Съдържанието на статията
ИЗОТОПИ– разновидности на един и същи химичен елемент, които са сходни по своите физикохимични свойства, но имат различни атомни маси. Името "изотопи" е предложено през 1912 г. от английския радиохимик Фредерик Соди, който го формира от две гръцки думи: isos - идентичен и topos - място. Изотопите заемат същото място в клетката на периодичната таблица на елементите на Менделеев.
Атомът на всеки химичен елемент се състои от положително заредено ядро и облак от отрицателно заредени електрони около него. Позицията на химичния елемент в периодичната таблица на Менделеев (неговият атомен номер) се определя от заряда на ядрото на неговите атоми. Изотопи следователно се наричат разновидности на един и същ химичен елемент, чиито атоми имат еднакъв ядрен заряд (и следователно практически еднакви електронни обвивки), но се различават по стойности на ядрената маса. Според образния израз на Ф. Соди атомите на изотопите са еднакви „отвън“, но различни „отвътре“.
Неутронът е открит през 1932 г – частица, която няма заряд, с маса, близка до масата на ядрото на водороден атом - протон , и създадено протонно-неутронен модел на ядрото. Като резултат в науката е установена окончателната съвременна дефиниция на понятието изотопи: изотопите са вещества, чиито атомни ядра се състоят от еднакъв брой протони и се различават само по броя на неутроните в ядрото . Всеки изотоп обикновено се обозначава с набор от символи, където X е символът на химичния елемент, Z е зарядът на атомното ядро (броят на протоните), A е масовото число на изотопа (общият брой нуклони - протони и неутрони в ядрото, A = Z + N). Тъй като зарядът на ядрото изглежда е уникално свързан със символа на химичния елемент, просто обозначението A X често се използва за съкращение.
От всички известни на нас изотопи само изотопите на водорода имат свои имена. Така изотопите 2H и 3H се наричат деутерий и тритий и се обозначават съответно D и T (изотопът 1H понякога се нарича протий).
Среща се в природата като стабилни изотопи , и нестабилни - радиоактивни, чиито ядра на атоми са обект на спонтанна трансформация в други ядра с излъчване на различни частици (или процеси на така нареченото радиоактивно разпадане). Сега са известни около 270 стабилни изотопа, като стабилни изотопи се срещат само в елементи с атомен номер Z Ј 83. Броят на нестабилните изотопи надхвърля 2000, по-голямата част от тях са получени изкуствено в резултат на различни ядрени реакции. Броят на радиоактивните изотопи на много елементи е много голям и може да надхвърли две дузини. Броят на стабилните изотопи е значително по-малък. Някои химични елементи се състоят само от един стабилен изотоп (берилий, флуор, натрий, алуминий, фосфор, манган, злато и редица други елементи). Най-много стабилни изотопи - 10, има в калая, в желязото например са 4, а в живака - 7.
Откриване на изотопи, историческа справка.
През 1808 г. английският учен натуралист Джон Далтън за първи път въвежда определението за химичен елемент като вещество, състоящо се от атоми от един и същи вид. През 1869 г. химикът Д. И. Менделеев открива периодичния закон на химичните елементи. Една от трудностите при обосноваването на концепцията за елемент като вещество, заемащо определено място в клетка на периодичната таблица, беше експериментално наблюдаваното нецело число атомно тегло на елементите. През 1866 г. английският физик и химик сър Уилям Крукс излага хипотезата, че всеки естествен химичен елемент е определена смес от вещества, които са еднакви по свойства, но имат различни атомни маси, но по това време такова предположение все още не е имало експериментално потвърждение и следователно не остана дълго забелязан.
Важна стъпка към откриването на изотопите беше откриването на явлението радиоактивност и хипотезата за радиоактивен разпад, формулирана от Ернст Ръдърфорд и Фредерик Соди: радиоактивността не е нищо повече от разпадането на атом в заредена частица и атом на друг елемент , различен по своите химични свойства от оригиналния. В резултат на това възниква идеята за радиоактивни серии или радиоактивни семейства , в началото на която стои първият родителски елемент, който е радиоактивен, а в края - последният стабилен елемент. Анализът на веригите от трансформации показа, че по време на техния ход едни и същи радиоактивни елементи, различаващи се само по атомни маси, могат да се появят в една клетка на периодичната таблица. Всъщност това означаваше въвеждането на понятието изотопи.
Независимо потвърждение за съществуването на стабилни изотопи на химичните елементи е получено след това в експериментите на J. J. Thomson и Aston през 1912–1920 г. с лъчи от положително заредени частици (или така наречените канални лъчи ) излъчващи се от изпускателната тръба.
През 1919 г. Астън проектира инструмент, наречен масспектрограф. (или масспектрометър) . Източникът на йони все още използва разрядна тръба, но Астън откри начин, по който последователното отклонение на лъч от частици в електрически и магнитни полета води до фокусиране на частици със същото съотношение на заряд към маса (независимо от тяхната скорост) при същата точка на екрана. Заедно с Aston, масспектрометър с малко по-различен дизайн е създаден през същите години от американския Dempster. В резултат на последващото използване и усъвършенстване на масспектрометрите чрез усилията на много изследователи до 1935 г. е съставена почти пълна таблица на изотопния състав на всички известни дотогава химични елементи.
