Ce sunt izotopii în chimie? Definiție, structură

Chiar și filosofii antice au sugerat că materia este construită din atomi. Totuși, oamenii de știință au început să ghicească că "cărămizile" universului constau din cele mai mici particule numai la intersecția secolelor XIX și XX. Experimentele care dovedesc acest lucru au produs în timp real o adevărată revoluție. Este raportul cantitativ dintre părțile componente care distinge un element chimic de celălalt. Fiecare dintre ele are propriul său loc în Sistemul periodic al lui Mendeleev

Atomul și particulele acestuia

Investigând structura materiei prin bombardament cu particule alfa, E. Rutherford a demonstrat în 1910 că spațiul principal al atomului este umplut cu vid. Și numai în centru este nucleul. În jurul său, orbitele mișcă electroni negativi, formând coaja acestui sistem. Astfel a fost creat modelul planetar al "cărămizilor" materiei.

Ce sunt izotopii? Amintiți-vă de la cursul de chimie că nucleul are, de asemenea, o structură complexă. Se compune din protoni pozitivi și nu există neutroni. Numărul primului determină caracteristicile calitative ale elementului chimic. Numarul de protoni distinge substantele unul de altul, dand nucleului lor o anumita incarcatura. Și pe această bază li se atribuie un număr de serie în tabelul periodic. Dar numărul de neutroni pentru același element chimic îi diferențiază în izotopi. Prin urmare, definirea în chimie a acestui concept poate fi dată după cum urmează. Acestea sunt tipuri de atomi care diferă în compoziția nucleului, care au aceeași încărcătură și numere ordinale, dar au numere de masă diferite, datorită diferenței de număr de neutroni.

denumiri

Studiind chimia din clasa a 9-a și izotopii, elevii învață despre simbolurile adoptate. Litera Z indică încărcarea nucleului. Această cifră coincide cu numărul de protoni și, prin urmare, este indicatorul lor. Suma acestor elemente cu neutroni, marcată de simbolul N, este A - numărul de masă. Familia izotopilor unei substanțe este în general indicat prin aceea că respectivul element chimic din tabelul periodic, care este dotat cu un număr de serie care coincide cu numărul de protoni din ea. Indicele superior stânga adăugat la pictograma specificată corespunde numărului de masă. De exemplu, ²³⁸U. Încărcarea elementului (în acest caz uraniu marcat cu numărul de serie 92) este marcat printr-un indice similar de mai jos.

Cunoscând aceste date, este ușor de calculat numărul de neutroni pentru un anumit izotop. Ea este egală cu numărul de masă după deducerea numărului ordinal: 238-92 = 146. Numărul de neutroni poate fi mai mic, din care elementul chimic dat nu va înceta să rămână uraniu. Trebuie remarcat că cel mai adesea în alte substanțe mai simple, numărul de protoni și neutroni coincide aproximativ. Aceste informații ajută la înțelegerea a ceea ce este un izotop în chimie.

nucleoni

Individualitatea oferă un anumit element exact numărul de protoni, iar numărul neutronilor nu-l afectează în nici un fel. Dar masa atomică este compusă din aceste două elemente, care au denumirea comună "nucleoni", reprezentând suma lor. Cu toate acestea, acest indicator nu depinde de numărul de electroni, formând o coajă încărcată negativ a unui atom. De ce? Este necesar doar să comparăm.

Fracțiunea din masa protonică din atom este mare și este de aproximativ 1 a. e. m sau 1,672 621 898 (21) middot-10^-27kg. Neutronul este aproape de indicii acestei particule (1.674 927 471 (21) middot-10^-27kg). Dar masa unui electron este de o mie de ori mai mică, este considerată nesemnificativă și nu este luată în considerare. De aceea, cunoscând indicele superior al elementului din chimie, nu este dificil să cunoaștem compoziția nucleului izotopic.

Izotopii hidrogenului

Izotopii unor elemente sunt atât de bine cunoscuți și larg răspândiți în natură încât au nume proprii. Un exemplu luminos și mai simplu este hidrogenul. În condiții naturale, acesta este conținut în cea mai comună formă de contraum. Acest element are un număr de masă de 1, iar miezul său constă dintr-un proton.

