Izotopy chemických prvků se liší. Co jsou izotopy

Obsah článku

IZOTOPY– odrůdy stejného chemického prvku, které jsou podobné svými fyzikálně-chemickými vlastnostmi, ale mají různé atomové hmotnosti. Název „izotopy“ navrhl v roce 1912 anglický radiochemik Frederick Soddy, který jej vytvořil ze dvou řeckých slov: isos – identický a topos – místo. Izotopy zaujímají stejné místo v buňce Mendělejevovy periodické tabulky prvků.

Atom jakéhokoli chemického prvku se skládá z kladně nabitého jádra a oblaku záporně nabitých elektronů, které jej obklopují. Pozice chemického prvku v periodické tabulce Mendělejeva (jeho pořadové číslo) je určena nábojem jádra jeho atomů. Izotopy se proto nazývají odrůdy stejného chemického prvku, jehož atomy mají stejný jaderný náboj (a tedy prakticky stejné elektronové obaly), ale liší se v hodnotách jaderné hmotnosti. Podle obrazného vyjádření F. Soddyho jsou atomy izotopů stejné „vně“, ale odlišné „uvnitř“.

Neutron byl objeven v roce 1932 – částice, která nemá náboj, s hmotností blízkou hmotnosti jádra atomu vodíku - protonu , a vytvořili protonový-neutronový model jádra. Jako výsledek ve vědě byla stanovena konečná moderní definice pojmu izotopy: izotopy jsou látky, jejichž atomová jádra se skládají ze stejného počtu protonů a liší se pouze počtem neutronů v jádře . Každý izotop je obvykle označen sadou symbolů, kde X je symbol chemického prvku, Z je náboj atomového jádra (počet protonů), A je hmotnostní číslo izotopu (celkový počet nukleonů - protony a neutrony v jádře, A = Z + N). Vzhledem k tomu, že náboj jádra se zdá být jednoznačně spojen se symbolem chemického prvku, často se pro zkratku používá jednoduše označení A X.

Ze všech nám známých izotopů mají své vlastní názvy pouze izotopy vodíku. Izotopy 2H a 3H se tedy nazývají deuterium a tritium a jsou označeny jako D a T (izotop 1H se někdy nazývá protium).

V přírodě se vyskytuje jako stabilní izotopy , a nestabilní - radioaktivní, jejichž jádra atomů podléhají samovolné přeměně na jiná jádra za emise různých částic (neboli procesy tzv. radioaktivního rozpadu). Nyní je známo asi 270 stabilních izotopů a stabilní izotopy se nacházejí pouze v prvcích s atomovým číslem Z Ј 83. Počet nestabilních izotopů přesahuje 2000, naprostá většina z nich byla získána uměle v důsledku různých jaderných reakcí. Počet radioaktivních izotopů mnoha prvků je velmi velký a může přesáhnout dva tucty. Počet stabilních izotopů je výrazně menší Některé chemické prvky se skládají pouze z jednoho stabilního izotopu (berylium, fluor, sodík, hliník, fosfor, mangan, zlato a řada dalších prvků). Největší počet stabilních izotopů - 10 - byl nalezen v cínu, například v železe jsou 4 a ve rtuti - 7.

Objev izotopů, historické pozadí.

V roce 1808 anglický vědec přírodovědec John Dalton poprvé zavedl definici chemického prvku jako látky sestávající z atomů stejného typu. V roce 1869 objevil chemik D.I. Mendělejev periodický zákon chemických prvků. Jednou z obtíží při zdůvodňování konceptu prvku jako látky zaujímající určité místo v buňce periodické tabulky byly experimentálně pozorované neceločíselné atomové hmotnosti prvků. V roce 1866 předložil anglický fyzik a chemik Sir William Crookes hypotézu, že každý přírodní chemický prvek je určitou směsí látek, které jsou svými vlastnostmi totožné, ale mají různé atomové hmotnosti, ale v té době takový předpoklad ještě neexistoval. experimentální potvrzení a proto nevydrželo dlouho povšimnout.

Důležitým krokem k objevu izotopů byl objev fenoménu radioaktivity a hypotéza radioaktivního rozpadu formulovaná Ernstem Rutherfordem a Frederickem Soddym: radioaktivita není nic jiného než rozpad atomu na nabitou částici a atom jiného prvku. , lišící se svými chemickými vlastnostmi od původního. V důsledku toho vznikla myšlenka radioaktivních sérií nebo radioaktivních rodin , na jehož začátku je první mateřský prvek, který je radioaktivní, a na konci - poslední stabilní prvek. Analýza řetězců přeměn ukázala, že během jejich průběhu se v jedné buňce periodického systému mohou objevit stejné radioaktivní prvky, které se liší pouze atomovou hmotností. Ve skutečnosti to znamenalo zavedení konceptu izotopů.

Nezávislé potvrzení existence stabilních izotopů chemických prvků pak bylo získáno v experimentech J. J. Thomsona a Astona v letech 1912–1920 se svazky kladně nabitých částic (neboli tzv. channel beams ) vycházející z výbojové trubice.

V roce 1919 Aston navrhl přístroj zvaný hmotnostní spektrograf. (nebo hmotnostní spektrometr) . Iontový zdroj stále používal výbojovou trubici, ale Aston našel způsob, jak postupné vychylování svazku částic v elektrických a magnetických polích vedlo k fokusaci částic se stejným poměrem náboje k hmotnosti (bez ohledu na jejich rychlost) při stejný bod na obrazovce. Spolu s Astonem vznikl ve stejných letech i hmotnostní spektrometr trochu jiné konstrukce od Američana Dempstera. V důsledku následného použití a zdokonalení hmotnostních spektrometrů úsilím mnoha badatelů byla do roku 1935 sestavena téměř úplná tabulka izotopových složení všech do té doby známých chemických prvků.