Методи за разделяне на изотопи.
За изучаване на свойствата на изотопите и особено за тяхното използване за научни и приложни цели е необходимо те да бъдат получени в повече или по-малко забележими количества. В конвенционалните масспектрометри се постига почти пълно разделяне на изотопите, но тяхното количество е пренебрежимо малко. Затова усилията на учени и инженери бяха насочени към търсене на други възможни методи за разделяне на изотопи. На първо място, бяха усвоени физикохимични методи за разделяне, основани на разликите в такива свойства на изотопите на един и същ елемент като скорости на изпаряване, константи на равновесие, скорости на химични реакции и др. Най-ефективни сред тях са методите на ректификация и изотопен обмен, които се използват широко в промишленото производство на изотопи на леки елементи: водород, литий, бор, въглерод, кислород и азот.
Друга група методи се състои от така наречените молекулярно-кинетични методи: газова дифузия, термична дифузия, масова дифузия (дифузия в поток от пари), центрофугиране. Методите за дифузия на газ, базирани на различни скорости на дифузия на изотопни компоненти в силно диспергирани порести среди, бяха използвани по време на Втората световна война за организиране на промишленото производство на разделяне на изотопи на уран в Съединените щати като част от така наречения проект Манхатън за създаване на атомната бомба. За получаване на необходимите количества уран, обогатен до 90% с лекия изотоп 235 U, основният „запалим“ компонент на атомната бомба, са построени заводи, заемащи площ от около четири хиляди хектара. За създаването на атомен център с инсталации за производство на обогатен уран бяха отпуснати над 2 милиарда долара. построен в СССР. През последните години този метод отстъпи място на по-ефективния и по-евтин метод на центрофугиране. При този метод ефектът на разделяне на изотопна смес се постига благодарение на различните ефекти на центробежните сили върху компонентите на изотопната смес, запълваща ротора на центрофугата, който е тънкостенен цилиндър, ограничен отгоре и отдолу, въртящ се на много висока скорост във вакуумна камера. Стотици хиляди центрофуги, свързани в каскади, роторът на всяка от които прави повече от хиляда оборота в секунда, в момента се използват в съвременни сепарационни инсталации както в Русия, така и в други развити страни по света. Центрофугите се използват не само за производството на обогатен уран, необходим за захранване на ядрените реактори на атомните електроцентрали, но и за производството на изотопи на около тридесет химични елемента в средната част на периодичната таблица. Устройствата за електромагнитно разделяне с мощни йонни източници също се използват за разделяне на различни изотопи през последните години, методите за лазерно разделяне също са широко разпространени.
Приложение на изотопи.
Различни изотопи на химичните елементи се използват широко в научните изследвания, в различни области на промишлеността и селското стопанство, в ядрената енергетика, съвременната биология и медицина, в изследванията на околната среда и други области. В научните изследвания (например при химическия анализ) като правило се изискват малки количества редки изотопи на различни елементи, изчислени в грамове и дори милиграми годишно. В същото време за редица изотопи, широко използвани в ядрената енергетика, медицината и други индустрии, необходимостта от тяхното производство може да възлиза на много килограми и дори тонове. По този начин, поради използването на тежка вода D 2 O в ядрени реактори, нейното глобално производство до началото на 90-те години на миналия век беше около 5000 тона годишно. Водородният изотоп деутерий, който е част от тежката вода, чиято концентрация в естествената смес от водород е само 0,015%, заедно с трития, в бъдеще, според учените, ще стане основният компонент на енергийното термоядрено гориво реактори, работещи на базата на реакции на ядрен синтез. В този случай необходимостта от производство на водородни изотопи ще бъде огромна.
В научните изследвания стабилните и радиоактивни изотопи се използват широко като изотопни индикатори (маркери) при изследване на голямо разнообразие от процеси, протичащи в природата.
В селското стопанство изотопите („маркирани“ атоми) се използват например за изследване на процесите на фотосинтеза, смилаемостта на торовете и за определяне на ефективността на използването на азот, фосфор, калий, микроелементи и други вещества от растенията.
Изотопните технологии се използват широко в медицината. Така в САЩ според статистиката се извършват повече от 36 хиляди медицински процедури на ден и около 100 милиона лабораторни тестове с изотопи. Най-честите процедури включват компютърна томография. Въглеродният изотоп С13, обогатен до 99% (естествено съдържание около 1%), се използва активно в така наречения „диагностичен контрол на дишането“. Същността на теста е много проста. Обогатеният изотоп се въвежда в храната на пациента и след като участва в метаболитния процес в различни органи на тялото, се освобождава под формата на въглероден диоксид CO 2, издишван от пациента, който се събира и анализира с помощта на спектрометър. Разликата в скоростта на процесите, свързани с отделянето на различни количества въглероден диоксид, белязан с изотоп С 13, позволява да се прецени състоянието на различните органи на пациента. В САЩ броят на пациентите, които ще бъдат подложени на този тест, се оценява на 5 милиона годишно. Сега методите за лазерно разделяне се използват за производство на силно обогатен изотоп C13 в индустриален мащаб.
