A cikk tartalma
IZOTÓPOK– ugyanannak a kémiai elemnek a fizikai-kémiai tulajdonságaikban hasonló, de eltérő atomtömegű változatai. Az „izotópok” elnevezést 1912-ben Frederick Soddy angol radiokémikus javasolta, aki két görög szóból alkotta meg: isos - azonos és topos - hely. Az izotópok ugyanazt a helyet foglalják el a Mengyelejev-féle elemperiódusos rendszer cellájában.
Bármely kémiai elem atomja egy pozitív töltésű atommagból és egy azt körülvevő negatív töltésű elektronfelhőből áll. Egy kémiai elem helyzetét Mengyelejev periódusos rendszerében (sorszáma) az atommag töltése határozza meg. Izotópok ezért hívják ugyanazon kémiai elem fajtái, amelyek atomjainak azonos a magtöltése (és ezért gyakorlatilag ugyanazok az elektronhéjak), de a nukleáris tömegértékekben különböznek. F. Soddy figuratív kifejezése szerint az izotópok atomjai „kint” ugyanazok, de „belül” különbözőek.
A neutront 1932-ben fedezték fel – töltés nélküli részecske, amelynek tömege közel van a hidrogénatom atommagjának tömegéhez - proton , és létrehozta az atommag proton-neutron modellje. Ennek eredményeként a tudományban kialakult az izotóp fogalmának végső modern definíciója: az izotópok olyan anyagok, amelyek atommagja azonos számú protonból áll, és csak a neutronok számában különböznek az atommagban. . Az egyes izotópokat általában egy szimbólumkészlettel jelöljük, ahol X a kémiai elem szimbóluma, Z az atommag töltése (a protonok száma), A az izotóp tömegszáma (a nukleonok teljes száma). - protonok és neutronok az atommagban, A = Z + N). Mivel úgy tűnik, hogy az atommag töltése egyedülállóan kapcsolódik a kémiai elem szimbólumához, egyszerűen az A X jelölést használják a rövidítésre.
Az összes általunk ismert izotóp közül csak a hidrogénizotópoknak van saját neve. Így a 2H és 3H izotópokat deutériumnak és tríciumnak nevezik, és D-nek, illetve T-nek nevezik (az 1H izotópot néha protiumnak is nevezik).
A természetben stabil izotópként fordul elő , és instabil - radioaktív, amelyek atommagjai különböző részecskék kibocsátásával (vagy úgynevezett radioaktív bomlási folyamatok) spontán átalakulásnak vannak kitéve más atommagokká. Jelenleg mintegy 270 stabil izotóp ismeretes, stabil izotópok pedig csak a Z Ј 83 rendszámú elemekben találhatók meg. Az instabil izotópok száma meghaladja a 2000-et, túlnyomó többségüket mesterségesen nyerték különféle magreakciók eredményeként. Számos elem radioaktív izotópjainak száma nagyon nagy, és meghaladhatja a két tucatot. A stabil izotópok száma lényegesen kisebb Néhány kémiai elem csak egy stabil izotópból áll (berillium, fluor, nátrium, alumínium, foszfor, mangán, arany és számos más elem). A legtöbb stabil izotóp - 10 - az ónban található, például a vasban 4, a higanyban pedig - 7.
Izotópok felfedezése, történelmi háttér.
1808-ban John Dalton angol természettudós először vezette be a kémiai elem meghatározását, mint azonos típusú atomokból álló anyagot. 1869-ben a vegyész D. I. Mengyelejev felfedezte a kémiai elemek periodikus törvényét. Az elem, mint a periódusos rendszer cellájában meghatározott helyet elfoglaló anyag fogalmának alátámasztásának egyik nehézségét az elemek kísérletileg megfigyelt nem egész atomsúlya okozta. 1866-ban Sir William Crookes angol fizikus és kémikus azt a hipotézist terjesztette elő, hogy minden természetes kémiai elem olyan anyagok keveréke, amelyek tulajdonságaiban azonosak, de eltérő atomtömegűek, de akkoriban még nem volt ilyen feltevés. kísérleti megerősítést, és ezért nem tartott sokáig észre.
Az izotópok felfedezése felé fontos lépés volt a radioaktivitás jelenségének felfedezése, valamint a radioaktív bomlás Ernst Rutherford és Frederick Soddy által megfogalmazott hipotézise: a radioaktivitás nem más, mint egy atom bomlása töltött részecskévé és egy másik elem atomjává. , kémiai tulajdonságaiban különbözik az eredetitől. Ennek eredményeként felmerült a radioaktív sorozatok vagy radioaktív családok ötlete , amelynek elején van az első szülőelem, amely radioaktív, és a végén - az utolsó stabil elem. Az átalakulások láncolatainak elemzése kimutatta, hogy lefutásuk során a periódusos rendszer egy cellájában ugyanazok, csak atomtömegükben eltérő radioaktív elemek jelenhetnek meg. Valójában ez az izotóp fogalmának bevezetését jelentette.
A kémiai elemek stabil izotópjainak létezésére vonatkozó független megerősítést kaptak J. J. Thomson és Aston 1912–1920-ban végzett kísérletei pozitív töltésű részecskék nyalábjaival (vagy úgynevezett csatornanyalábokkal). ) a kisülőcsőből kiáramló.
1919-ben az Aston megtervezett egy tömegspektrográf nevű műszert. (vagy tömeg-spektrométer) . Az ionforrás továbbra is kisülési csövet használt, de az Aston megtalálta a módját, hogy a részecskenyaláb elektromos és mágneses térben történő egymás utáni eltérítése a részecskék azonos töltés/tömeg arányú (sebességüktől függetlenül) fókuszálásához vezetett. ugyanaz a pont a képernyőn. Az Aston mellett egy kicsit más kialakítású tömegspektrométert is megalkotott ugyanezekben az években az amerikai Dempster. A tömegspektrométerek utólagos használatának és fejlesztésének eredményeként, számos kutató erőfeszítésével, 1935-re elkészült az összes addig ismert kémiai elem izotópösszetételének szinte teljes táblázata.