Metody separace izotopů.

Pro studium vlastností izotopů a zejména pro jejich využití pro vědecké a aplikované účely je nutné je získávat ve více či méně znatelném množství. V konvenčních hmotnostních spektrometrech je dosaženo téměř úplné separace izotopů, ale jejich množství je zanedbatelně malé. Úsilí vědců a inženýrů proto směřovalo k hledání dalších možných metod separace izotopů. Nejprve byly zvládnuty fyzikálně chemické metody separace založené na rozdílech v takových vlastnostech izotopů téhož prvku, jako jsou rychlosti odpařování, rovnovážné konstanty, rychlosti chemických reakcí atd. Nejúčinnější z nich byly metody rektifikace a izotopové výměny, které se široce používají při průmyslové výrobě izotopů lehkých prvků: vodíku, lithia, boru, uhlíku, kyslíku a dusíku.

Další skupinu metod tvoří tzv. molekulárně kinetické metody: difúze plynu, tepelná difúze, hmotnostní difúze (difúze v proudu páry), centrifugace. Metody plynové difúze, založené na různých rychlostech difúze izotopových složek ve vysoce rozptýlených porézních médiích, byly během druhé světové války použity k organizaci průmyslové výroby separace izotopů uranu ve Spojených státech v rámci tzv. Manhattanského projektu na vytvoření atomová bomba. Pro získání požadovaného množství uranu obohaceného na 90 % lehkým izotopem 235 U, hlavní „hořlavou“ složkou atomové bomby, byly vybudovány závody na ploše asi čtyř tisíc hektarů. Na vytvoření atomového centra se závody na výrobu obohaceného uranu byly vyčleněny více než 2 miliardy dolarů. postavený v SSSR. V posledních letech tato metoda ustoupila účinnější a méně nákladné metodě centrifugace. Při této metodě je efektu separace směsi izotopů dosaženo díky různým účinkům odstředivých sil na složky směsi izotopů, které plní rotor odstředivky, což je tenkostěnný válec omezený nahoře a dole, rotující rychlostí velmi vysokou rychlostí ve vakuové komoře. Statisíce odstředivek zapojených do kaskád, z nichž rotor každé dělá více než tisíc otáček za sekundu, se v současnosti používají v moderních separačních závodech jak v Rusku, tak v dalších vyspělých zemích světa. Odstředivky slouží nejen k výrobě obohaceného uranu potřebného pro pohon jaderných reaktorů jaderných elektráren, ale také k výrobě izotopů asi třiceti chemických prvků ve střední části periodické tabulky. K separaci různých izotopů se v posledních letech používají i elektromagnetické separační jednotky s výkonnými iontovými zdroji, rozšířené jsou i metody laserové separace.

Aplikace izotopů.

Různé izotopy chemických prvků jsou široce používány ve vědeckém výzkumu, v různých oblastech průmyslu a zemědělství, v jaderné energetice, moderní biologii a medicíně, v environmentálních studiích a dalších oborech. Ve vědeckém výzkumu (například v chemické analýze) jsou zpravidla vyžadována malá množství vzácných izotopů různých prvků, počítaná v gramech nebo dokonce miligramech za rok. Přitom pro řadu izotopů široce používaných v jaderné energetice, medicíně a dalších průmyslových odvětvích může potřeba jejich výroby dosahovat mnoha kilogramů a dokonce i tun. Díky použití těžké vody D 2 O v jaderných reaktorech tak její celosvětová produkce na počátku 90. let minulého století činila asi 5000 tun ročně. Izotop vodíku deuterium, které je součástí těžké vody, jejíž koncentrace v přírodní směsi vodíku je pouze 0,015 %, se spolu s tritiem v budoucnu podle vědců stane hlavní složkou paliva energetické termonukleární energie. reaktory fungující na bázi reakcí jaderné fúze. V tomto případě bude potřeba výroby izotopů vodíku obrovská.

Ve vědeckém výzkumu jsou stabilní a radioaktivní izotopy široce používány jako izotopové indikátory (značky) při studiu široké škály procesů probíhajících v přírodě.

V zemědělství se izotopy („označené“ atomy) využívají například ke studiu procesů fotosyntézy, stravitelnosti hnojiv a ke stanovení účinnosti rostlinného využití dusíku, fosforu, draslíku, stopových prvků a dalších látek.

Izotopové technologie jsou široce používány v medicíně. V USA se tak podle statistik denně provede více než 36 tisíc lékařských výkonů a zhruba 100 milionů laboratorních testů pomocí izotopů. Mezi nejběžnější postupy patří počítačová tomografie. Izotop uhlíku C13, obohacený na 99 % (přirozený obsah asi 1 %), se aktivně využívá při tzv. „diagnostické kontrole dýchání“. Podstata testu je velmi jednoduchá. Obohacený izotop je zaveden do potravy pacienta a po účasti na metabolických procesech v různých orgánech těla je uvolňován ve formě oxidu uhličitého CO 2 vydechovaného pacientem, který je sbírán a analyzován pomocí spektrometru. Rozdíly v rychlostech procesů spojených s uvolňováním různých množství oxidu uhličitého, značeného izotopem C 13, umožňují posoudit stav různých orgánů pacienta. V USA se počet pacientů, kteří podstoupí tento test, odhaduje na 5 milionů ročně. Nyní se k výrobě vysoce obohaceného izotopu C13 v průmyslovém měřítku používají metody laserové separace.