Владимир Жданов
Тези вещества днес са намерили широко приложение в различни приложни области, по-специално. Използват се както за лечение, така и за диагностика на заболявания.Например, радиоактивен йод-131 се използва като терапия за болест на Грейвс на щитовидната жлеза. В този случай се препоръчва да се прилагат големи дози от този елемент, тъй като те допринасят за унищожаването на анормалните тъкани, в резултат на което структурата на органа се възстановява, а с него и функцията. Йодът се използва широко и за диагностика на състоянието на щитовидната жлеза. При въвеждането му в организма на екрана на монитора се оценява скоростта на отлагане в клетките, въз основа на което се поставя диагноза.
Натриевите изотопи играят важна роля при диагностицирането на нарушения на кръвообращението.
Най-често в ежедневието кобалтовите изотопи, по-специално кобалт-60, се използват за лечение на туморни заболявания. Намира приложение в радиохирургията при създаването на „кобалтови пистолети“, при дезинфекция за стерилизация на медицински инструменти и материали.
По принцип всички методи за изследване на вътрешните органи с помощта на такива елементи обикновено се наричат радиоизотопи. Изотопите могат да се използват и за получаване на полезни микроорганизми. И те са в основата на синтеза на антибактериални средства.
Използване в промишлеността и селското стопанство
Радиоактивните изотопи са от голямо значение и в други области на човешката дейност. В машиностроенето те се използват за определяне на степента на износване на различни части в двигателите.Те могат да се използват за определяне на скоростта на дифузия на металите в доменните пещи.
Важна област е откриването на дефекти. Използвайки такива химически елементи, можете да изучавате структурата на части, включително метални.
С помощта на радиоактивни изотопи се създават нови сортове селскостопански растения. Освен това е научно доказано, че гама-облъчването спомага за увеличаване на добивите на културите и повишава устойчивостта им към неблагоприятни фактори. Тези вещества се използват широко в развъждането. При торене на растенията се използва метод, при който те се маркират с радиоактивен фосфор и се оценява ефективността на тора. Въз основа на всичко можем да заключим, че радиоактивните изотопи се използват в много области на дейност. Те имат свойства, които същите елементи с нормална атомна маса нямат.
За да разберете по-добре какво представляват изотопите, можете да играете. Представете си големи прозрачни топки. Понякога могат да се видят в парка. Всяка топка е ядрото на атома.
Всяко ядро се състои от протони и неутрони. Протоните са положително заредени частици. Вместо протони, ще имате зайчета играчки, захранвани от батерии. И вместо неутрони има зайчета без батерии, защото не носят никакъв заряд. Поставете 8 зайчета с батерии в двете топки. Това означава, че във всяко ядро-топка имате 8 положително заредени протона. Сега ето какво трябва да се направи със зайци без батерии - неутрони. Поставете 8 неутронни зайчета в едната топка и 7 неутронни зайчета в другата.
Масовото число е сумата от протони и неутрони. Пребройте зайците във всяка топка и намерете масовото число. В едната топка масовото число е 16, в другата топка е 17. Виждате две еднакви топкови ядра с еднакъв брой протони. Техният брой неутрони е различен. Топките действаха като изотопи. Знаеш ли? Тъй като изотопите са варианти на един и същи елемент с различен брой неутрони. Оказва се, че тези топки всъщност не са просто атомни ядра, а истински химични елементи в периодичната таблица. Помните ли какъв заряд има +8? Разбира се, че е кислород. Сега е ясно, че кислородът има няколко изотопа и всички те се различават един от друг по броя на неутроните. Изотопът на кислорода с масово число 16 има 8 неутрона, а изотопът на кислорода с масово число 17 има 9 неутрона. Масовото число е посочено в горния ляв ъгъл на химическия символ на елемента.
Представете си топки със зайци и ще бъде по-лесно да разберете изотопите. И така, изотопите са атоми на химичен елемент с еднакъв ядрен заряд, но различни масови числа. Или дефиниция: изотопите са варианти на един химичен елемент, които заемат едно и също място в периодичната таблица на елементите на Менделеев, но в същото време се различават по масите на атомите.
Защо са необходими знания за изотопите? Използват се изотопи на различни елементи
Дори древните философи предполагат, че материята е изградена от атоми. Въпреки това учените започнаха да осъзнават, че „градивните елементи“ на самата Вселена се състоят от малки частици едва в началото на 19-ти и 20-ти век. Експериментите, доказващи това, предизвикаха истинска революция в науката по едно време. Това е количественото съотношение на неговите съставни части, което отличава един химичен елемент от друг. Всеки от тях има своето място според серийния номер. Но има разновидности на атоми, които заемат едни и същи клетки в таблицата, въпреки разликите в масата и свойствата. Защо това е така и какви са изотопите в химията, ще бъде обсъдено допълнително.