Izotóp-elválasztási módszerek.
Az izotópok tulajdonságainak tanulmányozásához és különösen tudományos és alkalmazott célú felhasználásához többé-kevésbé észrevehető mennyiségben kell beszerezni őket. A hagyományos tömegspektrométerekben az izotópok szinte teljes szétválását érik el, de mennyiségük elhanyagolhatóan kicsi. Ezért a tudósok és mérnökök erőfeszítései arra irányultak, hogy más lehetséges módszereket keressenek az izotópok szétválasztására. Mindenekelőtt elsajátították az elválasztás fizikai-kémiai módszereit, amelyek ugyanazon elem izotópjainak olyan tulajdonságaiban mutatkozó különbségeken alapulnak, mint a párolgási sebesség, az egyensúlyi állandók, a kémiai reakciók sebessége stb. Közülük a leghatékonyabbak a rektifikáció és az izotópcsere módszerek voltak, amelyeket széles körben alkalmaznak a könnyű elemek izotópjainak ipari előállításában: hidrogén, lítium, bór, szén, oxigén és nitrogén.
A módszerek másik csoportját az úgynevezett molekuláris kinetikai módszerek alkotják: gázdiffúzió, termikus diffúzió, tömegdiffúzió (diffúzió gőzáramban), centrifugálás. Az izotópkomponensek nagymértékben diszpergált porózus közegekben történő diffúziójának különböző sebességén alapuló gázdiffúziós módszereket alkalmaztak a második világháború alatt az Egyesült Államokban az uránizotóp-leválasztás ipari előállításának megszervezésére az úgynevezett Manhattan Project keretében. az atombombát. Az atombomba fő „éghető” komponensével, a 235 U könnyű izotóppal 90%-ra dúsított urán szükséges mennyiségének eléréséhez mintegy négyezer hektáros üzemeket építettek. Több mint 2 milliárd dollárt különítettek el egy dúsított uránt előállító üzemekkel rendelkező atomközpont létrehozására A háború után szintén a diffúziós elválasztási módszeren alapuló dúsított uránt gyártó üzemeket fejlesztettek ki, ill. a Szovjetunióban épült. Az utóbbi években ez a módszer átadta helyét a hatékonyabb és olcsóbb centrifugálási módszernek. Ennél a módszernél az izotópkeverék elválasztásának hatását a centrifugális erők eltérő hatásai révén érik el a centrifuga rotorját kitöltő izotópkeverék összetevőire gyakorolt eltérő hatások miatt. Ez egy vékony falú henger, amely felül és alul korlátozott, és egy körben forog. nagyon nagy sebesség vákuumkamrában. Jelenleg több százezer kaszkádba kapcsolt centrifugát használnak, amelyek mindegyike több mint ezer fordulatot tesz másodpercenként, mind Oroszországban, mind a világ más fejlett országaiban a modern elválasztó üzemekben. A centrifugákat nemcsak az atomerőművek atomreaktorainak energiaellátásához szükséges dúsított urán előállítására használják, hanem a periódusos rendszer középső részében található mintegy harminc kémiai elem izotópjának előállítására is. Erőteljes ionforrásokkal rendelkező elektromágneses elválasztó egységeket is alkalmaznak az utóbbi években a különféle izotópok elkülönítésére, a lézeres elválasztási módszerek is elterjedtek.
Izotópok alkalmazása.
A kémiai elemek különféle izotópjait széles körben használják a tudományos kutatásban, az ipar és a mezőgazdaság különböző területein, az atomenergiában, a modern biológiában és az orvostudományban, a környezettudományban és más területeken. A tudományos kutatásban (például a kémiai elemzésben) általában kis mennyiségű, különböző elemek ritka izotópjaira van szükség, grammban, sőt milligrammban évente. Ugyanakkor számos, az atomenergiában, az orvostudományban és más iparágakban széles körben használt izotópok előállítására több kilogrammra, sőt tonnára is szükség van. Így a nehézvíz D 2 O atomreaktorokban való felhasználása miatt a múlt század 1990-es évek elejére globális termelése körülbelül évi 5000 tonna volt. A nehézvíz részét képező deutérium hidrogénizotóp, amelynek koncentrációja a természetes hidrogénelegyben mindössze 0,015%, a tríciummal együtt a jövőben a tudósok szerint a termonukleáris erőművek üzemanyagának fő összetevőjévé válik. magfúziós reakciók alapján működő reaktorok. Ebben az esetben óriási szükség lesz a hidrogénizotópok előállítására.
A tudományos kutatásban a stabil és radioaktív izotópokat széles körben használják izotóp indikátorként (tagként) a természetben előforduló folyamatok legkülönbözőbb vizsgálatai során.
A mezőgazdaságban az izotópokat ("jelölt" atomokat) például a fotoszintézis folyamatainak, a műtrágyák emészthetőségének vizsgálatára, valamint a növények nitrogén-, foszfor-, kálium-, nyomelem- és egyéb anyagok felhasználásának hatékonyságának meghatározására használják.
Az izotóptechnológiákat széles körben alkalmazzák az orvostudományban. Így az USA-ban a statisztikák szerint naponta több mint 36 ezer orvosi eljárást és körülbelül 100 millió laboratóriumi vizsgálatot végeznek izotópok segítségével. A leggyakoribb eljárások a számítógépes tomográfia. A 99%-ra dúsított C13 szénizotópot (természetes tartalom kb. 1%) aktívan használják az úgynevezett „diagnosztikai légzésszabályozásban”. A teszt lényege nagyon egyszerű. A dúsított izotóp bekerül a páciens táplálékába, majd a szervezet különböző szerveiben zajló anyagcsere-folyamatokban való részvétel után a páciens által kilégzett szén-dioxid CO 2 formájában szabadul fel, amelyet spektrométerrel gyűjtenek össze és elemeznek. A C 13 izotóppal jelölt, különböző mennyiségű szén-dioxid kibocsátásával összefüggő folyamatok sebességének különbségei lehetővé teszik a páciens különböző szerveinek állapotának megítélését. Az Egyesült Államokban évente 5 millióra becsülik azoknak a betegeknek a számát, akiknek alávetik ezt a tesztet. Manapság lézeres elválasztási módszereket használnak nagymértékben dúsított C13 izotóp előállítására ipari méretekben.