Vladimír Ždanov

Tyto látky dnes nacházejí široké uplatnění zejména v různých aplikačních oblastech. Používají se jak k léčbě, tak k diagnostice nemocí.

Například radioaktivní jód-131 se používá k léčbě Gravesovy choroby štítné žlázy. V tomto případě se doporučuje podávat velké dávky těchto prvků, protože přispívají k destrukci abnormálních tkání, v důsledku čehož se obnovuje struktura orgánu a tím i funkce. Jód je také široce používán k diagnostice stavu štítné žlázy. Při jeho zavedení do těla se na obrazovce monitoru hodnotí rychlost ukládání v buňkách, na základě čehož se stanoví diagnóza.

Izotopy sodíku hrají důležitou roli v diagnostice poruch krevního oběhu.

Nejčastěji se v každodenním životě izotopy kobaltu, zejména kobalt-60, používají k léčbě nádorových onemocnění. Našel uplatnění v radiochirurgii při výrobě „kobaltových pistolí“, při dezinfekci pro sterilizaci lékařských nástrojů a materiálů.

Obecně se všechny metody studia vnitřních orgánů pomocí takových prvků obvykle nazývají radioizotopy. Izotopy lze také použít k získání prospěšných mikroorganismů. A jsou základem pro syntézu antibakteriálních látek.

Použití v průmyslu a zemědělství

Radioaktivní izotopy mají velký význam i v dalších oblastech lidské činnosti. Ve strojírenském průmyslu se používají ke stanovení stupně opotřebení různých dílů v motorech.

Lze je použít ke stanovení rychlosti difúze kovů ve vysokých pecích.

Důležitou oblastí je detekce chyb. Pomocí takových chemických prvků můžete studovat strukturu dílů, včetně kovových.

Pomocí radioaktivních izotopů vznikají nové odrůdy zemědělských rostlin. Navíc bylo vědecky prokázáno, že gama záření pomáhá zvyšovat výnosy plodin a zvyšuje jejich odolnost vůči nepříznivým faktorům. Tyto látky mají široké využití v chovu. Při hnojení rostlin se používá metoda, při které se označí radioaktivním fosforem a posoudí se účinnost hnojiva. Na základě všeho můžeme usoudit, že radioaktivní izotopy se používají v mnoha oblastech činnosti. Mají vlastnosti, které stejné prvky s normální atomovou hmotností nemají.

Chcete-li lépe porozumět tomu, co jsou izotopy, můžete hrát. Představte si velké průhledné koule. Někdy jsou k vidění v parku. Každá kulička je jádrem atomu.

Každé jádro se skládá z protonů a neutronů. Protony jsou kladně nabité částice. Místo protonů budete mít zajíčky na baterie. A místo neutronů jsou tu zajíčci bez baterií, protože nenesou žádný náboj. Do obou kuliček vložte 8 zajíčků s bateriemi. To znamená, že v každém kuličkovém jádru máte 8 kladně nabitých protonů. Nyní je zde to, co je třeba udělat se zajíci bez baterií - neutrony. Umístěte 8 neutronových zajíčků do jedné koule a 7 neutronových zajíčků do druhé.

Hmotnostní číslo je součet protonů a neutronů. Spočítejte zajíce v každé kouli a zjistěte hmotnostní číslo. V jedné kouli je hmotnostní číslo 16, v druhé kouli je 17. Vidíte dvě stejná jádra koulí se stejným počtem protonů. Jejich počet neutronů je různý. Kuličky fungovaly jako izotopy. Víš? Protože izotopy jsou variacemi stejného prvku s různým počtem neutronů. Ukazuje se, že tyto kuličky ve skutečnosti nejsou jen atomová jádra, ale skutečné chemické prvky v periodické tabulce. Pamatujete si, jaký náboj má +8? Samozřejmě je to kyslík. Nyní je jasné, že kyslík má několik izotopů a všechny se od sebe liší počtem neutronů. Izotop kyslíku s hmotnostním číslem 16 má 8 neutronů a izotop kyslíku s hmotnostním číslem 17 má 9 neutronů. Hmotnostní číslo je uvedeno v levé horní části chemické značky prvku.

Představte si balónky se zajíci a bude snazší porozumět izotopům. Izotopy jsou tedy atomy chemického prvku se stejným jaderným nábojem, ale různými hmotnostními čísly. Nebo definice: izotopy jsou varianty jednoho chemického prvku, které zaujímají stejné místo v Mendělejevově periodické tabulce prvků, ale zároveň se liší hmotností atomů.

Proč jsou potřebné znalosti o izotopech? Používají se izotopy různých prvků

Dokonce i starověcí filozofové tvrdili, že hmota je postavena z atomů. Vědci si však začali uvědomovat, že samotné „stavební kameny“ vesmíru se skládají z drobných částic až na přelomu 19. a 20. století. Experimenty, které to dokazují, způsobily svého času skutečnou revoluci ve vědě. Je to kvantitativní poměr jeho složek, který odlišuje jeden chemický prvek od druhého. Každý z nich má přiděleno své místo podle pořadového čísla. Existují však různé druhy atomů, které zabírají stejné buňky v tabulce, navzdory rozdílům v hmotnosti a vlastnostech. Proč tomu tak je a jaké izotopy v chemii jsou, bude diskutováno dále.

