Izotopy chemických prvkov sa líšia. Čo sú izotopy

Obsah článku

IZOTOPY– odrody toho istého chemického prvku, ktoré sú podobné svojimi fyzikálno-chemickými vlastnosťami, ale majú rozdielne atómové hmotnosti. Názov „izotopy“ navrhol v roku 1912 anglický rádiochemik Frederick Soddy, ktorý ho vytvoril z dvoch gréckych slov: isos – identický a topos – miesto. Izotopy zaberajú rovnaké miesto v bunke Mendelejevovej periodickej tabuľky prvkov.

Atóm akéhokoľvek chemického prvku pozostáva z kladne nabitého jadra a oblaku záporne nabitých elektrónov, ktoré ho obklopujú. Poloha chemického prvku v periodickej tabuľke Mendelejeva (jeho sériové číslo) je určená nábojom jadra jeho atómov. Izotopy sú preto tzv odrody toho istého chemického prvku, ktorého atómy majú rovnaký jadrový náboj (a teda prakticky rovnaké elektrónové obaly), ale líšia sa hodnotami jadrovej hmotnosti. Podľa obrazného vyjadrenia F. Soddyho sú atómy izotopov rovnaké „vonku“, ale odlišné „vo vnútri“.

Neutrón bol objavený v roku 1932 – častica, ktorá nemá náboj, s hmotnosťou blízkou hmotnosti jadra atómu vodíka - protónu , a vytvorili protón-neutrónový model jadra. Ako výsledok vo vede bola stanovená konečná moderná definícia pojmu izotopy: izotopy sú látky, ktorých atómové jadrá pozostávajú z rovnakého počtu protónov a líšia sa iba počtom neutrónov v jadre. . Každý izotop je zvyčajne označený súborom symbolov, kde X je symbol chemického prvku, Z je náboj atómového jadra (počet protónov), A je hmotnostné číslo izotopu (celkový počet nukleónov - protóny a neutróny v jadre, A = Z + N). Keďže sa zdá, že náboj jadra je jednoznačne spojený so symbolom chemického prvku, často sa ako skratka používa jednoducho označenie A X.

Zo všetkých nám známych izotopov majú svoje vlastné názvy iba izotopy vodíka. Preto sa izotopy 2H a 3H nazývajú deutérium a trícium a označujú sa ako D a T (izotop 1H sa niekedy nazýva protium).

V prírode sa vyskytuje ako stabilné izotopy , a nestabilné – rádioaktívne, ktorých jadrá atómov podliehajú samovoľnej premene na iné jadrá s emisiou rôznych častíc (alebo procesmi tzv. rádioaktívneho rozpadu). V súčasnosti je známych asi 270 stabilných izotopov a stabilné izotopy sa nachádzajú len v prvkoch s atómovým číslom Z Ј 83. Počet nestabilných izotopov presahuje 2000, veľká väčšina z nich bola získaná umelo v dôsledku rôznych jadrových reakcií. Počet rádioaktívnych izotopov mnohých prvkov je veľmi veľký a môže presiahnuť dva tucty. Počet stabilných izotopov je podstatne menší. Niektoré chemické prvky pozostávajú len z jedného stabilného izotopu (berýlium, fluór, sodík, hliník, fosfor, mangán, zlato a množstvo ďalších prvkov). Najväčší počet stabilných izotopov - 10 - bol nájdený v cíne, v železe sú napríklad 4 a v ortuti - 7.

Objav izotopov, historické pozadie.

V roku 1808 anglický prírodovedec John Dalton prvýkrát zaviedol definíciu chemického prvku ako látky pozostávajúcej z atómov rovnakého typu. V roku 1869 objavil chemik D.I. Mendelejev periodický zákon chemických prvkov. Jednou z ťažkostí pri zdôvodňovaní konceptu prvku ako látky zaujímajúcej určité miesto v bunke periodickej tabuľky boli experimentálne pozorované neceločíselné atómové hmotnosti prvkov. Anglický fyzik a chemik Sir William Crookes predložil v roku 1866 hypotézu, že každý prírodný chemický prvok je určitou zmesou látok, ktoré sú svojimi vlastnosťami identické, ale majú rozdielne atómové hmotnosti, no v tom čase ešte takýto predpoklad neexistoval experimentálne potvrdenie, a preto nevydržalo dlho všimnúť.

Dôležitým krokom k objavu izotopov bolo objavenie fenoménu rádioaktivity a hypotéza rádioaktívneho rozpadu, ktorú sformulovali Ernst Rutherford a Frederick Soddy: rádioaktivita nie je nič iné ako rozpad atómu na nabitú časticu a atóm iného prvku. , odlišný svojimi chemickými vlastnosťami od pôvodného. V dôsledku toho vznikla myšlienka rádioaktívnych sérií alebo rádioaktívnych rodín , na začiatku ktorého je prvý materský prvok, ktorý je rádioaktívny, a na konci - posledný stabilný prvok. Analýza reťazcov transformácií ukázala, že počas ich priebehu sa v jednej bunke periodickej tabuľky môžu objaviť rovnaké rádioaktívne prvky, ktoré sa líšia iba atómovými hmotnosťami. V skutočnosti to znamenalo zavedenie konceptu izotopov.

Nezávislé potvrdenie existencie stabilných izotopov chemických prvkov potom získali experimenty J. J. Thomsona a Astona v rokoch 1912–1920 s lúčmi kladne nabitých častíc (alebo tzv. channel beams ) vychádzajúci z výbojovej trubice.

V roku 1919 Aston navrhol prístroj s názvom hmotnostný spektrograf. (alebo hmotnostný spektrometer) . Iónový zdroj stále používal výbojovú trubicu, ale Aston našiel spôsob, ktorým postupné vychyľovanie lúča častíc v elektrických a magnetických poliach viedlo k zaostreniu častíc s rovnakým pomerom náboja k hmotnosti (bez ohľadu na ich rýchlosť) pri rovnaký bod na obrazovke. Spolu s Astonom vznikol v rovnakých rokoch aj hmotnostný spektrometer trochu inej konštrukcie od Američana Dempstera. V dôsledku následného používania a zdokonaľovania hmotnostných spektrometrov úsilím mnohých výskumníkov bola do roku 1935 zostavená takmer úplná tabuľka izotopového zloženia všetkých dovtedy známych chemických prvkov.