Vlagyimir Zsdanov
Ezeket az anyagokat ma már széles körben alkalmazzák a különféle alkalmazási területeken, különösen. Betegségek kezelésére és diagnosztizálására egyaránt használják.Például a radioaktív jód-131-et a pajzsmirigy Graves-betegségének kezelésére használják. Ebben az esetben ezekből az elemekből nagy adagok beadása javasolt, mivel hozzájárulnak a kóros szövetek pusztulásához, melynek eredményeként helyreáll a szerv szerkezete, és ezzel együtt a működése is. A jódot széles körben használják a pajzsmirigy állapotának diagnosztizálására is. A szervezetbe történő bejuttatáskor a monitor képernyőjén felmérik a sejtekben a lerakódás mértékét, amely alapján diagnózist készítenek.
A nátrium-izotópok fontos szerepet játszanak a keringési zavarok diagnosztizálásában.
A mindennapi életben leggyakrabban a kobalt izotópjait, különösen a kobalt-60-at használják daganatos betegségek kezelésére. A sugársebészetben „kobaltfegyverek” létrehozásában, orvosi műszerek és anyagok sterilizálására szolgáló fertőtlenítésben talált alkalmazást.
Általánosságban elmondható, hogy a belső szervek ilyen elemekkel történő vizsgálatának minden módszerét radioizotópoknak nevezik. Az izotópokat hasznos mikroorganizmusok kinyerésére is fel lehet használni. És ezek képezik az alapját az antibakteriális szerek szintézisének.
Ipari és mezőgazdasági felhasználás
A radioaktív izotópok az emberi tevékenység más területein is nagy jelentőséggel bírnak. A gépiparban a motorok különböző alkatrészeinek kopási fokának meghatározására használják.Használhatók a fémek nagyolvasztókban való diffúziós sebességének meghatározására.
Fontos terület a hibafelismerés. Az ilyen kémiai elemek segítségével tanulmányozhatja az alkatrészek szerkezetét, beleértve a fémeket is.
A radioaktív izotópok segítségével új mezőgazdasági növényfajták jönnek létre. Emellett tudományosan bebizonyosodott, hogy a gamma-besugárzás elősegíti a terméshozamok növelését és a kedvezőtlen tényezőkkel szembeni ellenállást. Ezeket az anyagokat széles körben használják a nemesítésben. A növények trágyázásakor olyan módszert alkalmaznak, amelyben radioaktív foszforral jelölik, és értékelik a műtrágya hatékonyságát. Minden alapján megállapíthatjuk, hogy a radioaktív izotópokat számos tevékenységi területen alkalmazzák. Olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyekkel ugyanazok a normál atomtömegű elemek nem.
Az izotópok jobb megértéséhez játszhat. Képzelj el nagy átlátszó golyókat. Néha láthatóak a parkban. Mindegyik golyó egy atom magja.
Minden atommag protonokból és neutronokból áll. A protonok pozitív töltésű részecskék. A protonok helyett akkumulátorral működő játéknyuszik lesznek. A neutronok helyett pedig nyuszik vannak akkumulátor nélkül, mert nem hordoznak töltést. Helyezzen 8 nyuszit elemekkel mindkét golyóba. Ez azt jelenti, hogy minden gömbmagban 8 pozitív töltésű proton van. Most itt van, mit kell tenni az akkumulátor nélküli nyulakkal – neutronokkal. Helyezzen 8 neutron nyuszit az egyik labdába, és 7 neutron nyuszit a másikba.
A tömegszám a protonok és a neutronok összege. Számold meg a mezei nyulakat minden labdában, és tudd meg a tömegszámot. Az egyik golyóban a tömegszám 16, a másik golyóban 17. Két egyforma gömbmagot látunk, azonos számú protonnal. Neutronszámuk eltérő. A golyók izotópként működtek. Tudod? Mivel az izotópok ugyanannak az elemnek különböző neutronszámú változatai. Kiderült, hogy ezek a golyók valójában nem csak atommagok, hanem valódi kémiai elemek a periódusos rendszerben. Emlékszel, milyen töltése van a +8-nak? Természetesen oxigén. Ma már világos, hogy az oxigénnek több izotópja van, és ezek mind a neutronok számában különböznek egymástól. A 16-os tömegszámú oxigénizotóp 8, a 17-es tömegszámú oxigénizotóp 9 neutront tartalmaz. A tömegszám az elem kémiai szimbólumának bal felső sarkában látható.
Képzeld el a golyókat mezei nyulakkal, és könnyebb lesz megérteni az izotópokat. Tehát az izotópok egy kémiai elem azonos magtöltésű, de eltérő tömegszámú atomjai. Vagy egy definíció: az izotópok egy kémiai elem olyan változatai, amelyek Mengyelejev periódusos rendszerében ugyanazt a helyet foglalják el, ugyanakkor az atomok tömegében különböznek.
Miért van szükség az izotópokkal kapcsolatos ismeretekre? Különböző elemek izotópjait használják
Még az ókori filozófusok is azt javasolták, hogy az anyag atomokból épül fel. A tudósok azonban csak a 19. és 20. század fordulóján kezdték felismerni, hogy maguk az univerzum „építőkövei” apró részecskékből állnak. Az ezt bizonyító kísérletek egy időben igazi forradalmat idéztek elő a tudományban. Az alkotórészeinek mennyiségi aránya különbözteti meg az egyik kémiai elemet a másiktól. Mindegyiknek a sorszáma szerint van hozzárendelve a helye. De vannak olyan atomok, amelyek ugyanazokat a cellákat foglalják el a táblázatban, a tömeg és a tulajdonságok különbségei ellenére. Hogy miért van ez így, és melyek az izotópok a kémiában, arról a továbbiakban szó lesz.