Атом и неговите частици
Изучавайки структурата на материята чрез бомбардиране с алфа частици, Е. Ръдърфорд доказва през 1910 г., че основното пространство на атома е изпълнено с празнота. И само в центъра е ядрото. Отрицателните електрони се движат около него по орбитали, съставлявайки обвивката на тази система. Така е създаден планетарен модел на „градивните елементи” на материята.
Какво представляват изотопите? Спомнете си от курса си по химия, че ядрото също има сложна структура. Състои се от положителни протони и неутрони, които нямат заряд. Броят на първите определя качествените характеристики на химичния елемент. Това е броят на протоните, който отличава веществата едно от друго, придавайки на техните ядра определен заряд. И на тази основа им се присвоява пореден номер в периодичната таблица. Но броят на неутроните в един и същи химичен елемент ги диференцира в изотопи. Следователно определението в химията на това понятие може да бъде дадено по следния начин. Това са разновидности на атоми, които се различават по състава на ядрото, имат еднакъв заряд и атомни числа, но имат различни масови числа поради разликите в броя на неутроните.
Наименования
Докато изучават химия в 9 клас и изотопи, учениците ще научат за приетите конвенции. Буквата Z показва заряда на ядрото. Тази цифра съвпада с броя на протоните и следователно е техен индикатор. Сумата от тези елементи с неутрони, отбелязани с N, е A - масово число. Семейство от изотопи на едно вещество обикновено се обозначава със символа на този химичен елемент, на който в периодичната таблица е присвоен сериен номер, който съвпада с броя на протоните в него. Левият горен индекс, добавен към посочената икона, съответства на масовото число. Например 238 U. Зарядът на елемент (в този случай уран, маркиран със сериен номер 92) се обозначава с подобен индекс по-долу.
Познавайки тези данни, можете лесно да изчислите броя на неутроните в даден изотоп. То е равно на масовото число минус поредния номер: 238 - 92 = 146. Броят на неутроните може да бъде по-малък, но това няма да накара този химичен елемент да престане да остава уран. Трябва да се отбележи, че най-често в други, по-прости вещества, броят на протоните и неутроните е приблизително еднакъв. Такава информация помага да се разбере какво е изотоп в химията.
Нуклони
Броят на протоните придава индивидуалността на даден елемент, а броят на неутроните не го влияе по никакъв начин. Но атомната маса се състои от тези два посочени елемента, които имат общото наименование „нуклони“, представляващо тяхната сума. Този показател обаче не зависи от тези, които образуват отрицателно заредената обвивка на атома. Защо? Всичко, което трябва да направите, е да сравните.
Делът на протонната маса в атома е голям и възлиза приблизително на 1 a. e.m. или 1.672 621 898(21) 10 -27 кг. Неутронът е близък до характеристиките на тази частица (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). Но масата на електрона е хиляди пъти по-малка, счита се за незначителна и не се взема предвид. Ето защо, знаейки горния индекс на елемент в химията, съставът на ядрото на изотопа не е трудно да се установи.
Изотопи на водорода
Изотопите на някои елементи са толкова добре известни и широко разпространени в природата, че са получили собствени имена. Най-яркият и прост пример за това е водородът. Той се среща естествено в най-разпространената си форма, протиум. Този елемент има масово число 1, а ядрото му се състои от един протон.
И така, какво представляват водородните изотопи в химията? Както е известно, атомите на това вещество имат първия номер в периодичната таблица и съответно са надарени с номер на заряд 1 в природата, но броят на неутроните в ядрото на атома е различен. Деутерият, като тежък водород, освен протона, има още една частица в ядрото си, тоест неутрон. В резултат на това това вещество проявява свои собствени физични свойства, за разлика от протия, който има собствено тегло, точки на топене и кипене.
Тритий
Тритият е най-сложният от всички. Това е свръхтежкият водород. Според дефиницията на изотопите в химията, той има зарядово число 1, но масово число 3. Често се нарича тритон, защото освен един протон, има два неутрона в ядрото си, т.е. от три елемента. Името на този елемент, открит през 1934 г. от Ръдърфорд, Олифант и Хартек, беше предложено още преди откриването му.
Това е нестабилно вещество, проявяващо радиоактивни свойства. Ядрото му има способността да се разделя на бета частица и електронно антинеутрино. Енергията на разпад на това вещество не е много висока и възлиза на 18,59 keV. Следователно такова излъчване не е твърде опасно за хората. Обикновеното облекло и хирургическите ръкавици могат да предпазят от него. И този радиоактивен елемент, получен от храната, бързо се елиминира от тялото.
Изотопи на урана
Много по-опасни са различните видове уран, от които науката в момента познава 26. Следователно, когато говорим за това какви са изотопите в химията, е невъзможно да не споменем този елемент. Въпреки разнообразието от видове уран, в природата се срещат само три изотопа. Те включват 234 U, 235 U, 238 U. Първият от тях, притежаващ подходящи свойства, се използва активно като гориво в ядрени реактори. А последният е за производството на плутоний-239, който от своя страна е незаменим като ценно гориво.