Metódy separácie izotopov.

Pre štúdium vlastností izotopov a najmä pre ich využitie na vedecké a aplikačné účely je potrebné ich získavať vo viac či menej nápadných množstvách. V konvenčných hmotnostných spektrometroch sa dosiahne takmer úplná separácia izotopov, ale ich množstvo je zanedbateľne malé. Preto úsilie vedcov a inžinierov smerovalo k hľadaniu ďalších možných metód separácie izotopov. Najprv boli zvládnuté fyzikálno-chemické metódy separácie založené na rozdieloch v takých vlastnostiach izotopov toho istého prvku, ako sú rýchlosti odparovania, rovnovážne konštanty, rýchlosti chemických reakcií atď. Najúčinnejšie z nich boli metódy rektifikácie a výmeny izotopov, ktoré sa široko používajú pri priemyselnej výrobe izotopov ľahkých prvkov: vodíka, lítia, bóru, uhlíka, kyslíka a dusíka.

Ďalšiu skupinu metód tvoria takzvané molekulárne kinetické metódy: difúzia plynov, tepelná difúzia, hmotnostná difúzia (difúzia v prúde pary), centrifugácia. Metódy plynovej difúzie, založené na rôznych rýchlostiach difúzie izotopových zložiek vo vysoko disperzných poréznych médiách, sa používali počas druhej svetovej vojny na organizáciu priemyselnej výroby separácie izotopov uránu v Spojených štátoch ako súčasť takzvaného projektu Manhattan na vytvorenie atómová bomba. Na získanie potrebného množstva uránu obohateného na 90 % ľahkým izotopom 235 U, hlavnou „horľavou“ zložkou atómovej bomby, boli vybudované závody na ploche asi štyritisíc hektárov. Na vytvorenie atómového centra so závodmi na výrobu obohateného uránu bolo vyčlenených viac ako 2 miliardy dolárov. postavený v ZSSR. V posledných rokoch táto metóda ustúpila efektívnejšej a menej nákladnej metóde odstreďovania. Pri tejto metóde sa efekt separácie izotopovej zmesi dosiahne v dôsledku rôznych účinkov odstredivých síl na zložky izotopovej zmesi vypĺňajúce rotor odstredivky, čo je tenkostenný valec ohraničený zhora a dole, otáčajúci sa rýchlosťou veľmi vysoká rýchlosť vo vákuovej komore. Státisíce centrifúg zapojených do kaskád, z ktorých rotor každej robí viac ako tisíc otáčok za sekundu, sa v súčasnosti používajú v moderných separačných závodoch ako v Rusku, tak aj v iných vyspelých krajinách sveta. Centrifúgy slúžia nielen na výrobu obohateného uránu potrebného na pohon jadrových reaktorov jadrových elektrární, ale aj na výrobu izotopov asi tridsiatich chemických prvkov v strednej časti periodickej tabuľky. Elektromagnetické separačné jednotky s výkonnými zdrojmi iónov sa v posledných rokoch používajú aj na separáciu rôznych izotopov, rozšírené sú aj metódy laserovej separácie.

Aplikácia izotopov.

Rôzne izotopy chemických prvkov sú široko používané vo vedeckom výskume, v rôznych oblastiach priemyslu a poľnohospodárstva, v jadrovej energetike, modernej biológii a medicíne, v environmentálnych štúdiách a iných oblastiach. Vo vedeckom výskume (napríklad v chemickej analýze) sú spravidla potrebné malé množstvá vzácnych izotopov rôznych prvkov, počítané v gramoch a dokonca miligramoch za rok. Zároveň pre množstvo izotopov široko používaných v jadrovej energetike, medicíne a iných priemyselných odvetviach môže potreba ich výroby predstavovať množstvo kilogramov a dokonca ton. V dôsledku používania ťažkej vody D 2 O v jadrových reaktoroch bola jej celosvetová produkcia začiatkom 90. rokov minulého storočia približne 5 000 ton ročne. Izotop vodíka deutérium, ktoré je súčasťou ťažkej vody, ktorej koncentrácia v prírodnej zmesi vodíka je len 0,015 % spolu s tríciom, sa v budúcnosti podľa vedcov stane hlavnou zložkou paliva termonukleárnej energetiky. reaktory fungujúce na báze reakcií jadrovej fúzie. V tomto prípade bude potreba výroby izotopov vodíka obrovská.

Vo vedeckom výskume sa stabilné a rádioaktívne izotopy široko používajú ako izotopové indikátory (značky) pri štúdiu širokej škály procesov vyskytujúcich sa v prírode.

V poľnohospodárstve sa izotopy („označené“ atómy) využívajú napríklad na štúdium procesov fotosyntézy, stráviteľnosti hnojív a na stanovenie efektívnosti využívania dusíka, fosforu, draslíka, stopových prvkov a iných látok rastlinami.

Izotopové technológie sú široko používané v medicíne. V USA sa teda podľa štatistík denne vykoná viac ako 36 tisíc lekárskych zákrokov a približne 100 miliónov laboratórnych testov s použitím izotopov. Najbežnejšie postupy zahŕňajú počítačovú tomografiu. Izotop uhlíka C13 obohatený na 99 % (prirodzený obsah asi 1 %) sa aktívne používa pri takzvanej „diagnostickej kontrole dýchania“. Podstata testu je veľmi jednoduchá. Obohatený izotop sa zavádza do potravy pacienta a po účasti na metabolickom procese v rôznych orgánoch tela sa uvoľňuje vo forme oxidu uhličitého CO 2 vydychovaného pacientom, ktorý sa zbiera a analyzuje pomocou spektrometra. Rozdiely v rýchlostiach procesov spojených s uvoľňovaním rôznych množstiev oxidu uhličitého, označeného izotopom C13, umožňujú posúdiť stav rôznych orgánov pacienta. V USA sa počet pacientov, ktorí podstúpia tento test, odhaduje na 5 miliónov ročne. Teraz sa metódy laserovej separácie používajú na výrobu vysoko obohateného izotopu C13 v priemyselnom meradle.