Az atom és részecskéi
Az anyag szerkezetét alfa-részecskékkel történő bombázáson keresztül tanulmányozva E. Rutherford 1910-ben bebizonyította, hogy az atom fő tere ürességgel van tele. És csak a középpontban van a mag. Negatív elektronok mozognak körülötte pályákon, és alkotják a rendszer héját. Így jött létre az anyag „építőköveinek” bolygómodellje.
Mik azok az izotópok? Ne feledje a kémia tantárgyból, hogy az atommagnak is összetett szerkezete van. Pozitív protonokból és neutronokból áll, amelyeknek nincs töltése. Az előbbiek száma határozza meg a kémiai elem minőségi jellemzőit. A protonok száma különbözteti meg az anyagokat egymástól, és magjaik bizonyos töltést adnak. És ezen az alapon sorszámot kapnak a periódusos rendszerben. De az ugyanabban a kémiai elemben lévő neutronok száma izotópokká különbözteti meg őket. Ennek a fogalomnak a kémiai meghatározása ezért a következőképpen adható meg. Ezek olyan atomfajták, amelyek az atommag összetételében különböznek egymástól, azonos töltés- és atomszámmal rendelkeznek, de a neutronok számának különbsége miatt eltérő tömegszámmal rendelkeznek.
Megnevezések
A 9. osztályos kémia és az izotópok tanulmányozása során a tanulók megismerkednek az elfogadott konvenciókkal. A Z betű az atommag töltését jelzi. Ez a szám egybeesik a protonok számával, ezért a mutatójuk. Ezen N-nel jelölt neutronokkal rendelkező elemek összege A - tömegszám. Egy anyag izotópjainak családját általában annak a kémiai elemnek a szimbólumával jelölik, amely a periódusos rendszerben a benne lévő protonok számával egybeeső sorszámot kap. A jelzett ikonhoz hozzáadott bal felső index a tömegszámnak felel meg. Például 238 U. Egy elem (jelen esetben a 92-es sorszámmal jelölt urán) töltését az alábbi hasonló index jelzi.
Ezen adatok ismeretében könnyen kiszámítható az adott izotóp neutronjainak száma. Ez egyenlő a tömegszám mínusz a sorozatszámmal: 238 - 92 = 146. A neutronok száma lehetne kevesebb, de ettől ez a kémiai elem nem szűnik meg urán maradni. Megjegyzendő, hogy más, egyszerűbb anyagokban legtöbbször a protonok és neutronok száma megközelítőleg azonos. Az ilyen információk segítenek megérteni, mi az izotóp a kémiában.
Nukleonok
Egy bizonyos elem egyéniségét a protonok száma adja, a neutronok száma pedig semmilyen módon nem befolyásolja. De az atomtömeg ebből a két meghatározott elemből áll, amelyeknek a „nukleonok” közös neve, az összegüket jelenti. Ez a mutató azonban nem függ az atom negatív töltésű héját alkotóktól. Miért? Csak összehasonlítani kell.
A protontömeg hányada egy atomban nagy, és körülbelül 1 a. e.m. vagy 1.672 621 898(21) 10 -27 kg. A neutron közel van e részecske teljesítményéhez (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). De az elektron tömege ezerszer kisebb, jelentéktelennek tekinthető, és nem veszik figyelembe. Éppen ezért a kémiában egy elem felső indexének ismeretében nem nehéz kideríteni az izotópmag összetételét.
A hidrogén izotópjai
Egyes elemek izotópjai annyira ismertek és elterjedtek a természetben, hogy saját elnevezést kaptak. Ennek legszembetűnőbb és legegyszerűbb példája a hidrogén. A természetben a leggyakoribb formájában, a protiumban fordul elő. Ennek az elemnek a tömegszáma 1, magja pedig egy protonból áll.
Mik tehát a hidrogénizotópok a kémiában? Mint ismeretes, ennek az anyagnak az első száma a periódusos rendszerben, és ennek megfelelően a természetben 1-es töltésszámmal rendelkeznek, de az atommagban lévő neutronok száma eltérő. A deutériumnak, mivel nehéz hidrogén, a proton mellett van egy másik részecske is a magjában, vagyis egy neutron. Ennek eredményeként ez az anyag saját fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, ellentétben a protiummal, saját tömeggel, olvadásponttal és forrásponttal.
Trícium
A trícium a legösszetettebb az összes közül. Ez a szupernehéz hidrogén. Az izotópok kémiai definíciója szerint töltésszáma 1, tömegszáma viszont 3. Tritonnak szokták nevezni, mert egy proton mellett két neutron is van a magjában, azaz áll három elemből. Ennek az elemnek a nevét, amelyet 1934-ben Rutherford, Oliphant és Harteck fedezett fel, már a felfedezése előtt javasolták.
Ez egy instabil anyag, amely radioaktív tulajdonságokat mutat. Magja képes béta-részecskékre és elektron-antineutrínóvá válni. Ennek az anyagnak a bomlási energiája nem túl magas, és eléri a 18,59 keV-ot. Ezért az ilyen sugárzás nem túl veszélyes az emberre. A hétköznapi ruha és a sebészkesztyű védhet ellene. És ez az élelmiszerből nyert radioaktív elem gyorsan kiürül a szervezetből.
Az urán izotópjai
Sokkal veszélyesebbek az urán különféle típusai, amelyekből a tudomány jelenleg 26-ot tud. Ezért amikor arról beszélünk, hogy milyen izotópok vannak a kémiában, nem lehet szó nélkülözni erről az elemről. Az urán különféle típusai ellenére csak három izotóp fordul elő a természetben. Ezek közé tartozik a 234 U, 235 U, 238 U. Ezek közül az elsőt, amely megfelelő tulajdonságokkal rendelkezik, aktívan használják üzemanyagként atomreaktorokban. Ez utóbbi pedig a plutónium-239 előállítására szolgál, amely viszont önmagában értékes üzemanyagként pótolhatatlan.