Atom a jeho částice

Studiem struktury hmoty pomocí bombardování alfa částicemi E. Rutherford v roce 1910 dokázal, že hlavní prostor atomu je vyplněn prázdnotou. A pouze ve středu je jádro. Negativní elektrony se kolem něj pohybují po orbitalech a tvoří obal tohoto systému. Tak vznikl planetární model „stavebních kamenů“ hmoty.

Co jsou izotopy? Pamatujte si z vašeho kurzu chemie, že jádro má také složitou strukturu. Skládá se z kladných protonů a neutronů, které nemají žádný náboj. Číslo prvního určuje kvalitativní charakteristiky chemického prvku. Je to počet protonů, který látky od sebe odlišuje a dává jejich jádrům určitý náboj. A na základě toho je jim přiděleno pořadové číslo v periodické tabulce. Ale počet neutronů ve stejném chemickém prvku je rozlišuje na izotopy. Definice tohoto pojmu v chemii může být proto uvedena následovně. Jedná se o různé druhy atomů, které se liší složením jádra, mají stejný náboj a atomová čísla, ale mají různá hmotnostní čísla kvůli rozdílům v počtu neutronů.

Označení

Při studiu chemie v 9. ročníku a izotopů se studenti seznámí s přijatými konvencemi. Písmeno Z označuje náboj jádra. Tento údaj se shoduje s počtem protonů a je tedy jejich ukazatelem. Součet těchto prvků s neutrony označenými N je A - hmotnostní číslo. Rodina izotopů jedné látky je obvykle označena symbolem tohoto chemického prvku, kterému je v periodické tabulce přiřazeno pořadové číslo, které se shoduje s počtem protonů v něm. Levý horní index přidaný k uvedené ikoně odpovídá hromadnému číslu. Například 238 U. Náboj prvku (v tomto případě uranu, označeného pořadovým číslem 92) je označen podobným indexem níže.

Znáte-li tato data, můžete snadno vypočítat počet neutronů v daném izotopu. Rovná se hmotnostnímu číslu mínus sériové číslo: 238 - 92 = 146. Počet neutronů by mohl být menší, ale to by nezpůsobilo, že by tento chemický prvek přestal zůstat uranem. Je třeba poznamenat, že nejčastěji v jiných, jednodušších látkách je počet protonů a neutronů přibližně stejný. Takové informace pomáhají pochopit, co je izotop v chemii.

Nukleony

Právě počet protonů dává určitému prvku jeho individualitu a počet neutronů jej nijak neovlivňuje. Ale atomová hmotnost se skládá z těchto dvou specifikovaných prvků, které mají společný název „nukleony“, představující jejich součet. Tento indikátor však nezávisí na těch, které tvoří záporně nabitý obal atomu. Proč? Nezbývá než porovnávat.

Zlomek hmotnosti protonu v atomu je velký a činí přibližně 1 a. e.m. nebo 1,672 621 898(21) 10-27 kg. Neutron se blíží výkonu této částice (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). Ale hmotnost elektronu je tisíckrát menší, je považována za nevýznamnou a nebere se v úvahu. Proto při znalosti horního indexu prvku v chemii není těžké zjistit složení izotopového jádra.

Izotopy vodíku

Izotopy některých prvků jsou v přírodě natolik známé a rozšířené, že dostaly svá vlastní jména. Nejnápadnějším a nejjednodušším příkladem je vodík. Přirozeně se vyskytuje ve své nejběžnější formě, protium. Tento prvek má hmotnostní číslo 1 a jeho jádro se skládá z jednoho protonu.

Co jsou tedy izotopy vodíku v chemii? Jak je známo, atomy této látky mají první číslo v periodické tabulce, a proto jsou v přírodě vybaveny nábojovým číslem 1, ale počet neutronů v jádře atomu je jiný. Deuterium, což je těžký vodík, má kromě protonu ve svém jádru ještě jednu částici, tedy neutron. Výsledkem je, že tato látka vykazuje své vlastní fyzikální vlastnosti, na rozdíl od protium, má svou vlastní hmotnost, body tání a varu.

tritium

Tritium je nejsložitější ze všech. Jedná se o supertěžký vodík. Podle definice izotopů v chemii má nábojové číslo 1, ale hmotnostní číslo 3. Často se nazývá triton, protože kromě jednoho protonu má v jádře dva neutrony, to znamená, že se skládá ze tří prvků. Jméno tohoto prvku, objeveného v roce 1934 Rutherfordem, Oliphantem a Harteckem, bylo navrženo ještě před jeho objevením.

Jedná se o nestabilní látku vykazující radioaktivní vlastnosti. Jeho jádro má schopnost rozdělit se na beta částici a elektronové antineutrino. Rozpadová energie této látky není příliš vysoká a činí 18,59 keV. Proto takové záření není pro člověka příliš nebezpečné. Ochránit před ní může běžný oděv a chirurgické rukavice. A tento radioaktivní prvek získaný z potravy se z těla rychle vyloučí.

Izotopy uranu

Mnohem nebezpečnější jsou různé druhy uranu, kterých věda v současnosti zná 26. Proto, když se mluví o tom, jaké izotopy jsou v chemii, nelze tento prvek nezmínit. Navzdory rozmanitosti typů uranu se v přírodě vyskytují pouze tři izotopy. Patří mezi ně 234 U, 235 U, 238 U. První z nich, mající vhodné vlastnosti, se aktivně používá jako palivo v jaderných reaktorech. A ten druhý slouží k výrobě plutonia-239, které je samo o sobě jako cenné palivo nenahraditelné.