Vladimír Ždanov

Tieto látky dnes našli široké uplatnenie najmä v rôznych aplikačných oblastiach. Používajú sa na liečbu a diagnostiku chorôb.

Napríklad rádioaktívny jód-131 sa používa na terapiu Gravesovej choroby štítnej žľazy. V tomto prípade sa odporúča podávať veľké dávky týchto prvkov, pretože prispievajú k deštrukcii abnormálnych tkanív, v dôsledku čoho sa obnovuje štruktúra orgánu a tým aj funkcia. Jód je tiež široko používaný na diagnostiku stavu štítnej žľazy. Po zavedení do tela sa na obrazovke monitora vyhodnotí rýchlosť ukladania v bunkách, na základe čoho sa stanoví diagnóza.

Izotopy sodíka hrajú dôležitú úlohu pri diagnostike porúch krvného obehu.

Najčastejšie v každodennom živote sa izotopy kobaltu, najmä kobalt-60, používajú na liečbu nádorových ochorení. Našiel uplatnenie v rádiochirurgii pri výrobe „kobaltových zbraní“, pri dezinfekcii na sterilizáciu lekárskych nástrojov a materiálov.

Vo všeobecnosti sa všetky metódy štúdia vnútorných orgánov pomocou takýchto prvkov zvyčajne nazývajú rádioizotopové metódy. Izotopy možno použiť aj na získanie užitočných mikroorganizmov. A sú základom pre syntézu antibakteriálnych látok.

Použitie v priemysle a poľnohospodárstve

Rádioaktívne izotopy majú veľký význam aj v iných oblastiach ľudskej činnosti. V strojárskom priemysle sa používajú na určenie stupňa opotrebovania rôznych častí motorov.

Môžu sa použiť na stanovenie rýchlosti difúzie kovov vo vysokých peciach.

Dôležitou oblasťou je detekcia chýb. Pomocou takýchto chemických prvkov môžete študovať štruktúru častí vrátane kovových.

Pomocou rádioaktívnych izotopov vznikajú nové odrody poľnohospodárskych rastlín. Okrem toho bolo vedecky dokázané, že gama žiarenie pomáha zvyšovať výnosy plodín a zvyšuje ich odolnosť voči nepriaznivým faktorom. Tieto látky majú široké využitie v chove. Pri hnojení rastlín sa používa metóda, pri ktorej sa označia rádioaktívnym fosforom a posúdi sa účinnosť hnojiva. Na základe všetkého môžeme konštatovať, že rádioaktívne izotopy sa používajú v mnohých oblastiach činnosti. Majú vlastnosti, ktoré rovnaké prvky s normálnou atómovou hmotnosťou nemajú.

Ak chcete lepšie pochopiť, čo sú izotopy, môžete hrať. Predstavte si veľké priehľadné gule. Niekedy ich možno vidieť v parku. Každá guľa je jadrom atómu.

Každé jadro pozostáva z protónov a neutrónov. Protóny sú kladne nabité častice. Namiesto protónov budete mať zajačikov na batérie. A namiesto neutrónov sú tam zajačiky bez batérií, pretože nenesú žiadny náboj. Do oboch loptičiek vložte 8 zajačikov s batériami. To znamená, že v každom jadre gule máte 8 kladne nabitých protónov. Teraz je tu to, čo je potrebné urobiť so zajacmi bez batérií - neutróny. Umiestnite 8 neutrónových zajačikov do jednej gule a 7 neutrónových zajačikov do druhej.

Hmotnostné číslo je súčet protónov a neutrónov. Spočítajte zajace v každej guli a zistite hmotnostné číslo. V jednej guličke je hmotnostné číslo 16, v druhej guli je 17. Vidíte dve rovnaké guľôčkové jadrá s rovnakým počtom protónov. Ich počet neutrónov je rôzny. Guľôčky pôsobili ako izotopy. Vieš? Pretože izotopy sú varianty toho istého prvku s rôznym počtom neutrónov. Ukazuje sa, že tieto gule v skutočnosti nie sú len atómové jadrá, ale skutočné chemické prvky v periodickej tabuľke. Pamätáte si, aký náboj má +8? Samozrejme je to kyslík. Teraz je jasné, že kyslík má niekoľko izotopov a všetky sa navzájom líšia počtom neutrónov. Izotop kyslíka s hmotnostným číslom 16 má 8 neutrónov a izotop kyslíka s hmotnostným číslom 17 má 9 neutrónov. Hmotnostné číslo je uvedené v ľavom hornom rohu chemickej značky prvku.

Predstavte si gule so zajacmi a bude ľahšie pochopiť izotopy. Izotopy sú teda atómy chemického prvku s rovnakým jadrovým nábojom, ale rôznymi hmotnostnými číslami. Alebo definícia: izotopy sú varianty jedného chemického prvku, ktoré zaberajú rovnaké miesto v Mendelejevovej periodickej tabuľke prvkov, ale zároveň sa líšia hmotnosťou atómov.

Prečo sú potrebné znalosti o izotopoch? Používajú sa izotopy rôznych prvkov

Dokonca aj starovekí filozofi tvrdili, že hmota je postavená z atómov. Vedci si však začali uvedomovať, že samotné „stavebné kamene“ vesmíru pozostávajú z drobných častíc až na prelome 19. a 20. storočia. Experimenty, ktoré to dokazujú, spôsobili svojho času skutočnú revolúciu vo vede. Je to kvantitatívny pomer jeho zložiek, ktorý odlišuje jeden chemický prvok od druhého. Každý z nich má priradené svoje miesto podľa poradového čísla. Existujú však rôzne druhy atómov, ktoré zaberajú rovnaké bunky v tabuľke, napriek rozdielom v hmotnosti a vlastnostiach. Prečo je to tak a aké izotopy sú v chémii, bude diskutované ďalej.