Mindegyik radioaktív elem sajátja. Ez az az időtartam, amely alatt az anyag ½ arányban hasad. Vagyis ennek a folyamatnak az eredményeként az anyag maradék részének mennyisége felére csökken. Ez az időszak óriási az urán számára. Például a 234-es izotóp esetében 270 ezer évre becsülik, de a másik két meghatározott fajtánál sokkal jelentősebb. Az urán-238 felezési ideje rekord, több milliárd évig tart.
Nuklidok
Nem minden atomtípus, amelyet saját és szigorúan meghatározott protonok és elektronok száma jellemez, olyan stabil, hogy legalább olyan hosszú ideig létezzen, amely elegendő a tanulmányozásához. A viszonylag stabilakat nuklidoknak nevezzük. Az ilyen stabil képződmények nem bomlanak le radioaktívan. Az instabilokat radionuklidoknak nevezik, és rövid életűekre és hosszú élettartamúkra is felosztják. A 11. osztályos kémiaórákból az izotópatomok szerkezetéről tudható, hogy az ozmiumban és a platinában van a legtöbb radionuklid. A kobaltnak és az aranynak egy-egy stabil nuklidja van, és az ónban van a legtöbb stabil nuklid.
Egy izotóp rendszámának kiszámítása
Most megpróbáljuk összefoglalni a korábban leírt információkat. Miután megértette, mi az izotóp a kémiában, ideje kitalálni, hogyan használhatja fel a megszerzett tudást. Nézzük ezt egy konkrét példával. Tegyük fel, hogy ismert, hogy egy bizonyos kémiai elem tömegszáma 181. Ráadásul ennek az anyagnak egy atomjának héja 73 elektront tartalmaz. Hogyan lehet a periódusos rendszer segítségével megtudni egy adott elem nevét, valamint a magjában lévő protonok és neutronok számát?
Kezdjük a probléma megoldásával. Egy anyag nevét a protonok számának megfelelő sorozatszám ismeretében határozhatja meg. Mivel egy atomban a pozitív és negatív töltések száma egyenlő, ez 73. Ez azt jelenti, hogy tantálról van szó. Ráadásul a nukleonok száma összesen 181, ami azt jelenti, hogy ennek az elemnek a protonja 181 - 73 = 108. Nagyon egyszerű.
A gallium izotópjai
A gallium elem atomszáma 71. A természetben ennek az anyagnak két izotópja van - 69 Ga és 71 Ga. Hogyan határozható meg a galliumfajok százalékos aránya?
A kémia izotópjaival kapcsolatos problémák megoldása szinte mindig a periódusos rendszerből nyerhető információkkal jár. Ezúttal neked is ezt kell tenned. Határozzuk meg az átlagos atomtömeget a jelzett forrásból! Ez egyenlő 69,72-vel. Miután x-szel és y-vel megjelöltük az első és a második izotóp mennyiségi arányát, az összegüket 1-gyel egyenlőnek vesszük. Ez azt jelenti, hogy ez egy egyenlet formájában lesz felírva: x + y = 1. Ebből következik, hogy 69x + 71y = 69,72. Ha y-t x-szel fejezzük ki, és az első egyenletet behelyettesítjük a másodikba, azt kapjuk, hogy x = 0,64 és y = 0,36. Ez azt jelenti, hogy a 69 Ga a természetben 64%, a 71 Ga százaléka pedig 34%.
Izotópos átalakulások
Az izotópok radioaktív hasadása más elemekké való átalakulásával három fő típusra osztható. Ezek közül az első az alfa-bomlás. A hélium atommagját képviselő részecske kibocsátásával történik. Vagyis ez egy képződmény, amely neutron- és protonpárok kombinációjából áll. Mivel ez utóbbi mennyisége határozza meg egy anyag töltésszámát és atomszámát a periódusos rendszerben, e folyamat eredményeként az egyik elem minőségi átalakulása megy végbe, és a táblázatban balra tolódik. két sejt. Ebben az esetben az elem tömegszáma 4 egységgel csökken. Ezt az izotóp atomok szerkezetéből tudjuk.
Amikor az atommag elveszít egy béta részecskét, lényegében egy elektront, az összetétele megváltozik. Az egyik neutron protonná alakul. Ez azt jelenti, hogy az anyag minőségi jellemzői ismét megváltoznak, és az elem a táblázatban egy cellával jobbra mozog anélkül, hogy gyakorlatilag fogyna. Jellemzően egy ilyen transzformáció elektromágneses gamma-sugárzással jár.
Rádium izotóp átalakulás
A fenti információk és ismeretek a 11. osztályos kémiából az izotópokról ismét a gyakorlati problémák megoldását segítik. Például a következőket: 226 Ra a bomlás során a IV. csoportba tartozó kémiai elemmé alakul, amelynek tömegszáma 206. Hány alfa és béta részecskét kell elveszítenie?
Figyelembe véve a tömegváltozásokat és a leányelem csoportját, a periódusos rendszer segítségével könnyen megállapítható, hogy a hasítás során keletkező izotóp 82 töltésű és 206 tömegszámú ólom lesz. ennek az elemnek és az eredeti rádiumnak a töltésszáma, akkor feltételezzük, hogy magja öt alfa-részecskét és négy béta-részecskét veszített.
Radioaktív izotópok használata
Mindenki tisztában van azzal, hogy a radioaktív sugárzás milyen károkat okozhat az élő szervezetekben. A radioaktív izotópok tulajdonságai azonban hasznosak az ember számára. Számos iparágban sikeresen használják őket. Segítségükkel a gépészeti és építőipari építmények, a föld alatti csővezetékek és olajvezetékek, a tárolótartályok, az erőművek hőcserélői szivárgását lehet észlelni.
Ezeket a tulajdonságokat tudományos kísérletekben is aktívan használják. Például a cetse légy számos súlyos betegség hordozója az emberek, az állatok és a háziállatok számára. Ennek megelőzése érdekében e rovarok hímjeit gyenge radioaktív sugárzással sterilizálják. Az izotópok nélkülözhetetlenek bizonyos kémiai reakciók mechanizmusainak tanulmányozásában is, mivel ezen elemek atomjai víz és egyéb anyagok jelölésére használhatók.