Každý z radioaktivních prvků je charakterizován svým vlastním. Jedná se o dobu, během níž je látka štěpena v poměru ½. To znamená, že v důsledku tohoto procesu se množství zbývající části látky sníží na polovinu. Tato doba je pro uran obrovská. Například u izotopu-234 se odhaduje na 270 tisíc let, ale u dalších dvou specifikovaných odrůd je mnohem významnější. Uran-238 má rekordní poločas rozpadu, který trvá miliardy let.

Nuklidy

Ne každý typ atomu, charakteristický svým vlastním a přesně definovaným počtem protonů a elektronů, je natolik stabilní, aby existoval alespoň po dlouhou dobu dostatečnou pro jeho studium. Ty, které jsou relativně stabilní, se nazývají nuklidy. Stabilní útvary tohoto druhu nepodléhají radioaktivnímu rozpadu. Nestabilní se nazývají radionuklidy a podle pořadí se také dělí na krátkodobé a dlouhodobé. Jak víte z hodin chemie v 11. třídě o struktuře izotopových atomů, osmium a platina mají největší počet radionuklidů. Kobalt a zlato mají každý jeden stabilní nuklid a cín má největší počet stabilních nuklidů.

Výpočet atomového čísla izotopu

Nyní se pokusíme shrnout dříve popsané informace. Po pochopení toho, co jsou izotopy v chemii, je čas zjistit, jak využít získané znalosti. Podívejme se na to na konkrétním příkladu. Předpokládejme, že je známo, že určitý chemický prvek má hmotnostní číslo 181. Navíc obal atomu této látky obsahuje 73 elektronů. Jak lze pomocí periodické tabulky zjistit název daného prvku a také počet protonů a neutronů v jeho jádře?

Začněme problém řešit. Název látky můžete určit tak, že znáte její sériové číslo, které odpovídá počtu protonů. Protože počet kladných a záporných nábojů v atomu je stejný, je to 73. To znamená, že se jedná o tantal. Navíc celkový počet nukleonů celkem je 181, což znamená, že protonů tohoto prvku je 181 - 73 = 108. Celkem jednoduché.

Izotopy galia

Prvek gallium má atomové číslo 71. V přírodě má tato látka dva izotopy - 69 Ga a 71 Ga. Jak určit procento druhů gallia?

Řešení problémů s izotopy v chemii téměř vždy zahrnuje informace, které lze získat z periodické tabulky. Tentokrát byste měli udělat totéž. Z uvedeného zdroje určíme průměrnou atomovou hmotnost. To se rovná 69,72. Když jsme pomocí x a y označili kvantitativní poměr prvního a druhého izotopu, vezmeme jejich součet rovný 1. To znamená, že to bude zapsáno ve tvaru rovnice: x + y = 1. Z toho vyplývá, že 69x + 71y = 69,72. Vyjádříme-li y pomocí x a dosadíme-li první rovnici do druhé, zjistíme, že x = 0,64 a y = 0,36. To znamená, že 69 Ga se v přírodě nachází 64 % a procento 71 Ga je 34 %.

Izotopové transformace

Radioaktivní štěpení izotopů s jejich přeměnou na jiné prvky se dělí na tři hlavní typy. První z nich je rozpad alfa. Dochází k němu při emisi částice představující jádro atomu helia. To znamená, že se jedná o formaci skládající se z kombinace párů neutronů a protonů. Protože množství posledně jmenovaného určuje číslo náboje a počet atomů látky v periodické tabulce, v důsledku tohoto procesu dochází ke kvalitativní přeměně jednoho prvku na jiný a v tabulce se posouvá doleva o dvě buňky. V tomto případě se hmotnostní číslo prvku sníží o 4 jednotky. Poznáme to ze struktury izotopových atomů.

Když jádro atomu ztratí beta částici, v podstatě elektron, změní se jeho složení. Jeden z neutronů se přemění na proton. To znamená, že kvalitativní charakteristiky látky se opět změní a prvek se posune v tabulce o jednu buňku doprava, aniž by prakticky ztratil váhu. Typicky je taková transformace spojena s elektromagnetickým zářením gama.

Transformace izotopů radia

Výše uvedené informace a poznatky z chemie 11. ročníku o izotopech opět pomáhají řešit praktické problémy. Například následující: 226 Ra se během rozpadu změní na chemický prvek skupiny IV s hmotnostním číslem 206. Kolik částic alfa a beta by měl ztratit?

Vezmeme-li v úvahu změny hmotnosti a skupiny dceřiného prvku pomocí periodické tabulky, lze snadno určit, že izotop vzniklý při štěpení bude olovo s nábojem 82 a hmotnostním číslem 206. vzhledem k nábojovému číslu tohoto prvku a původnímu radiu by se mělo předpokládat, že jeho jádro ztratilo pět alfa-částic a čtyři beta částice.

Použití radioaktivních izotopů

Každý si je dobře vědom škod, které může radioaktivní záření způsobit živým organismům. Vlastnosti radioaktivních izotopů jsou však pro člověka užitečné. Úspěšně se používají v mnoha průmyslových odvětvích. S jejich pomocí je možné odhalit netěsnosti inženýrských a stavebních objektů, podzemních potrubí a ropovodů, zásobníků, výměníků tepla v elektrárnách.