Atóm a jeho častice

Štúdiom štruktúry hmoty bombardovaním alfa časticami E. Rutherford v roku 1910 dokázal, že hlavný priestor atómu je vyplnený prázdnotou. A len v strede je jadro. Záporné elektróny sa okolo neho pohybujú v orbitáloch a tvoria plášť tohto systému. Takto vznikol planetárny model „stavebných blokov“ hmoty.

Čo sú izotopy? Pamätajte si z kurzu chémie, že jadro má tiež zložitú štruktúru. Pozostáva z kladných protónov a neutrónov, ktoré nemajú náboj. Číslo prvého určuje kvalitatívne charakteristiky chemického prvku. Je to počet protónov, ktorý látky od seba odlišuje a dodáva ich jadrám určitý náboj. A na základe toho im je pridelené poradové číslo v periodickej tabuľke. Ale počet neutrónov v tom istom chemickom prvku ich rozlišuje na izotopy. Definícia tohto pojmu v chémii môže byť preto uvedená nasledovne. Ide o odrody atómov, ktoré sa líšia zložením jadra, majú rovnaký náboj a atómové čísla, ale majú rôzne hmotnostné čísla v dôsledku rozdielov v počte neutrónov.

Označenia

Počas štúdia chémie v 9. ročníku a izotopov sa žiaci dozvedia o prijatých konvenciách. Písmeno Z označuje náboj jadra. Tento údaj sa zhoduje s počtom protónov a je teda ich indikátorom. Súčet týchto prvkov s neutrónmi označenými N je A - hmotnostné číslo. Rodina izotopov jednej látky je zvyčajne označená symbolom tohto chemického prvku, ktorý má v periodickej tabuľke priradené poradové číslo, ktoré sa zhoduje s počtom protónov v ňom. Ľavý horný index pridaný k označenej ikone zodpovedá hromadnému číslu. Napríklad 238 U. Náboj prvku (v tomto prípade urán, označený poradovým číslom 92) je označený podobným indexom nižšie.

Keď poznáte tieto údaje, môžete ľahko vypočítať počet neutrónov v danom izotope. Rovná sa hmotnostnému číslu mínus sériové číslo: 238 - 92 = 146. Počet neutrónov by mohol byť menší, ale to by nezabránilo tomu, aby tento chemický prvok prestal zostať uránom. Treba poznamenať, že najčastejšie v iných, jednoduchších látkach je počet protónov a neutrónov približne rovnaký. Takéto informácie pomáhajú pochopiť, čo je izotop v chémii.

Nukleóny

Práve počet protónov dáva určitému prvku jeho individualitu a počet neutrónov ho nijako neovplyvňuje. Ale atómová hmotnosť sa skladá z týchto dvoch špecifikovaných prvkov, ktoré majú spoločný názov „nukleóny“, ktoré predstavujú ich súčet. Tento indikátor však nezávisí od tých, ktoré tvoria záporne nabitý obal atómu. prečo? Stačí len porovnávať.

Podiel hmotnosti protónov v atóme je veľký a dosahuje približne 1 a. e.m. alebo 1,672 621 898(21) 10 -27 kg. Neutrón je blízko výkonu tejto častice (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). Ale hmotnosť elektrónu je tisíckrát menšia, považuje sa za nepodstatnú a neberie sa do úvahy. Preto pri znalosti horného indexu prvku v chémii nie je ťažké zistiť zloženie izotopového jadra.

Izotopy vodíka

Izotopy niektorých prvkov sú v prírode natoľko známe a rozšírené, že dostali svoje vlastné mená. Najvýraznejším a najjednoduchším príkladom je vodík. Prirodzene sa vyskytuje vo svojej najbežnejšej forme, protium. Tento prvok má hmotnostné číslo 1 a jeho jadro pozostáva z jedného protónu.

Čo sú teda izotopy vodíka v chémii? Ako je známe, atómy tejto látky majú prvé číslo v periodickej tabuľke, a preto sú v prírode vybavené číslom náboja 1, ale počet neutrónov v jadre atómu je iný. Deutérium, ktoré je ťažkým vodíkom, má okrem protónu vo svojom jadre ešte jednu časticu, teda neutrón. Výsledkom je, že táto látka vykazuje svoje vlastné fyzikálne vlastnosti, na rozdiel od protium, má vlastnú hmotnosť, bod topenia a varu.

Trícium

Trícium je najkomplexnejšie zo všetkých. Toto je superťažký vodík. Podľa definície izotopov v chémii má nábojové číslo 1, ale hmotnostné číslo 3. Často sa nazýva tritón, pretože okrem jedného protónu má vo svojom jadre dva neutróny, to znamená, že pozostáva z z troch prvkov. Názov tohto prvku, ktorý objavili v roku 1934 Rutherford, Oliphant a Harteck, bol navrhnutý ešte pred jeho objavením.

Ide o nestabilnú látku s rádioaktívnymi vlastnosťami. Jeho jadro má schopnosť rozdeliť sa na beta časticu a elektrónové antineutríno. Energia rozpadu tejto látky nie je príliš vysoká a dosahuje 18,59 keV. Preto takéto žiarenie nie je pre človeka príliš nebezpečné. Ochrániť pred ním môže obyčajný odev a chirurgické rukavice. A tento rádioaktívny prvok získaný z potravy sa z tela rýchlo vylúči.