Всеки от радиоактивните елементи се характеризира със собствени. Това е продължителността на времето, през което веществото се разделя в съотношение ½. Тоест в резултат на този процес количеството на останалата част от веществото се намалява наполовина. Този период от време е огромен за урана. Например за изотоп-234 тя се оценява на 270 хиляди години, но за другите две посочени разновидности е много по-значима. Уран-238 има рекорден период на полуразпад, продължаващ милиарди години.
Нуклиди
Не всеки вид атом, характеризиращ се със свой собствен и строго определен брой протони и електрони, е толкова стабилен, че да съществува поне дълъг период, достатъчен за неговото изследване. Тези, които са относително стабилни, се наричат нуклиди. Стабилни образувания от този вид не се подлагат на радиоактивен разпад. Нестабилните се наричат радионуклиди и от своя страна също се делят на краткотрайни и дълготрайни. Както знаете от уроците по химия в 11 клас за структурата на изотопните атоми, осмият и платината имат най-голям брой радионуклиди. Кобалтът и златото имат по един стабилен нуклид, а калайът има най-голям брой стабилни нуклиди.
Изчисляване на атомния номер на изотоп
Сега ще се опитаме да обобщим информацията, описана по-рано. След като разбрахме какво представляват изотопите в химията, е време да разберем как да използваме получените знания. Нека да разгледаме това с конкретен пример. Да предположим, че е известно, че определен химичен елемент има масово число 181. Освен това обвивката на атома на това вещество съдържа 73 електрона. Как можете да използвате периодичната таблица, за да разберете името на даден елемент, както и броя на протоните и неутроните в ядрото му?
Да започнем да решаваме проблема. Можете да определите името на веществото, като знаете неговия сериен номер, който съответства на броя на протоните. Тъй като броят на положителните и отрицателните заряди в един атом е равен, той е 73. Това означава, че е тантал. Освен това общият брой на нуклоните общо е 181, което означава, че протоните на този елемент са 181 - 73 = 108. Много просто.
Изотопи на галий
Елементът галий има атомен номер 71. В природата това вещество има два изотопа - 69 Ga и 71 Ga. Как да определим процента на видовете галий?
Решаването на проблеми с изотопи в химията почти винаги включва информация, която може да бъде получена от периодичната таблица. Този път трябва да направите същото. Нека определим средната атомна маса от посочения източник. То е равно на 69,72. След като обозначихме с x и y количественото съотношение на първия и втория изотоп, приемаме тяхната сума равна на 1. Това означава, че това ще бъде написано под формата на уравнение: x + y = 1. От това следва, че 69x + 71y = 69,72. Изразявайки y чрез x и замествайки първото уравнение във второто, намираме, че x = 0,64 и y = 0,36. Това означава, че 69 Ga се намира в природата 64%, а процентът на 71 Ga е 34%.
Изотопни трансформации
Радиоактивното делене на изотопи с превръщането им в други елементи се разделя на три основни вида. Първият от тях е алфа разпадането. Това се случва с излъчване на частица, представляваща ядрото на атома на хелий. Тоест, това е образувание, състоящо се от комбинация от двойки неутрони и протони. Тъй като количеството на последното определя номера на заряда и номера на атома на веществото в периодичната таблица, в резултат на този процес има качествена трансформация на един елемент в друг, а в таблицата той се измества наляво с две клетки. В този случай масовото число на елемента намалява с 4 единици. Знаем това от структурата на изотопните атоми.
Когато ядрото на атома загуби бета частица, по същество електрон, неговият състав се променя. Един от неутроните се трансформира в протон. Това означава, че качествените характеристики на веществото се променят отново и елементът се премества в таблицата една клетка надясно, без практически да губи тегло. Обикновено такава трансформация е свързана с електромагнитно гама-лъчение.
Изотопна трансформация на радий
Горната информация и знанията от химията за 11 клас за изотопите отново помагат за решаването на практически проблеми. Например следното: 226 Ra по време на разпада се превръща в химичен елемент от група IV с масово число 206. Колко алфа и бета частици трябва да загуби?
Като се вземат предвид промените в масата и групата на дъщерния елемент, използвайки периодичната таблица, е лесно да се определи, че изотопът, образуван по време на разделянето, ще бъде олово със заряд 82 и масово число 206. И като се вземе предвид предвид зарядното число на този елемент и оригиналния радий, трябва да се приеме, че ядрото му е загубило пет алфа-частици и четири бета-частици.
Използване на радиоактивни изотопи
Всички са добре запознати с вредите, които радиоактивното лъчение може да причини на живите организми. Свойствата на радиоактивните изотопи обаче могат да бъдат полезни за хората. Те се използват успешно в много отрасли. С тяхна помощ е възможно да се открият течове в инженерни и строителни конструкции, подземни тръбопроводи и нефтопроводи, резервоари за съхранение и топлообменници в електроцентрали.
Тези свойства се използват активно и в научни експерименти. Например, мухата цеце е носител на много сериозни заболявания за хората, добитъка и домашните животни. За да се предотврати това, мъжките от тези насекоми се стерилизират със слаба радиоактивна радиация. Изотопите също са незаменими при изучаването на механизмите на определени химични реакции, тъй като атомите на тези елементи могат да се използват за етикетиране на вода и други вещества.