Tyto vlastnosti jsou také aktivně využívány ve vědeckých experimentech. Například moucha tse-tse je přenašečem mnoha závažných onemocnění pro lidi, hospodářská zvířata i domácí zvířata. Aby se tomu zabránilo, jsou samci tohoto hmyzu sterilizováni pomocí slabého radioaktivního záření. Izotopy jsou také nepostradatelné při studiu mechanismů některých chemických reakcí, protože atomy těchto prvků lze použít ke značení vody a dalších látek.

Označené izotopy se také často používají v biologickém výzkumu. Tak se například zjistilo, jak fosfor ovlivňuje půdu, růst a vývoj kulturních rostlin. Vlastnosti izotopů se úspěšně využívají i v medicíně, což umožnilo léčit rakovinové nádory a další závažná onemocnění a určovat stáří biologických organismů.

Zopakujte si hlavní body tématu „Základní pojmy chemie“ a vyřešte navržené problémy. Použijte č. 6-17.

Základní ustanovení

1. Látka(jednoduchý a složitý) je jakýkoli soubor atomů a molekul umístěných v určitém stavu agregace.

Přeměny látek doprovázené změnami v jejich složení a (nebo) struktuře se nazývají chemické reakce .

2. Konstrukční jednotky látek:

· Atom- nejmenší elektricky neutrální částice chemického prvku nebo jednoduché látky, mající všechny své chemické vlastnosti a poté fyzikálně a chemicky nedělitelné.

· Molekula- nejmenší elektricky neutrální částice látky, mající všechny její chemické vlastnosti, fyzikálně nedělitelná, ale chemicky dělitelná.

3. Chemický prvek - Jedná se o typ atomu s určitým jaderným nábojem.

4. Sloučenina atom :

Částice	Jak určit?	Nabít		Hmotnost
		Cl	konvenční jednotky		a.e.m.
Elektron	Podle řadového Číslo (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Proton	Podle řadového číslo (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Neutron	Ar-N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Sloučenina atomové jádro :

Jádro obsahuje elementární částice ( nukleony) –

protony(1 1 p ) a neutrony(10 n).

· Protože Téměř veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jádře a m p ≈ m n≈ 1 amu, Že zaokrouhlená hodnotaA rchemického prvku se rovná celkovému počtu nukleonů v jádře.

7. Izotopy- různé atomy téhož chemického prvku, lišící se od sebe pouze svou hmotností.

· Izotopový zápis: vlevo od symbolu prvku označte hmotnostní číslo (nahoře) a atomové číslo prvku (dole)

· Proč mají izotopy různé hmotnosti?

Zadání: Určete atomové složení izotopů chloru: 35 17Cla 37 17Cl?

· Izotopy mají různé hmotnosti kvůli různému počtu neutronů v jejich jádrech.

8. V přírodě existují chemické prvky ve formě směsí izotopů.

Izotopové složení stejného chemického prvku je vyjádřeno v atomové zlomky(ω at.), které udávají, jakou část tvoří počet atomů daného izotopu z celkového počtu atomů všech izotopů daného prvku, braný jako jeden nebo 100 %.

Například:

ω na (35 17 Cl) = 0,754

ω na (37 17 Cl) = 0,246

9. Periodická tabulka ukazuje průměrné hodnoty relativních atomových hmotností chemických prvků s přihlédnutím k jejich izotopovému složení. Proto Ar uvedené v tabulce jsou zlomkové.

A rSt= ω v. (1) ∙ Ar (1) + … + ω na.(n ) ∙ Ar ( n )

Například:

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

10. Problém k řešení:

Č.1. Určete relativní atomovou hmotnost boru, je-li známo, že molární zlomek izotopu 10B je 19,6 % a izotopu 11B je 80,4 %.

11. Hmotnosti atomů a molekul jsou velmi malé. V současné době je ve fyzice a chemii přijat jednotný systém měření.

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

Absolutní hmotnosti některých atomů:

m( C) =1,99268 ∙ 10-23 g

m( H) =1,67375 ∙ 10-24 g

m( Ó) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– ukazuje, kolikrát je daný atom těžší než 1/12 atomu 12 C. pan r∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Počet atomů a molekul v běžných vzorcích látek je velmi velký, proto se při charakterizaci množství látky používá jednotka měření -krtek .

· krtek (ν)– jednotka množství látky, která obsahuje stejný počet částic (molekul, atomů, iontů, elektronů), jako je atomů ve 12 g izotopu 12 C

· Hmotnost 1 atomu 12 C se rovná 12 amu, tedy počet atomů ve 12 g izotopu 12 C rovná se:

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

· Fyzické množství N A volal Avogadrova konstanta (Avogadroovo číslo) a má rozměr [N A] = mol -1.

14. Základní vzorce:

M = pan r = ρ ∙ V m(ρ – hustota; V m – objem na nulové hladině)

Problémy řešit samostatně

Č.1. Vypočítejte počet atomů dusíku ve 100 g uhličitanu amonného obsahujícího 10 % nedusíkových nečistot.

č. 2 Za normálních podmínek má 12 litrů směsi plynů sestávající z amoniaku a oxidu uhličitého hmotnost 18 g. Kolik litrů každého plynu směs obsahuje?