Izotopy uránu

Oveľa nebezpečnejšie sú rôzne druhy uránu, ktorých veda v súčasnosti pozná 26. Preto, keď sa hovorí o tom, aké izotopy sú v chémii, nemožno nespomenúť tento prvok. Napriek rôznorodosti druhov uránu sa v prírode vyskytujú iba tri izotopy. Patria sem 234 U, 235 U, 238 U. Prvý z nich, ktorý má vhodné vlastnosti, sa aktívne používa ako palivo v jadrových reaktoroch. A ten je určený na výrobu plutónia-239, ktoré je samo o sebe nenahraditeľné ako cenné palivo.

Každý z rádioaktívnych prvkov je charakterizovaný svojím vlastným. Ide o čas, počas ktorého sa látka rozdelí v pomere ½. To znamená, že v dôsledku tohto procesu sa množstvo zostávajúcej časti látky zníži na polovicu. Toto obdobie je pre urán obrovské. Napríklad pre izotop-234 sa odhaduje na 270 tisíc rokov, ale pre ďalšie dve špecifikované odrody je to oveľa významnejšie. Urán-238 má rekordný polčas rozpadu, ktorý trvá miliardy rokov.

Nuklidy

Nie každý typ atómu, ktorý sa vyznačuje vlastným a presne definovaným počtom protónov a elektrónov, je taký stabilný, aby existoval aspoň dlhú dobu dostatočnú na jeho štúdium. Tie, ktoré sú relatívne stabilné, sa nazývajú nuklidy. Stabilné útvary tohto druhu nepodliehajú rádioaktívnemu rozpadu. Nestabilné sa nazývajú rádionuklidy a zase sa delia na krátkodobé a dlhodobé. Ako viete z hodín chémie v 11. ročníku o štruktúre izotopových atómov, osmium a platina majú najväčší počet rádionuklidov. Kobalt a zlato majú po jednom stabilnom nuklide a cín má najväčší počet stabilných nuklidov.

Výpočet atómového čísla izotopu

Teraz sa pokúsime zhrnúť informácie opísané vyššie. Po pochopení toho, čo sú izotopy v chémii, je čas zistiť, ako využiť získané poznatky. Pozrime sa na to na konkrétnom príklade. Predpokladajme, že je známe, že určitý chemický prvok má hmotnostné číslo 181. Okrem toho obal atómu tejto látky obsahuje 73 elektrónov. Ako môžete pomocou periodickej tabuľky zistiť názov daného prvku, ako aj počet protónov a neutrónov v jeho jadre?

Začnime riešiť problém. Názov látky môžete určiť tak, že poznáte jej sériové číslo, ktoré zodpovedá počtu protónov. Keďže počet kladných a záporných nábojov v atóme je rovnaký, je to 73. To znamená, že ide o tantal. Celkový počet nukleónov je navyše 181, čo znamená, že protóny tohto prvku sú 181 - 73 = 108. Celkom jednoduché.

Izotopy gália

Prvok gálium má atómové číslo 71. V prírode má táto látka dva izotopy – 69 Ga a 71 Ga. Ako určiť percento druhov gália?

Riešenie problémov s izotopmi v chémii takmer vždy zahŕňa informácie, ktoré možno získať z periodickej tabuľky. Tentoraz by ste mali urobiť to isté. Určme priemernú atómovú hmotnosť z uvedeného zdroja. Rovná sa 69,72. Označením x a y kvantitatívnym pomerom prvého a druhého izotopu vezmeme ich súčet rovný 1. To znamená, že to bude zapísané vo forme rovnice: x + y = 1. Z toho vyplýva, že 69x + 71y = 69,72. Vyjadrením y pomocou x a dosadením prvej rovnice do druhej zistíme, že x = 0,64 a y = 0,36. To znamená, že 69 Ga sa nachádza v prírode 64% a percento 71Ga je 34%.

Izotopové premeny

Rádioaktívne štiepenie izotopov s ich premenou na iné prvky sa delí na tri hlavné typy. Prvým z nich je rozpad alfa. Vyskytuje sa pri emisii častice predstavujúcej jadro atómu hélia. To znamená, že ide o formáciu pozostávajúcu z kombinácie párov neutrónov a protónov. Pretože jeho množstvo určuje číslo náboja a počet atómov látky v periodickej tabuľke, v dôsledku tohto procesu dochádza ku kvalitatívnej premene jedného prvku na druhý a v tabuľke sa posúva doľava o dve bunky. V tomto prípade sa hmotnostné číslo prvku zníži o 4 jednotky. Poznáme to zo štruktúry izotopových atómov.

Keď jadro atómu stratí beta časticu, v podstate elektrón, zmení sa jeho zloženie. Jeden z neutrónov sa premení na protón. To znamená, že kvalitatívne charakteristiky látky sa opäť zmenia a prvok sa v tabuľke posunie o jednu bunku doprava bez toho, aby prakticky schudol. Typicky je takáto transformácia spojená s elektromagnetickým žiarením gama.

Transformácia izotopov rádia

Vyššie uvedené informácie a poznatky z chémie 11. ročníka o izotopoch opäť pomáhajú riešiť praktické problémy. Napríklad nasledovné: 226 Ra sa počas rozpadu zmení na chemický prvok IV. skupiny s hmotnostným číslom 206. Koľko alfa a beta častíc by mal stratiť?

Ak vezmeme do úvahy zmeny hmotnosti a skupiny dcérskeho prvku pomocou periodickej tabuľky, je ľahké určiť, že izotop vytvorený pri štiepení bude olovo s nábojom 82 a hmotnostným číslom 206. Vzhľadom na nábojové číslo tohto prvku a pôvodné rádium by sa malo predpokladať, že jeho jadro stratilo päť alfa-častíc a štyri beta častice.

Použitie rádioaktívnych izotopov

Každý si je dobre vedomý toho, aké škody môže rádioaktívne žiarenie spôsobiť živým organizmom. Vlastnosti rádioaktívnych izotopov sú však pre človeka užitočné. Úspešne sa používajú v mnohých priemyselných odvetviach. S ich pomocou je možné odhaliť netesnosti inžinierskych a stavebných konštrukcií, podzemných potrubí a ropovodov, zásobníkov, výmenníkov tepla v elektrárňach.