A címkézett izotópokat gyakran használják a biológiai kutatásokban is. Például így állapították meg, hogy a foszfor hogyan hat a talajra, a termesztett növények növekedésére és fejlődésére. Az izotópok tulajdonságait az orvostudományban is sikeresen alkalmazzák, ami lehetővé tette a rákos daganatok és más súlyos betegségek kezelését, valamint a biológiai szervezetek életkorának meghatározását.
Ismételje meg a „Kémia alapfogalmai” témakör főbb pontjait, és oldja meg a javasolt feladatokat. Használja a 6-17.
Alapvető rendelkezések
1. Anyag(egyszerű és összetett) az atomok és molekulák bármely halmaza, amelyek egy bizonyos aggregációs állapotban találhatók.
Az anyagok összetételének és (vagy) szerkezetének megváltozásával járó átalakulását nevezzük kémiai reakciók .
2. Szerkezeti egységek anyagokat:
· Atom- egy kémiai elem vagy egyszerű anyag legkisebb elektromosan semleges részecskéje, amely minden kémiai tulajdonságával rendelkezik, majd fizikailag és kémiailag oszthatatlan.
· Molekula- az anyag legkisebb elektromosan semleges részecskéje, amely rendelkezik minden kémiai tulajdonságával, fizikailag oszthatatlan, de kémiailag osztható.
3. Kémiai elem - Ez egy bizonyos nukleáris töltéssel rendelkező atomtípus.
4. Összetett atom :
|
Részecske |
Hogyan határozzuk meg? |
Díj |
Súly |
||
|
Cl |
hagyományos egységek |
a.e.m. |
|||
|
Elektron |
Sorrend szerint Szám (N) |
1.6 ∙ 10 -19 |
9.10 ∙ 10 -28 |
0.00055 |
|
|
Proton |
Sorrend szerint szám (N) |
1.6 ∙ 10 -19 |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00728 |
|
|
Neutron |
Ar–N |
1.67 ∙ 10 -24 |
1.00866 |
||
5. Összetett atommag :
Az atommag elemi részecskéket tartalmaz ( nukleonok) –
protonok(1 1 p ) és neutronok(1 0 n ).
· Mert Az atom szinte teljes tömege az atommagban koncentrálódik és m p ≈ m n≈ 1 amu, Azt kerekített értékA regy kémiai elem értéke megegyezik az atommagban lévő nukleonok teljes számával.
7. Izotópok- ugyanazon kémiai elem különféle atomjai, amelyek csak tömegükben különböznek egymástól.
· Izotóp jelölés: az elemszimbólumtól balra jelölje az elem tömegszámát (fent) és rendszámát (lent)
· Miért eltérő az izotópok tömege?
Feladat: Határozza meg a klórizotópok atomösszetételét: 35 17Clés 37 17Cl?
· Az izotópok különböző tömegűek, mivel az atommagjukban különböző számú neutron található.
8. A természetben a kémiai elemek izotópkeverékek formájában léteznek.
Ugyanannak a kémiai elemnek az izotóp összetételét fejezzük ki atomfrakciók(ω at.), amelyek azt jelzik, hogy egy adott izotóp atomjainak száma mekkora részét teszi ki egy adott elem összes izotópjának atomszámának, egynek vagy 100%-nak.
Például:
ω at (35 17 Cl) = 0,754
ω at (37 17 Cl) = 0,246
9. A periódusos táblázat a kémiai elemek relatív atomtömegének átlagos értékeit mutatja, figyelembe véve azok izotóp-összetételét. Ezért a táblázatban feltüntetett Ar töredékes.
A rHázasodik= ω at. (1) ∙ Ar (1) + … + ω nál nél.(n ) ∙ Ar ( n )
Például:
A rHázasodik(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453
10. Megoldandó probléma:
1. sz. Határozza meg a bór relatív atomtömegét, ha ismert, hogy a 10 B izotóp móltörtje 19,6%, a 11 B izotópé pedig 80,4%.
11. Az atomok és molekulák tömege nagyon kicsi. Jelenleg a fizikában és a kémiában egységes mérési rendszert alkalmaztak.
1 amu =m(a.u.m.) = 1/12 m(12 C) = 1,66057 ∙ 10 -27 kg = 1,66057 ∙ 10 -24 g.
Egyes atomok abszolút tömegei:
m( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g
m( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g
m( O) =2,656812 ∙ 10 -23 g
A r– megmutatja, hogy egy adott atom hányszor nehezebb egy 12 szénatomos atom 1/12-énél. Úr∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg
13. A közönséges anyagmintákban az atomok és molekulák száma nagyon nagy, ezért az anyag mennyiségének jellemzésekor a mértékegységet -anyajegy .
· Vakond (ν)– egy anyag mennyiségi egysége, amely ugyanannyi részecskét (molekulákat, atomokat, ionokat, elektronokat) tartalmaz, mint ahány atom van 12 g izotópban 12 C
· 1 atom tömege 12 C egyenlő 12 amu-val, tehát az atomok száma 12 g izotópban 12 C egyenlő:
N A= 12 g / 12 ∙ 1,66057 ∙ 10 -24 g = 6,0221 ∙ 10 23
· Fizikai mennyiség N A hívott Avogadro állandó (Avogadro száma), és mérete [N A] = mol -1.
14. Alapképletek:
M = Úr = ρ ∙ Vm(ρ – sűrűség; V m – térfogat nulla szinten)
Önállóan megoldandó problémák
1. sz. Számítsa ki a nitrogénatomok számát 100 g ammónium-karbonátban, amely 10% nem nitrogén szennyeződést tartalmaz!
2. sz. Normál körülmények között 12 liter ammóniából és szén-dioxidból álló gázkeverék tömege 18 g. Hány litert tartalmaz az egyes gázok?
