Što su izotopi u kemiji? Definicija, struktura

Čak su i drevni filozofi predložili da je stvar izgrađena od atoma. Međutim, znanstvenici su počeli nagađati da se "cigle" svemira sastoje od najmanjih čestica tek na spoju XIX i XX stoljeća. Eksperimenti koji to dokazuju, proizvedeni u stvarnom vremenu pravi revolucije. To je kvantitativni omjer konstitutivnih dijelova koji razlikuje jedan kemijski element od drugog. Svaki od njih ima svoje mjesto u Periodni sustav Mendelejeva

Atom i njegove čestice

Istražujući strukturu materije bombardiranjem alfa česticama, E. Rutherford je 1910. godine pokazao da je glavni prostor atoma ispunjen prazninom. A samo u sredini je jezgra. Oko njega orbite premjestiti negativne elektrone, stvarajući ljusku ovog sustava. Tako je stvoren planetarni model "cigle" materije.

Što su izotopi? S kemijskog znanja sjetite se da jezgra također ima složenu strukturu. Sastoji se od pozitivnih protona i bez neutrona. Broj prvog određuje kvalitativne karakteristike kemijskog elementa. To je broj protona koji međusobno razlikuju tvari, dajući njihovim jezgrama određeni naboj. I na toj osnovi dodjeljuju se serijski brojevi u periodičnoj tablici. No, broj neutrona za isti kemijski element razlikuje ih u izotope. Definicija u kemiji ovog koncepta može se stoga dati kako slijedi. To su vrste atoma koje se razlikuju po sastavu jezgre, koje imaju isti naboj i redni brojevi, ali imaju različite masene brojeve zbog razlike u broju neutrona.

oznake

Studiranje kemije u 9. razredu i izotopima, učenici uče o usvojenim simbolima. Pismo Z označava naboj jezgre. Ova se brojka podudara s brojem protona i stoga je njihov pokazatelj. Zbroj tih elemenata s neutronima označen simbolom N je A - masovni broj. Obitelj izotopa jedne tvari, u pravilu, označena je ikonom tog kemijskog elementa koji u periodičnom stolu ima redni broj koji se podudara s brojem protona u njemu. Lijevi gornji indeks dodan određenoj ikoni odgovara broju mase. Na primjer, ²³⁸U. Napunjenost elementa (u ovom slučaju, uranij označen serijskim brojem 92) označen je sličnim indeksom iz dolje.

Poznavanje tih podataka lako je izračunati broj neutrona za određeni izotop. Jednako je maseni broj nakon odbitka rednog broja: 238-92 = 146. Broj neutrona mogao bi biti manji, od toga će dan kemijski element prestati ostati uran. Valja napomenuti da najčešće u drugim, jednostavnijim supstancama, broj protona i neutrona približno se podudara. Takve informacije pomažu razumjeti što je izotop u kemiji.

nukleona

Individualnost daje određeni element točno broj protona, a broj neutrona ne utječe ni na koji način. Ali atomska masa se sastoji od ta dva elementa, koji imaju zajednički naziv "nukleoni", koji predstavljaju njihovu sumu. Međutim, ovaj pokazatelj ne ovisi o broj elektrona, formirajući negativno nabijenu ljusku atoma. Zašto? Potrebno je samo usporediti.

Frakcija protonske mase u atomu je velika i iznosi oko 1 a. e. m. ili 1.672 621 898 (21) middot-10^-27kg. Neutron je blizu indeksa ove čestice (1.674.928.771 (21) middot-10^-27kg). Ali masa elektroni je tisuću puta manja, smatra se beznačajnom i ne uzima se u obzir. Zato, znajući gornji indeks elementa u kemiji, nije teško znati sastav jezgre izotopa.

Izotopi vodika

Izotopi nekih elemenata su tako poznati i široko rasprostranjeni po prirodi da imaju svoje ime. Svijetli i najjednostavniji primjer toga su vodik. U prirodnim uvjetima, ona se nalazi u svom najčešćem obliku protiuma. Ovaj element ima masovni broj od 1, a njegova jezgra sastoji se od jednog protona.