Маркираните изотопи също често се използват в биологичните изследвания. Например, така е установено как фосфорът влияе върху почвата, растежа и развитието на култивираните растения. Свойствата на изотопите се използват успешно и в медицината, което направи възможно лечението на ракови тумори и други сериозни заболявания и определяне на възрастта на биологичните организми.
Повторете основните моменти от темата „Основни понятия на химията“ и решете предложените задачи. Използвайте номера 6-17.
Основни положения
1. вещество(прости и сложни) е всяка съвкупност от атоми и молекули, намиращи се в определено състояние на агрегиране.
Наричат се трансформации на вещества, придружени от промени в техния състав и (или) структура химична реакция .
2. Структурни звена вещества:
· атом- най-малката електрически неутрална частица от химичен елемент или просто вещество, притежаваща всички негови химични свойства и след това физически и химически неделима.
· Молекула- най-малката електрически неутрална частица от вещество, притежаваща всичките му химични свойства, физически неделима, но химически делима.
3. Химичен елемент - Това е вид атом с определен ядрен заряд.
4. Съединение атом :
|
частица |
Как да определите? |
Зареждане |
Тегло |
||
|
кл |
конвенционални единици |
а.е.м. |
|||
|
Електрон |
По редни Номер (Н) |
1.6 ∙ 10 -19 |
9.10 ∙ 10 -28 |
0.00055 |
|
|
Протон |
По редни номер (Н) |
1.6 ∙ 10 -19 |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00728 |
|
|
Неутрон |
Ar–N |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00866 |
||
5. Съединение атомно ядро :
Ядрото съдържа елементарни частици ( нуклони) –
протони(1 1 p ) и неутрони(1 0 n ).
· Защото Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото и m p ≈ m n≈ 1 amu, Че закръглена стойностA rна химичен елемент е равен на общия брой нуклони в ядрото.
7. Изотопи- разнообразие от атоми на един и същ химичен елемент, различаващи се един от друг само по своята маса.
· Изотопна нотация: вляво от символа на елемента посочете масовото число (отгоре) и атомния номер на елемента (отдолу)
· Защо изотопите имат различни маси?
Задача: Определете атомния състав на изотопите на хлора: 35 17кли 37 17кл?
· Изотопите имат различна маса поради различния брой неутрони в ядрата им.
8. В природата химичните елементи съществуват под формата на смеси от изотопи.
Изотопният състав на същия химичен елемент се изразява в атомни фракции(ω при.), които показват каква част съставлява броят на атомите на даден изотоп от общия брой атоми на всички изотопи на даден елемент, взети за единица или 100%.
Например:
ω при (35 17 Cl) = 0,754
ω при (37 17 Cl) = 0,246
9. Периодичната таблица показва средните стойности на относителните атомни маси на химичните елементи, като се вземе предвид техният изотопен състав. Следователно Ar, посочени в таблицата, са дробни.
A rср= ω при.(1) ∙ Ар (1) + … + ω при.(н ) ∙ Ар ( н )
Например:
A rср(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453
10. Проблем за решаване:
номер 1. Определете относителната атомна маса на бора, ако е известно, че моларната част на изотопа 10 B е 19,6%, а изотопът 11 B е 80,4%.
11. Масите на атомите и молекулите са много малки. В момента е приета единна система за измерване във физиката и химията.
1 аму =м(a.u.m.) = 1/12 м(12 C) = 1.66057 ∙ 10 -27 кг = 1,66057 ∙ 10 -24 g.
Абсолютни маси на някои атоми:
м( ° С) =1,99268 ∙ 10 -23 g
м( з) =1,67375 ∙ 10 -24 g
м( О) =2,656812 ∙ 10 -23 g
A r– показва колко пъти даден атом е по-тежък от 1/12 от 12 C атом. Г-н∙ 1,66 ∙ 10 -27 кг
13. Броят на атомите и молекулите в обикновените проби от вещества е много голям, следователно, когато се характеризира количеството на дадено вещество, се използва мерната единица -къртица .
· мол (ν)– единица за количество вещество, което съдържа същия брой частици (молекули, атоми, йони, електрони), колкото има атоми в 12 g изотоп 12 ° С
· Маса на 1 атом 12 ° Се равно на 12 amu, така че броят на атомите в 12 g изотоп 12 ° Сравно на:
N A= 12 g / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 g = 6.0221 ∙ 10 23
· Физическо количество N AНаречен Константата на Авогадро (числото на Авогадро) и има размерността [NA] = mol -1.
14. Основни формули:
М = Г-н = ρ ∙ Vm(ρ – плътност; V m – обем при нулево ниво)
Проблеми за самостоятелно решаване
номер 1. Изчислете броя на азотните атоми в 100 g амониев карбонат, съдържащ 10% неазотни примеси.
номер 2. При нормални условия 12 литра газова смес, състояща се от амоняк и въглероден диоксид, имат маса 18 g. Колко литра от всеки газ съдържа сместа?