3. sz. Feleslegben lévő sósav hatásának kitéve 8,24 g mangán-oxid keveréket (IV) az ismeretlen MO 2 oxiddal, amely nem reagál sósavval, környezeti körülmények között 1,344 liter gázt kaptunk. Egy másik kísérletben megállapították, hogy a mangán-oxid mólaránya (IV) az ismeretlen oxidhoz 3:1. Határozzuk meg az ismeretlen oxid képletét, és számítsuk ki tömeghányadát a keverékben!
Valószínűleg nincs olyan ember a Földön, aki ne hallott volna az izotópokról. De nem mindenki tudja, mi az. A „radioaktív izotópok” kifejezés különösen ijesztően hangzik. Ezek a furcsa kémiai elemek megrémisztik az emberiséget, de a valóságban nem olyan ijesztőek, mint amilyennek első pillantásra tűnhet.
Meghatározás
A radioaktív elemek fogalmának megértéséhez először is meg kell mondani, hogy az izotópok ugyanannak a kémiai elemnek a mintái, de eltérő tömegűek. Mit jelent? A kérdések eltűnnek, ha először emlékezünk az atom szerkezetére. Elektronokból, protonokból és neutronokból áll. Az atommagban az első két elemi részecske száma mindig állandó, míg a saját tömegű neutronok ugyanabban az anyagban eltérő mennyiségben fordulhatnak elő. Ez a körülmény számos, eltérő fizikai tulajdonságú kémiai elemet eredményez.
Most tudományos definíciót adhatunk a vizsgált fogalomnak. Tehát az izotópok olyan kémiai elemek együttes halmaza, amelyek tulajdonságaiban hasonlóak, de eltérő tömeggel és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A modernebb terminológia szerint egy kémiai elem nukleotidjaiból álló galaxisnak nevezik őket.
Egy kis történelem
A múlt század elején a tudósok felfedezték, hogy ugyanaz a kémiai vegyület különböző körülmények között eltérő tömegű elektronmagot tartalmazhat. Pusztán elméleti szempontból az ilyen elemek újnak tekinthetők, és elkezdhetik kitölteni az üres cellákat D. Mengyelejev periódusos rendszerében. De csak kilenc szabad sejt van benne, és a tudósok több tucat új elemet fedeztek fel. Emellett a matematikai számítások azt mutatták, hogy a felfedezett vegyületek nem tekinthetők korábban ismeretlennek, mert kémiai tulajdonságaik teljes mértékben megfeleltek a meglévők jellemzőinek.
Hosszas vita után úgy döntöttek, hogy ezeket az elemeket izotópoknak nevezzük, és ugyanabba a dobozba helyezzük, mint azokat, amelyek magja ugyanannyi elektront tartalmaz. A tudósoknak sikerült megállapítaniuk, hogy az izotópok csak a kémiai elemek néhány változata. Előfordulásuk okait és várható élettartamát azonban közel egy évszázada vizsgálják. Még a 21. század elején sem lehet azt mondani, hogy az emberiség abszolút mindent tud az izotópokról.
Perzisztens és instabil variációk
Minden kémiai elemnek több izotópja van. Mivel az atommagjukban szabad neutronok vannak, nem mindig jönnek létre stabil kötések az atom többi részével. Egy idő után a szabad részecskék elhagyják az atommagot, ami megváltoztatja tömegét és fizikai tulajdonságait. Ily módon más izotópok keletkeznek, amelyek végső soron azonos számú protonnal, neutronnal és elektronnal rendelkező anyag képződéséhez vezetnek.
Azokat az anyagokat, amelyek nagyon gyorsan bomlanak, radioaktív izotópoknak nevezzük. Nagyszámú neutront bocsátanak ki az űrbe, erős ionizáló gamma-sugárzást képezve, amely erős áthatoló erejéről ismert, és negatívan hat az élő szervezetekre.
A stabilabb izotópok nem radioaktívak, mivel az általuk kibocsátott szabad neutronok száma nem képes sugárzást generálni és más atomokat jelentősen befolyásolni.
Elég régen a tudósok egy fontos mintát állapítottak meg: minden kémiai elemnek megvan a maga izotópja, perzisztens vagy radioaktív. Érdekes módon sok közülük laboratóriumi körülmények között került elő, természetes formában való jelenlétük csekély, és műszerekkel nem mindig észlelhető.
Elterjedés a természetben
Természetes körülmények között leggyakrabban olyan anyagok találhatók, amelyek izotóptömegét közvetlenül meghatározza a D. Mengyelejev táblázatában szereplő sorszám. Például a H szimbólummal jelölt hidrogén atomszáma 1, tömege pedig egy. Izotópjai, a 2H és a 3H rendkívül ritkák a természetben.
Még az emberi testnek is van néhány radioaktív izotópja. A táplálékon keresztül szénizotópok formájában jutnak be, amelyeket viszont a növények a talajból vagy a levegőből szívnak fel, és a fotoszintézis folyamata során szerves anyagok részévé válnak. Ezért az emberek, állatok és növények bizonyos háttérsugárzást bocsátanak ki. Csak olyan alacsony, hogy nem zavarja a normális működést és növekedést.
Az izotópok kialakulásához hozzájáruló források a Föld magjának belső rétegei és az űrből származó sugárzás.
Mint tudják, a bolygó hőmérséklete nagymértékben függ a forró magjától. De csak a közelmúltban vált világossá, hogy ennek a hőnek a forrása egy összetett termonukleáris reakció, amelyben radioaktív izotópok vesznek részt.
Izotópos bomlás
Mivel az izotópok instabil képződmények, feltételezhető, hogy idővel mindig állandóbb kémiai elemek magjaivá bomlanak. Ez az állítás igaz, mert a tudósoknak nem sikerült hatalmas mennyiségű radioaktív izotópot kimutatniuk a természetben. És a legtöbb, amelyet laboratóriumban kinyertek, néhány perctől több napig tartott, majd visszaváltottak közönséges kémiai elemekké.
De vannak a természetben olyan izotópok is, amelyekről kiderül, hogy nagyon ellenállnak a bomlásnak. Évmilliárdokig létezhetnek. Az ilyen elemek azokban a távoli időkben keletkeztek, amikor a föld még csak formálódott, és még szilárd kéreg sem volt a felszínén.
