đổi một nguyên tử protium lấy một nguyên tử deuterium). Địa hóa học của các đồng vị cũng đang phát triển. Cô nghiên cứu các biến thể trong thành phần đồng vị của các nguyên tố khác nhau trong vỏ trái đất.

Được sử dụng rộng rãi nhất là cái gọi là nguyên tử được dán nhãn - đồng vị phóng xạ nhân tạo của các nguyên tố ổn định hoặc đồng vị ổn định. Với sự trợ giúp của các chỉ số đồng vị - các nguyên tử được dán nhãn - họ nghiên cứu đường chuyển động của các nguyên tố trong thiên nhiên sống và vô tri, bản chất của sự phân bố các chất và nguyên tố trong các vật thể khác nhau. Đồng vị được sử dụng trong công nghệ hạt nhân: làm vật liệu xây dựng lò phản ứng hạt nhân; làm nhiên liệu hạt nhân (đồng vị của thori, uranium, plutonium); trong phản ứng tổng hợp nhiệt hạch (đơteri, 6 Li, 3 He). Đồng vị phóng xạ cũng được sử dụng rộng rãi làm nguồn bức xạ.

Khi nghiên cứu tính chất của các nguyên tố phóng xạ, người ta phát hiện ra rằng cùng một nguyên tố hóa học có thể chứa các nguyên tử có khối lượng hạt nhân khác nhau. Đồng thời, chúng có cùng điện tích hạt nhân, tức là đây không phải là tạp chất của các chất lạ mà là cùng một chất.

Đồng vị là gì và tại sao chúng tồn tại?

Trong bảng tuần hoàn của Mendeleev, cả nguyên tố này và nguyên tử của một chất có khối lượng hạt nhân khác nhau đều chiếm một ô. Dựa trên những điều trên, những biến thể của cùng một chất như vậy được đặt tên là "đồng vị" (từ tiếng Hy Lạp isos - giống hệt nhau và topos - vị trí). Vì thế, đồng vị- đây là những giống của một nguyên tố hóa học nhất định, khác nhau về khối lượng hạt nhân nguyên tử.

Theo chấp nhận mô hình neutron-proton của hạt nhân Người ta có thể giải thích sự tồn tại của các đồng vị như sau: hạt nhân của một số nguyên tử của một chất chứa số nơtron khác nhau nhưng có cùng số proton. Trên thực tế, điện tích hạt nhân của các đồng vị của một nguyên tố là như nhau nên số proton trong hạt nhân là như nhau. Các hạt nhân khác nhau về khối lượng nên chúng chứa số nơtron khác nhau.

Đồng vị ổn định và không ổn định

Đồng vị có thể ổn định hoặc không ổn định. Cho đến nay, người ta đã biết được khoảng 270 đồng vị ổn định và hơn 2000 đồng vị không ổn định. Đồng vị ổn định- Đây là những loại nguyên tố hóa học có khả năng tồn tại độc lập trong thời gian dài.

Hầu hết đồng vị không ổn địnhđã thu được một cách giả tạo. Đồng vị không ổn định phóng xạ, hạt nhân của chúng phải chịu quá trình phân rã phóng xạ, tức là sự biến đổi tự phát thành các hạt nhân khác, kèm theo sự phát xạ của các hạt và/hoặc bức xạ. Hầu như tất cả các đồng vị phóng xạ nhân tạo đều có chu kỳ bán rã rất ngắn, được đo bằng giây hoặc thậm chí là phần nhỏ của giây.

Một hạt nhân có thể chứa bao nhiêu đồng vị?

Hạt nhân không thể chứa số nơtron tùy ý. Theo đó, số lượng đồng vị bị hạn chế. Số proton chẵn nguyên tố, số lượng đồng vị ổn định có thể lên tới mười. Ví dụ, thiếc có 10 đồng vị, xenon có 9, thủy ngân có 7, v.v.

Những yếu tố đó số proton là số lẻ, chỉ có thể có hai đồng vị ổn định. Một số nguyên tố chỉ có một đồng vị ổn định. Đây là những chất như vàng, nhôm, phốt pho, natri, mangan và những chất khác. Những biến đổi như vậy về số lượng đồng vị ổn định của các nguyên tố khác nhau có liên quan đến sự phụ thuộc phức tạp của số lượng proton và neutron vào năng lượng liên kết của hạt nhân.

Hầu như tất cả các chất trong tự nhiên đều tồn tại ở dạng hỗn hợp các đồng vị. Số lượng đồng vị trong một chất phụ thuộc vào loại chất, khối lượng nguyên tử và số lượng đồng vị ổn định của một nguyên tố hóa học nhất định.

Nhắc lại nội dung chính của đề tài “Các khái niệm cơ bản về hóa học” và giải các bài toán đã đặt ra. Sử dụng số 6-17.