Tieto vlastnosti sa aktívne využívajú aj vo vedeckých experimentoch. Napríklad mucha tse-tse je prenášačom mnohých závažných chorôb pre ľudí, hospodárske zvieratá a domáce zvieratá. Aby sa tomu zabránilo, samce tohto hmyzu sa sterilizujú pomocou slabého rádioaktívneho žiarenia. Izotopy sú tiež nepostrádateľné pri štúdiu mechanizmov určitých chemických reakcií, pretože atómy týchto prvkov možno použiť na označenie vody a iných látok.

Označené izotopy sa tiež často používajú v biologickom výskume. Takto sa napríklad zistilo, ako fosfor ovplyvňuje pôdu, rast a vývoj kultúrnych rastlín. Vlastnosti izotopov sa úspešne využívajú aj v medicíne, čo umožnilo liečiť rakovinové nádory a iné závažné ochorenia a určovať vek biologických organizmov.

Zopakujte si hlavné ustanovenia témy „Základné pojmy chémie“ a vyriešte navrhnuté problémy. Použite č. 6-17.

Základné ustanovenia

1. Látka(jednoduchý a komplexný) je akýkoľvek súbor atómov a molekúl umiestnených v určitom stave agregácie.

Premeny látok sprevádzané zmenami v ich zložení a (alebo) štruktúre sa nazývajú chemické reakcie .

2. Štrukturálne jednotky látok:

· Atom- najmenšia elektricky neutrálna častica chemického prvku alebo jednoduchej látky, ktorá má všetky svoje chemické vlastnosti a potom je fyzikálne a chemicky nedeliteľná.

· Molekula- najmenšia elektricky neutrálna častica látky, vlastniaca všetky jej chemické vlastnosti, fyzikálne nedeliteľná, ale chemicky deliteľná.

3. Chemický prvok - Ide o typ atómu s určitým jadrovým nábojom.

4. Zlúčenina atóm :

Častice	Ako určiť?	Nabite		Hmotnosť
		Cl	konvenčné jednotky		a.e.m.
Electron	Podľa radového číslo (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Proton	Podľa radového číslo (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Neutrón	Ar–N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Zlúčenina atómové jadro :

Jadro obsahuje elementárne častice ( nukleóny) –

protóny(1 1 p ) a neutróny(10 n).

· Pretože Takmer všetka hmotnosť atómu je sústredená v jadre a m p ≈ m n≈ 1 amu, To zaokrúhlená hodnotaA rchemického prvku sa rovná celkovému počtu nukleónov v jadre.

7. Izotopy- množstvo atómov toho istého chemického prvku, líšiace sa od seba iba svojou hmotnosťou.

· Izotopový zápis: naľavo od symbolu prvku uveďte hmotnostné číslo (hore) a atómové číslo prvku (dole)

· Prečo majú izotopy rôznu hmotnosť?

Zadanie: Určte atómové zloženie izotopov chlóru: 35 17Cla 37 17Cl?

· Izotopy majú rôznu hmotnosť v dôsledku rôzneho počtu neutrónov v ich jadrách.

8. V prírode existujú chemické prvky vo forme zmesí izotopov.

Izotopové zloženie toho istého chemického prvku je vyjadrené v atómové frakcie(ω at.), ktoré označujú, akú časť tvorí počet atómov daného izotopu z celkového počtu atómov všetkých izotopov daného prvku, braný ako jeden alebo 100 %.

Napríklad:

ω pri (35 17 Cl) = 0,754

ω pri (37 17 Cl) = 0,246

9. Periodická tabuľka zobrazuje priemerné hodnoty relatívnych atómových hmotností chemických prvkov, berúc do úvahy ich izotopové zloženie. Preto Ar uvedené v tabuľke sú zlomkové.

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

Napríklad:

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

10. Problém na vyriešenie:

č. 1. Určte relatívnu atómovú hmotnosť bóru, ak je známe, že molárny zlomok izotopu 10B je 19,6 % a izotopu 11B je 80,4 %.

11. Hmotnosti atómov a molekúl sú veľmi malé. V súčasnosti je vo fyzike a chémii prijatý jednotný systém merania.

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

Absolútna hmotnosť niektorých atómov:

m( C) = 1,99268 ∙ 10 -23 g

m( H) = 1,67375 ∙ 10 -24 g

m( O) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– ukazuje, koľkokrát je daný atóm ťažší ako 1/12 atómu 12 C. Pán∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Počet atómov a molekúl v bežných vzorkách látok je veľmi veľký, preto sa pri charakterizácii množstva látky používa jednotka merania -Krtko .

· krtko (ν)– jednotka množstva látky, ktorá obsahuje rovnaký počet častíc (molekúl, atómov, iónov, elektrónov), koľko je atómov v 12 g izotopu 12 C

· Hmotnosť 1 atóm 12 C sa rovná 12 amu, teda počet atómov v 12 g izotopu 12 C rovná sa:

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

· Fyzikálne množstvo N A volal Avogadrova konštanta (Avogadrove číslo) a má rozmer [N A] = mol -1.

14. Základné vzorce:

M = Pán = ρ ∙ Vm(ρ – hustota; V m – objem na nulovej úrovni)

Problémy riešiť samostatne

č. 1. Vypočítajte počet atómov dusíka v 100 g uhličitanu amónneho obsahujúceho 10 % nedusíkových nečistôt.

č. 2. Za normálnych podmienok má 12 litrov plynnej zmesi pozostávajúcej z amoniaku a oxidu uhličitého hmotnosť 18 g. Koľko litrov každého plynu zmes obsahuje?

č. 3. Pri vystavení nadbytku kyseliny chlorovodíkovej sa získa 8,24 g zmesi oxidu mangánu (IV) s neznámym oxidom MO 2, ktorý nereaguje s kyselinou chlorovodíkovou, sa pri podmienkach okolia získalo 1,344 litra plynu. V inom experimente sa zistilo, že molárny pomer oxidu mangánu (IV) k neznámemu oxidu je 3:1. Určte vzorec neznámeho oxidu a vypočítajte jeho hmotnostný podiel v zmesi.