Pa što su vodikovi izotopi u kemiji? Kao što je poznato, atomi ove tvari imaju prvi broj u periodičnom stihu, a obogaćeni su s brojem naboja od 1. Ali broj neutrona u jezgri atoma je različit. Deuterij, kao teški vodik, uz proton ima još jednu česticu u jezgri, to jest neutronu. Kao rezultat, ta supstanca ima svoje fizičke osobine, za razliku od protiuma, koja ima svoju težinu, točku topljenja i vrelište.

tritijum

Tritium je složeniji od svih. Ovo je superteški vodik. Prema definiciji izotopa u kemiji, ona ima broj naboja od 1, ali masovni broj od 3. Često se zove novi, jer uz jedan proton ima dva neutrona u jezgri, tj. Sastoji se od tri elementa. Ime ovog elementa, otkriveno 1934. od strane Rutherforda, Oliphanta i Harteka, predloženo je i prije otkrića.

Ovo je nestabilna tvar koja pokazuje radioaktivna svojstva. Njegova jezgra ima sposobnost podijeliti s oslobađanjem beta čestica i elektroničkih antineutrina. Energija propadanja ove tvari nije veoma visoka i iznosi 18,59 keV. Stoga, takvo zračenje nije previše opasno za osobu. Može zaštititi običnu odjeću i kirurške rukavice. I taj radioaktivni element, koji se dobiva s hranom, brzo se uklanja iz tijela.

Uranski izotopi

Mnogo je opasnije pronaći različite vrste urana, koji do sada znanost zna 26. Stoga, kada se govori o tome što su izotopi u kemiji, nemoguće je spomenuti ovaj element. Unatoč raznolikosti vrsta urana, samo su tri izotopa u prirodi njegovih izotopa. To uključuje ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U. Prva koja posjeduju odgovarajuća svojstva aktivno se koristi kao gorivo u nuklearnim reaktorima. A potonji - za proizvodnju plutonija-239, koji je zauzvrat nužan kao najvrednije gorivo.

Svaki od radioaktivnih elemenata karakterizira vlastiti vrijeme poluraspada. Ovo je duljina vremena tijekom kojeg je tvar podijeljena u odnosu na frac12-. To je, kao rezultat ovog postupka, količina preostalog dijela tvari je prepolovljena. Ovaj vremenski period za uran je ogroman. Na primjer, za izotope-234 procjenjuje se na 270 tisuća godina, a za ostale dvije vrste to je mnogo značajnije. Poluvrijeme rekorda je u uranu-238, koji traje milijarde godina.

nuklida

Nije svaka vrsta atoma, koju karakterizira vlastiti i strogo određeni broj protona i elektrona, toliko stabilna da postoji barem neko dugotrajno razdoblje dovoljno za njegovo proučavanje. Oni od njih koji imaju relativnu stabilnost nazivaju se nuklidima. Stabilne formacije ove vrste ne prolaze radioaktivno raspadanje. Nestabilni se nazivaju radionuklidi, a zauzvrat su podijeljeni u kratkotrajne i duge jetre. Kao što je poznato iz nastave kemije 11. razreda na strukturi atoma izotopa, najveći broj radionuklida ima osmij i platina. Kobalt i zlato su jedini stabilni, a najveći broj stabilnih nuklida u kositru.

Izračun rednog broja izotopa

Pokušajmo generalizirati prethodno opisane informacije. Razumijevanje onoga što su izotopi u kemiji, vrijeme je da shvatite kako možete koristiti znanje koje ste stekli. Razmotrite ovo za određeni primjer. Pretpostavimo da je poznato da neki kemijski element ima maseni broj od 181. Istovremeno, ljuska atoma ove tvari sadrži 73 elektrona. Kako možemo upotrijebiti tablicu Mendeleev kako bismo saznali ime tog elementa, kao i broj protona i neutrona u svojoj jezgri?

Nastavljamo s rješavanjem problema. Odredite naziv tvari može biti, znajući njegov serijski broj, što odgovara broju protona. Budući da je broj pozitivnih i negativnih naboja u atomu jednak, to je 73. Dakle, to je tantal. Istodobno, ukupan broj nukleona u ukupnom broju iznosi 181, što znači da su protoni ovog elementa 181 - 73 = 108. To je sasvim jednostavno.