č. 3. Při vystavení přebytku kyseliny chlorovodíkové se 8,24 g směsi oxidu manganu (IV) s neznámým oxidem MO 2, který nereaguje s kyselinou chlorovodíkovou, bylo při okolních podmínkách získáno 1,344 litrů plynu. V dalším experimentu bylo zjištěno, že molární poměr oxidu manganu (IV) k neznámému oxidu je 3:1. Určete vzorec neznámého oxidu a vypočítejte jeho hmotnostní zlomek ve směsi.

Pravděpodobně není na zemi člověka, který by neslyšel o izotopech. Ale ne každý ví, co to je. Fráze „radioaktivní izotopy“ zní obzvláště děsivě. Tyto podivné chemické prvky děsí lidstvo, ale ve skutečnosti nejsou tak děsivé, jak by se na první pohled mohlo zdát.

Definice

Pro pochopení pojmu radioaktivní prvky je nutné nejprve říci, že izotopy jsou vzorky stejného chemického prvku, ale s různou hmotností. Co to znamená? Otázky zmizí, pokud si nejprve vzpomeneme na strukturu atomu. Skládá se z elektronů, protonů a neutronů. Počet prvních dvou elementárních částic v jádře atomu je vždy konstantní, zatímco neutrony, které mají vlastní hmotnost, se mohou v téže látce vyskytovat v různém množství. Tato okolnost dává vzniknout řadě chemických prvků s různými fyzikálními vlastnostmi.

Nyní můžeme poskytnout vědeckou definici studovaného pojmu. Izotopy jsou tedy kolektivní soubor chemických prvků, které mají podobné vlastnosti, ale mají různé hmotnosti a fyzikální vlastnosti. Podle modernější terminologie se jim říká galaxie nukleotidů chemického prvku.

Trochu historie

Na začátku minulého století vědci zjistili, že stejná chemická sloučenina za různých podmínek může mít různé hmotnosti elektronových jader. Z čistě teoretického hlediska by takové prvky mohly být považovány za nové a mohly by začít zaplňovat prázdné buňky v periodické tabulce D. Mendělejeva. Volných buněk je v něm ale jen devět a vědci objevili desítky nových prvků. Matematické výpočty navíc ukázaly, že objevené sloučeniny nelze považovat za dříve neznámé, protože jejich chemické vlastnosti plně odpovídaly charakteristikám existujících.

Po dlouhých diskuzích bylo rozhodnuto nazvat tyto prvky izotopy a umístit je do stejné krabice s těmi, jejichž jádra obsahují stejný počet elektronů. Vědci byli schopni určit, že izotopy jsou jen některé variace chemických prvků. Příčiny jejich výskytu a délka života jsou však zkoumány již téměř století. Ani na začátku 21. století se nedá říct, že by lidstvo ví o izotopech úplně všechno.

Trvalé a nestabilní variace

Každý chemický prvek má několik izotopů. Vzhledem k tomu, že v jejich jádrech jsou volné neutrony, nevstupují vždy do stabilních vazeb se zbytkem atomu. Po nějaké době volné částice opouštějí jádro, čímž se mění jeho hmotnost a fyzikální vlastnosti. Tímto způsobem se tvoří další izotopy, což v konečném důsledku vede ke vzniku látky se stejným počtem protonů, neutronů a elektronů.

Ty látky, které se velmi rychle rozkládají, se nazývají radioaktivní izotopy. Uvolňují velké množství neutronů do vesmíru a tvoří silné ionizující záření gama, známé svou silnou pronikavou silou, která negativně ovlivňuje živé organismy.

Stabilnější izotopy nejsou radioaktivní, protože počet jimi uvolněných volných neutronů není schopen generovat záření a významně ovlivňovat další atomy.

Před poměrně dlouhou dobou vědci stanovili jeden důležitý vzorec: každý chemický prvek má své vlastní izotopy, perzistentní nebo radioaktivní. Zajímavé je, že mnoho z nich bylo získáno v laboratorních podmínkách a jejich přítomnost v přirozené formě je malá a ne vždy je přístroji detekována.

Distribuce v přírodě

V přírodních podmínkách se nejčastěji vyskytují látky, jejichž izotopová hmotnost je přímo určena jejich pořadovým číslem v tabulce D. Mendělejeva. Například vodík, označený symbolem H, má atomové číslo 1 a jeho hmotnost se rovná jedné. Jeho izotopy, 2H a 3H, jsou v přírodě extrémně vzácné.

Dokonce i lidské tělo má některé radioaktivní izotopy. Dostávají se potravou ve formě izotopů uhlíku, které jsou zase absorbovány rostlinami z půdy nebo vzduchu a stávají se součástí organické hmoty během procesu fotosyntézy. Proto lidé, zvířata a rostliny vyzařují určité záření na pozadí. Jen je tak nízký, že nenarušuje normální fungování a růst.

Zdroji, které se podílejí na vzniku izotopů, jsou vnitřní vrstvy zemského jádra a záření z vesmíru.

Jak víte, teplota na planetě do značné míry závisí na jejím horkém jádru. Teprve velmi nedávno se ale ukázalo, že zdrojem tohoto tepla je složitá termonukleární reakce, na které se podílejí radioaktivní izotopy.

Izotopový rozpad

Vzhledem k tomu, že izotopy jsou nestabilní útvary, lze předpokládat, že se časem vždy rozpadají na trvalejší jádra chemických prvků. Toto tvrzení je pravdivé, protože vědci nebyli schopni detekovat obrovské množství radioaktivních izotopů v přírodě. A většina těch, které byly extrahovány v laboratořích, trvala od několika minut do několika dnů a poté se změnila zpět na běžné chemické prvky.