Deci ce sunt izotopii hidrogenului în chimie? După cum se știe, atomii acestei substanțe au primul număr în tabelul periodic și sunt respectiv înzestrați cu un număr de sarcină de 1. Dar numărul de neutroni din nucleul atomului este diferit. Deuteriul, fiind un hidrogen greu, în plus față de un proton are încă o particulă în nucleu, adică un neutron. Ca rezultat, această substanță prezintă propriile sale proprietăți fizice, spre deosebire de antium, având propria greutate, punctul de topire și punctul de fierbere.

tritiu

Tritiuul este mai complicat decât toți. Acesta este un hidrogen suprasolicitat. În conformitate cu definiția izotopilor în chimie, are numărul atomic 1, dar numărul de masă 3. Este adesea numit Triton, deoarece, în plus față de un singur proton, acesta este compus din doi neutroni in nucleu, adică, este format din trei elemente. Numele acestui element, descoperit în 1934 de către Rutherford, Oliphant și Hartek, a fost propus chiar înainte de descoperirea sa.

Aceasta este o substanță instabilă care prezintă proprietăți radioactive. Miezul său are capacitatea de a se împărți cu eliberarea particulelor beta și antineutrinelor electronice. Energia degradării acestei substanțe nu este foarte ridicată și se ridică la 18,59 keV. Prin urmare, o astfel de radiație nu este prea periculoasă pentru o persoană. Poate proteja haine obișnuite și mănuși chirurgicale. Și acest element radioactiv, care se obține cu alimente, este eliminat rapid din organism.

Izotopi de uraniu

Mult mai periculoase sunt diferitele tipuri de uraniu, care știința este cunoscută până în prezent 26. Prin urmare, vorbind despre ce izotopii în chimie, este imposibil să nu mai vorbim de acest element. În ciuda diversității speciilor de uraniu, există doar trei izotopi în natura izotopilor săi. Acestea includ ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U. Primul dintre aceștia care posedă proprietăți adecvate este utilizat în mod activ ca combustibil în reactoarele nucleare. Și aceasta din urmă - pentru producția de plutoniu-239, care, la rândul său, este indispensabilă ca cel mai valoros combustibil.

Fiecare dintre elementele radioactive este caracterizată de propriile sale timp de înjumătățire. Aceasta este durata de timp în care substanța este împărțită în raport cu frac12-. Adică, ca rezultat al acestui proces, cantitatea de restul de substanță este redusă la jumătate. Această perioadă de timp pentru uraniu este imensă. De exemplu, pentru izotopul-234 este estimat la 270 de milenii, iar pentru celelalte două specii este mult mai semnificativ. Timpul de înjumătățire record este în uraniu-238, care durează miliarde de ani.

nuclide

Nu orice fel de atom, caracterizat prin numărul propriu și strict definit de protoni și electroni, este atât de stabil încât există cel puțin o perioadă prelungită suficientă pentru studiul său. Cei care au stabilitate relativă sunt numiți nuclide. Formațiunile stabile de acest tip nu suferă dezintegrare radioactivă. Instabile sunt numite radionuclizi și, la rândul lor, sunt împărțiți în ficat de scurtă durată și în ficat lung. După cum se știe din lecțiile de chimie ale clasei a XI-a asupra structurii atomilor de izotopi, osmiul și platina au cel mai mare număr de radionuclizi. Cobaltul și aurul sunt singurele produse stabile, iar cel mai mare număr de nuclide stabile din staniu.

Calculul numărului ordinal al izotopului

Acum, să încercăm să generalizăm informațiile descrise mai devreme. Înțelegând ce izotopi sunt în chimie, este timpul să vă dați seama cum puteți folosi cunoștințele pe care le-ați câștigat. Luați în considerare acest lucru pentru un exemplu specific. Să presupunem că este cunoscut faptul că un element chimic are un număr de masă de 181. În același timp, carcasa atomului acestei substanțe conține 73 de electroni. Cum putem folosi masa Mendeleev pentru a afla numele acestui element, precum și numărul de protoni și neutroni din nucleul său?

Continuăm soluționarea problemei. Determinați numele substanței poate fi, știind numărul său de serie, care corespunde numărului de protoni. Deoarece numărul de încărcări pozitive și negative din atom este egal, este 73. Prin urmare, este tantal. În același timp, numărul total de nucleoni din total este de 181, ceea ce înseamnă că protonii pentru acest element sunt 181 - 73 = 108. Este destul de simplu.