Izotopi galija

Element galija u periodičkom sustavu ima redni broj 71. U prirodi ta supstanca ima dva izotopa - ⁶⁹Ga i ⁷¹Džordžija Kako odrediti postotak vrsta galija?

Rješavanje problema izotopa u kemiji gotovo je uvijek povezano s informacijama koje se mogu dobiti iz periodičnog stanja. Ovaj put biste trebali učiniti isto. Odredimo prosječnu atomsku masu iz ovog izvora. To je jednako 69,72. Označavajući kvantitativni omjer prvog i drugog izotopa za x i y, zbrojimo ih jednakima 1. Dakle, u obliku jednadžbe to će biti napisano: x + y = 1. Stoga slijedi da je 69x + 71y = 69.72. Izražavajući y u smislu x i zamjenom prve jednadžbe u drugi, dobivamo taj x = 0,64 i y = 0,36. To znači to ⁶⁹Ga je sadržana u prirodi 64%, a postotak ⁷¹Ga je 34%.

Izotopne transformacije

Radioaktivno cijepanje izotopa transformacijom u druge elemente podijeljeno je u tri glavne vrste. Prvi od njih je alfa propadanje. To se događa s emisijom čestice koja je jezgra atoma helija. To jest, ova formacija, koja se sastoji od niza parova neutrona i protona. Budući da broj potonjeg određuje broj naboja i broj atoma tvari u periodičkom sustavu, kao rezultat tog postupka, odvija se kvalitativna transformacija jednog elementa u drugi, a u tablici se prebacuje na dvije stanice. U tom slučaju, masovni broj elementa je smanjen za 4 jedinice. To znamo dijelovi kemije na strukturu atoma izotopa.

Kada se nukleus nekog atoma beta čestice, uglavnom elektrona, izgubi, njegova se mijenja. Jedan od neutrona pretvara se u proton. To znači da se kvalitativna svojstva tvari ponovno mijenjaju, a element se prebaci u tablicu jednu ćeliju desno, praktički bez gubitka mase. Obično je takva transformacija povezana s elektromagnetnim gama zračenjem.

Transformacija izotopa radiuma

Gore navedene informacije i znanja iz kemije 11. razreda na izotopima ponovno pomažu u rješavanju praktičnih problema. Na primjer, sljedeće: ²²⁶Ra se raspada u kemijski element grupe IV, koji ima masovni broj od 206. Koliko alfa i beta čestica treba izgubiti?

S obzirom na promjene u težini i elemenata kćer skupine pomoću periodnog sustava elemenata, lako utvrditi da nastalog nakon cijepanja izotopa će dovesti 82 uz naknadu i masenog broja od 206. Određeni broj zadužen za početnu elementa i radija mora pretpostaviti da je izgubio pet kernel alfa čestice i četiri beta čestice.

Upotreba radioaktivnih izotopa

Svatko zna savršeno što štetu živim organizmima može uzrokovati zračenje. Međutim, svojstva radioaktivnih izotopa su korisna za ljude. Oni se uspješno koriste u mnogim industrijama. Pomoću njih mogu se otkriti propuštanja u inženjerskim i građevinskim objektima, podzemnim cjevovodima i naftovodima, spremnicima za skladištenje, izmjenjivačima topline u elektranama.

Ta svojstva se također aktivno koriste u znanstvenim eksperimentima. Na primjer, letak leta nosi mnoge ozbiljne bolesti ljudima, stoci i domaćim životinjama. Kako bi se spriječili takvi mužjaci, ti su kukci sterilizirani slabo radioaktivnim zračenjem. Izotopi su također neophodni za proučavanje mehanizama određenih kemijskih reakcija, jer atomi tih elemenata mogu biti obilježeni vodom i drugim tvarima.

U biološkim istraživanjima često se koriste i obilježeni izotopi. Na primjer, ovako je utvrđeno kako fosfor utječe na tlo, rast i razvoj kultiviranih biljaka. Osobine izotopa također se uspješno koriste u medicini, što je omogućilo liječenje kancerogenih tumora i drugih ozbiljnih bolesti, te doba bioloških organizama.