номер 3. При излагане на излишък от солна киселина, 8,24 g смес от манганов оксид (IV) с неизвестния оксид MO 2, който не реагира със солна киселина, се получават 1,344 литра газ при околни условия. В друг експеримент беше установено, че моларното съотношение на мангановия оксид (IV) към неизвестния оксид е 3:1. Определете формулата на неизвестния оксид и изчислете неговата масова част в сместа.
Вероятно няма човек на земята, който да не е чувал за изотопите. Но не всеки знае какво е това. Изразът „радиоактивни изотопи” звучи особено плашещо. Тези странни химични елементи ужасяват човечеството, но в действителност не са толкова страшни, колкото изглеждат на пръв поглед.
Определение
За да разберем понятието радиоактивни елементи, е необходимо първо да кажем, че изотопите са проби от един и същ химичен елемент, но с различни маси. Какво означава? Въпросите ще изчезнат, ако първо си спомним структурата на атома. Състои се от електрони, протони и неутрони. Броят на първите две елементарни частици в ядрото на атома винаги е постоянен, докато неутроните, които имат собствена маса, могат да се срещат в едно и също вещество в различни количества. Това обстоятелство поражда различни химични елементи с различни физични свойства.
Сега можем да дадем научно определение на изследваното понятие. И така, изотопите са сборен набор от химични елементи, които са сходни по свойства, но имат различни маси и физични свойства. Според по-съвременната терминология те се наричат галактика от нуклеотиди на химичен елемент.
Малко история
В началото на миналия век учените откриха, че едно и също химично съединение при различни условия може да има различна маса на електронните ядра. От чисто теоретична гледна точка такива елементи могат да се считат за нови и те могат да започнат да запълват празните клетки в периодичната таблица на Д. Менделеев. Но в него има само девет свободни клетки, а учените откриха десетки нови елементи. Освен това математическите изчисления показаха, че откритите съединения не могат да се считат за неизвестни досега, тъй като техните химични свойства напълно съответстват на характеристиките на съществуващите.
След дълги дискусии беше решено тези елементи да се нарекат изотопи и да се поставят в същата кутия като тези, чиито ядра съдържат същия брой електрони. Учените са успели да установят, че изотопите са само някои вариации на химичните елементи. Въпреки това, причините за тяхното възникване и продължителността на живота са изследвани почти век. Дори в началото на 21 век е невъзможно да се каже, че човечеството знае абсолютно всичко за изотопите.
Устойчиви и нестабилни вариации
Всеки химичен елемент има няколко изотопа. Поради факта, че в техните ядра има свободни неутрони, те не винаги влизат в стабилни връзки с останалата част от атома. След известно време свободните частици напускат ядрото, което променя неговата маса и физични свойства. По този начин се образуват други изотопи, което в крайна сметка води до образуването на вещество с равен брой протони, неутрони и електрони.
Тези вещества, които се разпадат много бързо, се наричат радиоактивни изотопи. Те освобождават голям брой неутрони в космоса, образувайки мощно йонизиращо гама лъчение, известно със силната си проникваща способност, което влияе негативно на живите организми.
По-стабилните изотопи не са радиоактивни, тъй като броят на свободните неутрони, освободени от тях, не е в състояние да генерира радиация и да повлияе значително на други атоми.
Преди доста време учените установиха един важен модел: всеки химичен елемент има свои собствени изотопи, устойчиви или радиоактивни. Интересното е, че много от тях са получени в лабораторни условия, а присъствието им в естествен вид е малко и не винаги се отчита с уреди.
Разпространение в природата
В естествени условия най-често се срещат вещества, чиято изотопна маса се определя пряко от неговия пореден номер в таблицата на Д. Менделеев. Например водородът, обозначен със символа H, има атомен номер 1 и масата му е равна на единица. Неговите изотопи, 2H и 3H, са изключително редки в природата.
Дори човешкото тяло има някои радиоактивни изотопи. Те влизат чрез храната под формата на въглеродни изотопи, които от своя страна се абсорбират от растенията от почвата или въздуха и стават част от органичната материя по време на процеса на фотосинтеза. Следователно хората, животните и растенията излъчват определен радиационен фон. Само че е толкова ниско, че не пречи на нормалното функциониране и растеж.
Източниците, които допринасят за образуването на изотопи, са вътрешните слоеве на земното ядро и радиацията от космоса.
Както знаете, температурата на една планета до голяма степен зависи от нейното горещо ядро. Но съвсем наскоро стана ясно, че източникът на тази топлина е сложна термоядрена реакция, в която участват радиоактивни изотопи.
Изотопно разпадане
Тъй като изотопите са нестабилни образувания, може да се предположи, че с течение на времето те винаги се разпадат на по-постоянни ядра на химични елементи. Това твърдение е вярно, защото учените не са успели да открият огромни количества радиоактивни изотопи в природата. И повечето от тези, които са били извлечени в лаборатории, са продължили от няколко минути до няколко дни, след което са се превърнали обратно в обикновени химически елементи.