Quy định cơ bản

1. Chất(đơn giản và phức tạp) là bất kỳ tập hợp các nguyên tử và phân tử nào nằm ở trạng thái kết hợp nhất định.

Sự biến đổi của các chất kèm theo sự thay đổi thành phần và (hoặc) cấu trúc của chúng được gọi là phản ứng hoá học .

2. Đơn vị kết cấu vật liệu xây dựng:

· nguyên tử- hạt trung hòa điện nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học hoặc chất đơn giản, có tất cả các tính chất hóa học và không thể phân chia về mặt vật lý và hóa học.

· phân tử- hạt trung hòa điện nhỏ nhất của một chất, có tất cả các tính chất hóa học, không thể phân chia về mặt vật lý nhưng có thể phân chia về mặt hóa học.

3. Nguyên tố hóa học - Đây là loại nguyên tử có điện tích hạt nhân nhất định.

4. hợp chất nguyên tử :

5. hợp chất hạt nhân nguyên tử :

Hạt nhân chứa các hạt cơ bản ( nucleon) –

proton(1 1 p ) và neutron(1 0 n ).

· Bởi vì Hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân và m p ≈ tôi n≈ 1 bạn, Cái đó giá trị làm trònA rcủa một nguyên tố hóa học bằng tổng số nucleon có trong hạt nhân.

7. đồng vị- nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, chỉ khác nhau về khối lượng.

· Ký hiệu đồng vị: bên trái ký hiệu nguyên tố biểu thị số khối (trên) và số hiệu nguyên tử của nguyên tố (dưới)

· Tại sao các đồng vị có khối lượng khác nhau?

Bài tập: Xác định thành phần nguyên tử của các đồng vị clo: 35 17Clvà 37 17Cl?

· Các đồng vị có khối lượng khác nhau do số nơtron trong hạt nhân của chúng khác nhau.

8. Trong tự nhiên, các nguyên tố hóa học tồn tại ở dạng hỗn hợp các đồng vị.

Thành phần đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học được biểu thị bằng phân số nguyên tử(ω tại.), cho biết phần nào số nguyên tử của một đồng vị nhất định tạo thành từ tổng số nguyên tử của tất cả các đồng vị của một nguyên tố nhất định, được coi là một hoặc 100%.

Ví dụ:

ω tại (35 17 Cl) = 0,754

ω tại (37 17 Cl) = 0,246

9. Bảng tuần hoàn hiển thị giá trị trung bình của khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố hóa học, có tính đến thành phần đồng vị của chúng. Do đó, Ar được chỉ ra trong bảng là phân số.

A rThứ Tư= ω tại.(1) ∙ Ar (1) + … + ω Tại.(N ) ∙ Ar ( N )

Ví dụ:

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

10. Vấn đề cần giải quyết:

Số 1. Xác định khối lượng nguyên tử tương đối của bo nếu biết phần mol của đồng vị 10 B là 19,6% và đồng vị 11 B là 80,4%.

11. Khối lượng của nguyên tử và phân tử rất nhỏ. Hiện nay, một hệ thống đo lường thống nhất đã được áp dụng trong vật lý và hóa học.

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

Khối lượng tuyệt đối của một số nguyên tử:

tôi( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g

tôi( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g

tôi( ồ) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– cho biết một nguyên tử nhất định nặng hơn 1/12 của nguyên tử 12 C bao nhiêu lần. Ông∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Số lượng nguyên tử, phân tử trong các mẫu chất thông thường là rất lớn nên khi mô tả hàm lượng của một chất, người ta sử dụng đơn vị đo -nốt ruồi .

· nốt ruồi (ν)– đơn vị đại lượng của một chất chứa cùng số lượng hạt (phân tử, nguyên tử, ion, electron) bằng số nguyên tử có trong 12 g đồng vị 12 C

· Khối lượng của 1 nguyên tử 12 C bằng 12 amu nên số nguyên tử trong 12 g đồng vị 12 C bằng:

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

· Đại lượng vật lý N A gọi điện hằng số Avogadro (số Avogadro) và có thứ nguyên [N A] = mol -1.

14. Công thức cơ bản:

M = Ông = ρ ∙ V m(ρ – mật độ; V m – thể tích ở mức 0)

Vấn đề cần giải quyết độc lập

Số 1. Tính số nguyên tử nitơ có trong 100 g amoni cacbonat chứa 10% tạp chất không phải nitơ.

Số 2. Ở điều kiện bình thường, 12 lít hỗn hợp khí gồm amoniac và carbon dioxide có khối lượng 18 g, hỗn hợp đó chứa bao nhiêu lít mỗi khí?

Số 3. Khi tiếp xúc với lượng axit clohydric dư, 8,24 g hỗn hợp oxit mangan (IV) với oxit MO 2 chưa biết, không phản ứng với axit clohydric, thu được 1,344 lít khí ở điều kiện môi trường. Trong một thí nghiệm khác, người ta xác định được rằng tỷ lệ mol của mangan oxit (IV) đối với oxit chưa biết là 3:1. Xác định công thức của oxit chưa biết và tính phần khối lượng của nó trong hỗn hợp.