A radioaktív izotópok nagyon gyorsan lebomlanak és újra kialakulnak. Ezért annak érdekében, hogy megkönnyítsék az izotóp stabilitásának értékelését, a tudósok úgy döntöttek, hogy megvizsgálják felezési idejének kategóriáját.
Fél élet
Lehet, hogy nem minden olvasó számára világos, hogy mit is ért ez a fogalom. Határozzuk meg. Egy izotóp felezési ideje az az idő, amely alatt a felvett anyag hagyományos fele megszűnik létezni.
Ez nem jelenti azt, hogy a kapcsolat többi része ugyanannyi idő alatt megsemmisül. Ezzel a felével kapcsolatban egy másik kategóriát kell figyelembe venni - azt az időtartamot, amely alatt a második része, azaz az eredeti anyagmennyiség negyede eltűnik. És ez a megfontolás a végtelenségig folytatódik. Feltételezhető, hogy egyszerűen lehetetlen kiszámítani az anyag kezdeti mennyiségének teljes széteséséhez szükséges időt, mivel ez a folyamat gyakorlatilag végtelen.
A tudósok azonban a felezési idő ismeretében meg tudják határozni, hogy mennyi anyag létezett kezdetben. Ezeket az adatokat sikeresen használják a kapcsolódó tudományokban.
A modern tudományos világban gyakorlatilag nem használják a teljes bomlás fogalmát. Minden izotópnál szokás feltüntetni annak felezési idejét, amely néhány másodperctől sok milliárd évig terjed. Minél alacsonyabb a felezési idő, annál több sugárzás származik az anyagból, és annál nagyobb a radioaktivitása.
Fosszilis dúsítás
A tudomány és a technológia egyes ágaiban viszonylag nagy mennyiségű radioaktív anyag használatát tekintik kötelezőnek. Természetes körülmények között azonban nagyon kevés ilyen vegyület található.
Ismeretes, hogy az izotópok a kémiai elemek nem gyakori változatai. Számukat a legellenállóbb fajták több százalékában mérik. Ezért kell a tudósoknak mesterségesen dúsítaniuk a fosszilis anyagokat.
A több éves kutatás során megtanultuk, hogy egy izotóp bomlását láncreakció kíséri. Az egyik anyag felszabaduló neutronjai befolyásolni kezdenek egy másikat. Ennek eredményeként a nehéz atommagok könnyebbekké bomlanak, és új kémiai elemek keletkeznek.
Ezt a jelenséget láncreakciónak nevezzük, melynek eredményeként stabilabb, de kevésbé elterjedt izotópok nyerhetők, amelyeket utólag a nemzetgazdaságban hasznosítanak.
A bomlási energia alkalmazása
A tudósok azt is megállapították, hogy egy radioaktív izotóp bomlása során hatalmas mennyiségű szabad energia szabadul fel. Mennyiségét általában Curie-mértékkel mérik, ami megegyezik 1 g radon-222 1 másodperc alatti hasadási idejével. Minél magasabb ez a mutató, annál több energia szabadul fel.
Ez lett az oka a szabadenergia felhasználási módok kidolgozásának. Így jelentek meg az atomreaktorok, amelyekbe radioaktív izotópot helyeznek. Az általa felszabaduló energia nagy részét összegyűjtik és elektromossággá alakítják. E reaktorok alapján olyan atomerőműveket hoznak létre, amelyek a legolcsóbb villamos energiát biztosítják. Az ilyen reaktorok kisebb változatait önjáró mechanizmusokra szerelik fel. Tekintettel a balesetveszélyre, a tengeralattjárókat leggyakrabban ilyen járműként használják. A reaktor meghibásodása esetén könnyebb lesz minimalizálni a tengeralattjáró áldozatainak számát.
A felezési idejű energia másik nagyon ijesztő felhasználása az atombombák. A második világháború alatt embereken tesztelték őket Hirosimában és Nagaszakiban. A következmények nagyon szomorúak voltak. Ezért a világon megállapodás van e veszélyes fegyverek használatának tilalmáról. Ugyanakkor a militarizációra fókuszáló nagy államok ma is folytatják a kutatást ezen a területen. Ráadásul sokan közülük, titokban a világközösség elől, atombombákat gyártanak, amelyek több ezerszer veszélyesebbek, mint a Japánban használtak.
Izotópok az orvostudományban
Békés célokra megtanulták használni a radioaktív izotópok bomlását az orvostudományban. Ha a sugárzást a test érintett területére irányítja, megállíthatja a betegség lefolyását, vagy elősegítheti a beteg teljes felépülését.
De gyakrabban radioaktív izotópokat használnak a diagnosztikára. A helyzet az, hogy mozgásukat és a klaszter jellegét az általuk termelt sugárzás határozza meg a legkönnyebben. Így bizonyos, nem veszélyes mennyiségű radioaktív anyagot juttatnak az emberi szervezetbe, és az orvosok műszerekkel figyelik, hogyan és hová kerül.
Ezáltal diagnosztizálják az agy működését, a rákos daganatok természetét, a belső elválasztású és a külső elválasztású mirigyek működésének sajátosságait.
Alkalmazás a régészetben
Ismeretes, hogy az élő szervezetek mindig tartalmaznak radioaktív szén-14-et, amelynek izotópjának felezési ideje 5570 év. Ezenkívül a tudósok tudják, hogy ebből az elemből mennyi van a testben a halál pillanatáig. Ez azt jelenti, hogy minden kivágott fa ugyanannyi sugárzást bocsát ki. Idővel a sugárzás intenzitása csökken.
Ez segít a régészeknek megállapítani, hogy mennyi idővel ezelőtt halt meg a fa, amelyből a konyhát vagy bármely más hajót építették, és így maga az építés ideje is. Ezt a kutatási módszert radioaktív szén-elemzésnek nevezik. Ennek köszönhetően a tudósok könnyebben megállapíthatják a történelmi események kronológiáját.