Pravdepodobne nie je na zemi človek, ktorý by nepočul o izotopoch. Ale nie každý vie, čo to je. Fráza „rádioaktívne izotopy“ znie obzvlášť desivo. Tieto zvláštne chemické prvky vydesia ľudstvo, no v skutočnosti nie sú také strašidelné, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať.

Definícia

Na pochopenie pojmu rádioaktívne prvky je potrebné najprv povedať, že izotopy sú vzorky toho istého chemického prvku, ale s rôznymi hmotnosťami. Čo to znamená? Otázky zmiznú, ak si najprv zapamätáme štruktúru atómu. Pozostáva z elektrónov, protónov a neutrónov. Počet prvých dvoch elementárnych častíc v jadre atómu je vždy konštantný, pričom neutróny, ktoré majú svoju hmotnosť, sa môžu v tej istej látke vyskytovať v rôznych množstvách. Táto okolnosť vedie k vzniku rôznych chemických prvkov s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami.

Teraz môžeme poskytnúť vedeckú definíciu skúmaného pojmu. Izotopy sú teda kolektívnym súborom chemických prvkov, ktoré majú podobné vlastnosti, ale majú rôzne hmotnosti a fyzikálne vlastnosti. Podľa modernejšej terminológie sa im hovorí galaxia nukleotidov chemického prvku.

Trochu histórie

Začiatkom minulého storočia vedci zistili, že tá istá chemická zlúčenina za rôznych podmienok môže mať rôzne hmotnosti elektrónových jadier. Z čisto teoretického hľadiska by sa takéto prvky mohli považovať za nové a mohli by začať zapĺňať prázdne bunky v periodickej tabuľke D. Mendelejeva. Voľných buniek je v nej ale len deväť a vedci objavili desiatky nových prvkov. Matematické výpočty navyše ukázali, že objavené zlúčeniny nemožno považovať za predtým neznáme, pretože ich chemické vlastnosti plne zodpovedali charakteristikám existujúcich.

Po dlhých diskusiách bolo rozhodnuté nazvať tieto prvky izotopmi a umiestniť ich do rovnakého boxu ako tie, ktorých jadrá obsahujú rovnaký počet elektrónov. Vedci dokázali určiť, že izotopy sú len niektoré variácie chemických prvkov. Príčiny ich výskytu a dĺžka života sa však skúmajú už takmer storočie. Ani na začiatku 21. storočia sa nedá povedať, že ľudstvo vie o izotopoch úplne všetko.

Trvalé a nestabilné variácie

Každý chemický prvok má niekoľko izotopov. Vzhľadom na to, že v ich jadrách sú voľné neutróny, nie vždy vstupujú do stabilných väzieb so zvyškom atómu. Po určitom čase z jadra odchádzajú voľné častice, čím sa mení jeho hmotnosť a fyzikálne vlastnosti. Takto vznikajú ďalšie izotopy, čo v konečnom dôsledku vedie k vytvoreniu látky s rovnakým počtom protónov, neutrónov a elektrónov.

Tie látky, ktoré sa veľmi rýchlo rozkladajú, sa nazývajú rádioaktívne izotopy. Do vesmíru uvoľňujú veľké množstvo neutrónov a vytvárajú silné ionizujúce gama žiarenie, známe svojou silnou prenikavou silou, ktorá negatívne ovplyvňuje živé organizmy.

Stabilnejšie izotopy nie sú rádioaktívne, pretože počet nimi uvoľnených voľných neutrónov nie je schopný generovať žiarenie a významne ovplyvňovať iné atómy.

Už dávno vedci stanovili jeden dôležitý vzorec: každý chemický prvok má svoje vlastné izotopy, perzistentné alebo rádioaktívne. Zaujímavosťou je, že mnohé z nich boli získané v laboratórnych podmienkach a ich prítomnosť v prírodnej forme je malá a nie je vždy detekovaná prístrojmi.

Distribúcia v prírode

V prírodných podmienkach sa najčastejšie vyskytujú látky, ktorých izotopová hmotnosť je priamo určená ich poradovým číslom v tabuľke D. Mendelejeva. Napríklad vodík, označený symbolom H, má atómové číslo 1 a jeho hmotnosť sa rovná jednej. Jeho izotopy, 2H a 3H, sú v prírode extrémne zriedkavé.

Dokonca aj ľudské telo má niektoré rádioaktívne izotopy. Dostávajú sa cez potravu vo forme izotopov uhlíka, ktoré sú naopak absorbované rastlinami z pôdy alebo vzduchu a stávajú sa súčasťou organickej hmoty počas procesu fotosyntézy. Preto ľudia, zvieratá a rastliny vyžarujú určité pozadie. Len je taký nízky, že nenarúša normálne fungovanie a rast.

Zdrojmi, ktoré prispievajú k tvorbe izotopov, sú vnútorné vrstvy zemského jadra a žiarenie z vesmíru.

Ako viete, teplota na planéte do značnej miery závisí od jej horúceho jadra. Ale len veľmi nedávno sa ukázalo, že zdrojom tohto tepla je komplexná termonukleárna reakcia, na ktorej sa podieľajú rádioaktívne izotopy.

Izotopový rozpad

Keďže izotopy sú nestabilné útvary, dá sa predpokladať, že sa časom vždy rozpadajú na trvalejšie jadrá chemických prvkov. Toto tvrdenie je pravdivé, pretože vedci nedokázali odhaliť obrovské množstvo rádioaktívnych izotopov v prírode. A väčšina z tých, ktoré boli extrahované v laboratóriách, trvala niekoľko minút až niekoľko dní a potom sa zmenili späť na bežné chemické prvky.

Ale v prírode existujú aj izotopy, ktoré sa ukázali ako veľmi odolné voči rozpadu. Môžu existovať miliardy rokov. Takéto prvky vznikali v tých vzdialených časoch, keď sa Zem ešte len formovala a na jej povrchu nebola ani pevná kôra.