V přírodě jsou ale také izotopy, které se ukazují jako velmi odolné vůči rozkladu. Mohou existovat miliardy let. Takové prvky vznikaly v oněch vzdálených dobách, kdy se země ještě tvořila a na jejím povrchu nebyla ani pevná kůra.

Radioaktivní izotopy se velmi rychle rozpadají a znovu se tvoří. Proto se vědci, aby usnadnili hodnocení stability izotopu, rozhodli zvážit kategorii jeho poločasu rozpadu.

Poločas rozpadu

Všem čtenářům nemusí být hned jasné, co se pod tímto pojmem míní. Pojďme to definovat. Poločas rozpadu izotopu je doba, během níž přestane existovat konvenční polovina odebrané látky.

To neznamená, že za stejnou dobu bude zničen zbytek připojení. V souvislosti s touto polovinou je třeba uvažovat i o další kategorii - o časovém úseku, během kterého zmizí její druhá část, tedy čtvrtina původního množství látky. A tato úvaha pokračuje do nekonečna. Dá se předpokládat, že je prostě nemožné vypočítat dobu úplného rozpadu počátečního množství látky, protože tento proces je prakticky nekonečný.

Vědci, kteří znají poločas rozpadu, však mohou určit, kolik látky na počátku existovalo. Tato data jsou úspěšně využívána v příbuzných vědách.

V moderním vědeckém světě se koncept úplného rozpadu prakticky nepoužívá. U každého izotopu je obvyklé uvádět jeho poločas rozpadu, který se pohybuje od několika sekund po mnoho miliard let. Čím nižší je poločas rozpadu, tím více záření pochází z látky a tím vyšší je její radioaktivita.

Fosilní užitek

V některých oborech vědy a techniky je používání relativně velkého množství radioaktivních látek považováno za povinné. V přírodních podmínkách je však takových sloučenin velmi málo.

Je známo, že izotopy jsou neobvyklé varianty chemických prvků. Jejich počet se měří v několika procentech nejodolnější odrůdy. To je důvod, proč vědci potřebují uměle obohacovat fosilní materiály.

Za léta výzkumu jsme zjistili, že rozpad izotopu je doprovázen řetězovou reakcí. Uvolněné neutrony jedné látky začnou ovlivňovat druhou. V důsledku toho se těžká jádra rozpadají na lehčí a získávají se nové chemické prvky.

Tento jev se nazývá řetězová reakce, v jejímž důsledku lze získat stabilnější, ale méně obvyklé izotopy, které jsou následně využívány v národním hospodářství.

Aplikace rozpadové energie

Vědci také zjistili, že při rozpadu radioaktivního izotopu se uvolňuje obrovské množství volné energie. Jeho množství se obvykle měří Curieovou jednotkou, která se rovná době štěpení 1 g radonu-222 za 1 sekundu. Čím vyšší je tento ukazatel, tím více energie se uvolňuje.

To se stalo důvodem pro vývoj způsobů využití volné energie. Tak vznikly jaderné reaktory, do kterých je umístěn radioaktivní izotop. Většina energie, kterou uvolňuje, se shromažďuje a přeměňuje na elektřinu. Na základě těchto reaktorů vznikají jaderné elektrárny, které poskytují nejlevnější elektřinu. Menší verze takových reaktorů jsou instalovány na samohybných mechanismech. Vzhledem k nebezpečí nehod se jako taková vozidla nejčastěji používají ponorky. V případě poruchy reaktoru bude snazší minimalizovat počet obětí na ponorce.

Dalším velmi děsivým využitím energie poločasu rozpadu jsou atomové bomby. Během druhé světové války byly testovány na lidech v japonských městech Hirošima a Nagasaki. Následky byly velmi smutné. Ve světě proto existuje dohoda o nepoužívání těchto nebezpečných zbraní. Velké státy se zaměřením na militarizaci přitom pokračují ve výzkumu v této oblasti i dnes. Navíc mnoho z nich, tajně ze světového společenství, vyrábí atomové bomby, které jsou tisíckrát nebezpečnější než ty, které se používají v Japonsku.

Izotopy v medicíně

Pro mírové účely se v medicíně naučili využívat rozpad radioaktivních izotopů. Nasměrováním záření na postiženou oblast těla můžete zastavit průběh onemocnění nebo pomoci pacientovi se zcela zotavit.

Ale častěji se pro diagnostiku používají radioaktivní izotopy. Jde o to, že jejich pohyb a povahu kupy lze nejsnáze určit zářením, které produkují. Do lidského těla se tak dostane určité zdravotně nezávadné množství radioaktivní látky a lékaři pomocí přístrojů pozorují, jak a kam se dostane.

Diagnostikují tak fungování mozku, povahu rakovinných nádorů a zvláštnosti fungování endokrinních a exokrinních žláz.

Aplikace v archeologii

Je známo, že živé organismy vždy obsahují radioaktivní uhlík-14, jehož poločas rozpadu je 5570 let. Vědci navíc vědí, jaké množství tohoto prvku je v těle obsaženo až do okamžiku smrti. To znamená, že všechny pořezané stromy vyzařují stejné množství záření. Postupem času se intenzita záření snižuje.

To archeologům pomáhá určit, jak dávno zemřelo dřevo, ze kterého byla postavena galéra nebo jakákoli jiná loď, a tedy i samotná doba stavby. Tato výzkumná metoda se nazývá analýza radioaktivního uhlíku. Díky němu je pro vědce snazší stanovit chronologii historických událostí.