Но в природата има и изотопи, които се оказват много устойчиви на разпад. Те могат да съществуват милиарди години. Такива елементи са се образували в онези далечни времена, когато земята все още се е образувала и на повърхността й дори не е имало твърда кора.
Радиоактивните изотопи се разпадат и образуват отново много бързо. Ето защо, за да се улесни оценката на стабилността на изотопа, учените решиха да разгледат категорията на неговия полуживот.
Половин живот
Може да не е веднага ясно на всички читатели какво се разбира под това понятие. Нека го дефинираме. Времето на полуразпад на изотоп е времето, през което конвенционалната половина от взетото вещество ще престане да съществува.
Това не означава, че останалата част от връзката ще бъде унищожена за същия период от време. Във връзка с тази половина е необходимо да се вземе предвид друга категория - периодът от време, през който втората му част, тоест една четвърт от първоначалното количество вещество, ще изчезне. И това разглеждане продължава до безкрайност. Може да се предположи, че е просто невъзможно да се изчисли времето за пълно разпадане на първоначалното количество вещество, тъй като този процес е практически безкраен.
Учените обаче, знаейки времето на полуразпад, могат да определят колко от веществото е съществувало в началото. Тези данни се използват успешно в сродните науки.
В съвременния научен свят концепцията за пълно разпадане практически не се използва. За всеки изотоп е обичайно да се посочва неговият полуживот, който варира от няколко секунди до много милиарди години. Колкото по-нисък е полуживотът, толкова повече радиация идва от веществото и толкова по-висока е неговата радиоактивност.
Обогатяване на изкопаеми
В някои отрасли на науката и технологиите използването на относително големи количества радиоактивни вещества се счита за задължително. В естествени условия обаче има много малко такива съединения.
Известно е, че изотопите са необичайни варианти на химичните елементи. Техният брой се измерва в няколко процента от най-устойчивия сорт. Ето защо учените трябва изкуствено да обогатят изкопаемите материали.
През годините на изследвания научихме, че разпадането на изотоп е придружено от верижна реакция. Освободените неутрони от едно вещество започват да влияят на друго. В резултат на това тежките ядра се разпадат на по-леки и се получават нови химични елементи.
Това явление се нарича верижна реакция, в резултат на което могат да се получат по-стабилни, но по-рядко срещани изотопи, които впоследствие се използват в националната икономика.
Приложение на енергията на разпад
Учените също установиха, че по време на разпадането на радиоактивен изотоп се освобождава огромно количество свободна енергия. Количеството му обикновено се измерва с единицата Кюри, равна на времето на делене на 1 g радон-222 за 1 секунда. Колкото по-висок е този показател, толкова повече енергия се отделя.
Това стана причина за разработването на начини за използване на безплатна енергия. Така се появиха атомните реактори, в които се поставя радиоактивен изотоп. По-голямата част от освободената от него енергия се събира и преобразува в електричество. На базата на тези реактори се създават атомни електроцентрали, които осигуряват най-евтината електроенергия. По-малки версии на такива реактори са инсталирани на самоходни механизми. Предвид опасността от аварии най-често като такива превозни средства се използват подводници. В случай на повреда на реактора броят на жертвите на подводницата ще бъде по-лесен за минимизиране.
Друго много страшно използване на енергията от полуразпад са атомните бомби. По време на Втората световна война те са тествани върху хора в японските градове Хирошима и Нагасаки. Последствията бяха много тъжни. Следователно в света има споразумение за неизползване на тези опасни оръжия. В същото време големи държави с фокус върху милитаризацията продължават изследванията в тази област днес. Освен това много от тях, тайно от световната общност, произвеждат атомни бомби, които са хиляди пъти по-опасни от използваните в Япония.
Изотопи в медицината
За мирни цели те са се научили да използват разпадането на радиоактивни изотопи в медицината. Чрез насочване на радиацията към засегнатата област на тялото е възможно да се спре хода на заболяването или да се помогне на пациента да се възстанови напълно.
Но по-често за диагностика се използват радиоактивни изотопи. Работата е там, че тяхното движение и естеството на клъстера се определят най-лесно от излъчването, което произвеждат. Така в човешкото тяло се въвежда определено неопасно количество радиоактивно вещество и лекарите с инструменти наблюдават как и къде попада то.
По този начин те диагностицират функционирането на мозъка, естеството на раковите тумори и особеностите на функционирането на жлезите с вътрешна и екзокринна секреция.
Приложение в археологията
Известно е, че живите организми винаги съдържат радиоактивен въглерод-14, чийто период на полуразпад е 5570 години. Освен това учените знаят колко от този елемент се съдържа в тялото до момента на смъртта. Това означава, че всички отсечени дървета излъчват еднакво количество радиация. С течение на времето интензивността на радиацията намалява.
Това помага на археолозите да определят преди колко време е умряла дървесината, от която е построена галерата или друг кораб, и следователно времето на самото изграждане. Този метод на изследване се нарича анализ на радиоактивен въглерод. Благодарение на него за учените е по-лесно да установят хронологията на историческите събития.