Rádioaktívne izotopy sa veľmi rýchlo rozpadajú a znovu vznikajú. Preto, aby sa uľahčilo hodnotenie stability izotopu, vedci sa rozhodli zvážiť kategóriu jeho polčasu rozpadu.

Polovičný život

Všetkým čitateľom nemusí byť hneď jasné, čo sa pod týmto pojmom myslí. Poďme si to definovať. Polčas rozpadu izotopu je čas, počas ktorého konvenčná polovica prijatej látky prestane existovať.

To neznamená, že zvyšok spojenia bude zničený za rovnaký čas. V súvislosti s touto polovicou je potrebné uvažovať aj s ďalšou kategóriou – časovým úsekom, počas ktorého zmizne jej druhá časť, teda štvrtina pôvodného množstva látky. A táto úvaha pokračuje do nekonečna. Dá sa predpokladať, že je jednoducho nemožné vypočítať čas úplného rozpadu počiatočného množstva látky, pretože tento proces je prakticky nekonečný.

Vedci, ktorí poznajú polčas rozpadu, však môžu určiť, koľko látky na začiatku existovalo. Tieto údaje sa úspešne využívajú v príbuzných vedách.

V modernom vedeckom svete sa koncept úplného rozpadu prakticky nepoužíva. Pre každý izotop je zvykom uvádzať jeho polčas rozpadu, ktorý sa pohybuje od niekoľkých sekúnd až po mnoho miliárd rokov. Čím nižší je polčas rozpadu, tým viac žiarenia pochádza z látky a tým vyššia je jej rádioaktivita.

Fosílne úžitok

V niektorých odvetviach vedy a techniky sa používanie relatívne veľkého množstva rádioaktívnych látok považuje za povinné. V prírodných podmienkach je však takýchto zlúčenín veľmi málo.

Je známe, že izotopy sú nezvyčajné varianty chemických prvkov. Ich počet sa meria v niekoľkých percentách najodolnejšej odrody. To je dôvod, prečo vedci potrebujú umelo obohacovať fosílne materiály.

Za roky výskumu sme zistili, že rozpad izotopu je sprevádzaný reťazovou reakciou. Uvoľnené neutróny jednej látky začnú ovplyvňovať druhú. V dôsledku toho sa ťažké jadrá rozpadajú na ľahšie a získavajú sa nové chemické prvky.

Tento jav sa nazýva reťazová reakcia, v dôsledku ktorej možno získať stabilnejšie, ale menej bežné izotopy, ktoré sa následne využívajú v národnom hospodárstve.

Aplikácia energie rozpadu

Vedci tiež zistili, že pri rozpade rádioaktívneho izotopu sa uvoľňuje obrovské množstvo voľnej energie. Jeho množstvo sa zvyčajne meria pomocou Curieovej jednotky, ktorá sa rovná času štiepenia 1 g radónu-222 za 1 sekundu. Čím vyšší je tento ukazovateľ, tým viac energie sa uvoľní.

To sa stalo dôvodom pre vývoj spôsobov využitia voľnej energie. Takto sa objavili atómové reaktory, do ktorých je umiestnený rádioaktívny izotop. Väčšina energie, ktorú uvoľňuje, sa zhromažďuje a premieňa na elektrickú energiu. Na základe týchto reaktorov vznikajú jadrové elektrárne, ktoré poskytujú najlacnejšiu elektrinu. Menšie verzie takýchto reaktorov sú inštalované na samohybných mechanizmoch. Vzhľadom na nebezpečenstvo nehôd sa ako také vozidlá najčastejšie používajú ponorky. V prípade zlyhania reaktora bude počet obetí na ponorke jednoduchšie minimalizovať.

Ďalším veľmi desivým využitím energie polčasu rozpadu sú atómové bomby. Počas druhej svetovej vojny ich testovali na ľuďoch v japonských mestách Hirošima a Nagasaki. Následky boli veľmi smutné. Preto je na svete dohoda o nepoužívaní týchto nebezpečných zbraní. Veľké štáty so zameraním na militarizáciu zároveň pokračujú vo výskume v tejto oblasti aj dnes. Navyše mnohí z nich, tajne zo svetovej komunity, vyrábajú atómové bomby, ktoré sú tisíckrát nebezpečnejšie ako tie, ktoré sa používajú v Japonsku.

Izotopy v medicíne

Na mierové účely sa v medicíne naučili využívať rozpad rádioaktívnych izotopov. Nasmerovaním žiarenia na postihnutú oblasť tela je možné zastaviť priebeh ochorenia alebo pomôcť pacientovi úplne sa zotaviť.

Na diagnostiku sa však častejšie používajú rádioaktívne izotopy. Ide o to, že ich pohyb a povahu zhluku možno najľahšie určiť žiarením, ktoré produkujú. Do ľudského tela sa tak vstrekne určité zdravotne nezávadné množstvo rádioaktívnej látky a lekári pomocou prístrojov pozorujú, ako a kam sa dostane.

Diagnostikujú tak fungovanie mozgu, povahu rakovinových nádorov a zvláštnosti fungovania endokrinných a exokrinných žliaz.

Aplikácia v archeológii

Je známe, že živé organizmy vždy obsahujú rádioaktívny uhlík-14, ktorého polčas rozpadu je 5570 rokov. Vedci navyše vedia, koľko tohto prvku je obsiahnuté v tele až do okamihu smrti. To znamená, že všetky zrezané stromy vyžarujú rovnaké množstvo žiarenia. Postupom času sa intenzita žiarenia znižuje.

To pomáha archeológom určiť, ako dávno zomrelo drevo, z ktorého bola postavená galéra alebo akákoľvek iná loď, a teda čas samotnej stavby. Táto výskumná metóda sa nazýva analýza rádioaktívneho uhlíka. Vďaka nej je pre vedcov jednoduchšie stanoviť chronológiu historických udalostí.