Izotopi de galiu

Elementul de galiu din sistemul periodic are numărul de ordine 71. În natură, această substanță are doi izotopi - ⁶⁹Ga și ⁷¹Ga. Cum se determină procentul de specii de galiu?

Soluția problemelor privind izotopii din chimie este aproape întotdeauna legată de informații, care pot fi obținute din tabelul periodic. De data aceasta, ar trebui să faceți același lucru. Să determinăm masa atomică medie din această sursă. Este egal cu 69,72. Notând x și y pentru proporția de primul și al doilea izotop ia suma lor egală cu 1. Deci, în această formă a ecuației poate fi scrisă: x + y = 1. Rezultă că 69X + 71y = 69,72. Exprimând y în termeni de x și înlocuind prima ecuație cu al doilea, obținem că x = 0.64 și y = 0.36. Asta înseamnă că ⁶⁹Ga este conținut în natură 64%, iar procentul ⁷¹Ga este de 34%.

Transformări izotopice

Divizarea radioactivă a izotopilor cu transformarea lor în alte elemente este împărțită în trei tipuri principale. Primul dintre acestea este degradarea alfa. Apare cu emisia unei particule, care este nucleul atomului de heliu. Adică, această formare constă dintr-un set de perechi de neutroni și protoni. Deoarece valoarea acesteia determină numărul de încărcare și materie numărul de atomi din sistemul periodic, rezultatul acestui proces este o conversie calitativă a unui element la altul, în timp ce masa este mutat din stânga două pătrate. În acest caz, numărul de masă al elementului este redus cu 4 unități. Știm asta de la secțiuni de chimie cu privire la structura atomilor de izotopi.

Atunci când un nucleu al unui atom de particule beta, în esență un electron, este pierdut, compoziția sa se schimbă. Unul dintre neutroni este transformat într-un proton. Aceasta înseamnă că caracteristicile calitative ale substanței se schimbă din nou, iar elementul este mutat în tabelul o celulă spre dreapta, practic fără a pierde în masă. De obicei, o astfel de transformare este asociată cu radiații electromagnetice gamma.

Transformarea radiului izotopului

Informațiile și cunoștințele de mai sus din domeniul chimiei clasei a XI-a asupra izotopilor ajută din nou la rezolvarea problemelor practice. De exemplu, următoarele: ²²⁶Ra se descompune într-un element chimic din grupul IV, care are un număr de masă de 206. Câte particule de alfa și beta ar trebui să-și piardă?

Având în vedere schimbările din grupa de greutate și elementul fiică utilizând tabelul periodic, determina cu ușurință care formează prin izotop scindare va conduce 82 cu încărcătura și un număr de masă de 206. Un anumit număr de încărcare a elementului inițial și radiu trebuie să presupunem că a pierdut cinci nucleu alfa particule și patru particule beta.

Utilizarea izotopilor radioactivi

Toată lumea știe foarte bine ce rău pentru organismele vii poate provoca radiații. Totuși, proprietățile izotopilor radioactivi sunt utile pentru oameni. Ele sunt utilizate cu succes în multe industrii. Cu ajutorul acestora, este posibil să se detecteze scurgeri în instalațiile de construcții și construcții, conducte subterane și conducte de petrol, rezervoare de stocare, schimbătoare de căldură la centralele electrice.

Aceste proprietăți sunt, de asemenea, utilizate în mod activ în experimente științifice. De exemplu, o zbura tsetse poartă multe boli grave la oameni, animale și animale domestice. Pentru a preveni astfel de masculi, aceste insecte sunt sterilizate prin radiații radioactive slabe. Izotopii sunt, de asemenea, indispensabili în studierea mecanismelor anumitor reacții chimice, deoarece atomii acestor elemente pot fi etichetați cu apă și alte substanțe.

În studiile biologice, izotopii marcați sunt, de asemenea, adesea utilizați. De exemplu, modul în care a fost stabilit modul în care fosforul afectează solul, creșterea și dezvoltarea plantelor cultivate. Proprietățile izotopilor sunt, de asemenea, utilizate cu succes în medicină, ceea ce a permis tratarea tumorilor canceroase și a altor boli grave, precum și vârsta organismelor biologice.