Kaj so izotopi v kemiji? Definicija, struktura

Celo stari filozofi so predlagali, da je materija zgrajena iz atomov. Vendar pa so znanstveniki začeli uganiti, da so "opeke" vesolja sestavljene iz najmanjših delcev samo na križišču XIX in XX stoletja. Eksperimenti, ki to dokazujejo, v realnem času proizvedejo resnično revolucijo. To je kvantitativno razmerje sestavnih delov, ki ločujejo enega kemičnega elementa od drugega. Vsak od njih ima svoje mesto v Periodični sistem Mendelejeva

Atom in njegovimi delci

Raziskava strukture snovi z bombardiranjem z alfa delci je E. Rutherford leta 1910 dokazal, da je glavni prostor atoma napolnjen s praznino. In samo v središču je jedro. Okoli tega orbitalov premikajo negativne elektrone, ki tvorijo lupino tega sistema. Torej je nastal planetarni model "opeke" snovi.

Kaj so izotopi? Ne pozabite iz kemijske smeri, da jedro ima tudi kompleksno strukturo. Sestavljen je iz pozitivnih protonov in brez nevtronov. Število prvih določa kvalitativne lastnosti kemijskega elementa. To je število protonov, ki razlikujeta medsebojne snovi, kar daje njihovim jedrom določen naboj. Na tej podlagi jim je v periodični tabeli dodeljena serijska številka. Toda število nevtronov za isti kemijski element jih razdeli na izotope. Zato lahko opredelimo kemijo tega pojma kot sledi. To so vrste atomov, ki se razlikujejo po sestavi jedra, ki imajo enako naboj in redno število, vendar imajo različne masne številke zaradi razlike v številu nevtronov.

Notacija

Študij o kemiji v 9. razredu in izotopih učenci seznanijo s sprejetimi simboli. Črka Z označuje naboj jedra. Ta številka sovpada s številom protonov in je zato njihov indikator. Vsota teh elementov z nevtroni, označena s simbolom N, je A - masna številka. Družina izotopov ene snovi je praviloma označena z ikono tega kemijskega elementa, ki je v periodični tabeli opremljena z redno številko, ki sovpada s številom protonov v njem. Levi zgornji indeks, dodan določeni ikoni, ustreza masni številki. Na primer, ²³⁸U. Polnjenje elementa (v tem primeru uran, označen s serijsko številko 92) označuje podoben indeks od spodaj.

Poznavanje teh podatkov je enostavno izračunati število nevtronov za določen izotop. To je enako masnemu številu po odbitku redne številke: 238-92 = 146. Število nevtronov je lahko manjše, od tega dani kemični element ne bi več prenehal ostati uran. Treba je opozoriti, da se najpogosteje v drugih, enostavnejših snoveh število protonov in nevtronov približno ujema. Takšne informacije pomagajo razumeti, kaj je izotop v kemiji.

Nukleoni

Individualnost daje specifičnemu elementu točno število protonov, število nevtronov pa nikakor ne vpliva na to. Ampak atomska masa je sestavljena iz teh dveh elementov, ki imajo skupno ime "nukleoni", ki predstavljajo njihovo vsoto. Vendar ta indikator ni odvisen od tega število elektronov, ki tvori negativno nabito lupino atoma. Zakaj? Potrebno je le primerjati.

Delež protonske mase v atomu je velik in je približno 1 a. e.m. ali 1.672 621.898 (21) middot-10^-27kg. Nevtron je blizu indeksov tega delca (1.674 927 471 (21) middot-10^-27kg). Toda masa elektronov je tisočkrat manjša, se šteje za nepomembno in se ne upošteva. Zato, ker poznamo zgornji indeks elementa v kemiji, ni težko poznati sestave izotopskega jedra.

Izotopi vodika

Izotopi nekaterih elementov so tako dobro znani in razširjeni po naravi, da imajo lastna imena. Svetel in najpreprostejši primer tega je vodik. V naravnih pogojih je v svoji najpogostejši obliki protuma. Ta element ima masno število 1, njegovo jedro pa sestavlja en proton.

Torej, kaj so izotopi vodika v kemiji? Kot je znano, imajo atomi te snovi prvo število v periodični tabeli in so opremljeni z številko polnjenja 1. Toda število nevtronov v jedru atomov je drugačno. Deuterij, ki je težek vodik, ima poleg protona še en delec v jedru, to je nevtron. Posledično ima ta snov lastne fizikalne lastnosti, za razliko od protuma, ki ima lastno težo, tališče in vrelišče.

Triti

Tritium je bolj zapleten od vseh. To je superheavy vodik. Po definiciji izotopov v kemiji ima številko polnjenja 1, vendar maso števila 3. Pogosto se imenuje newt, ker ima poleg enega protona dva jedrca v jedru, to pomeni, da sta sestavljeni iz treh elementov. Ime tega elementa, ki so ga leta 1934 odkrili Rutherford, Oliphant in Hartek, je bilo predlagano tudi pred njegovim odkritjem.

To je nestabilna snov, ki kaže radioaktivne lastnosti. Njeno jedro ima možnost razcepiti s sproščanjem beta delcev in elektronskih antineutrinoz. Energija razpadanja te snovi ni zelo visoka in znaša 18,59 keV. Zato takšno sevanje ni preveč nevarno za človeka. Lahko zaščiti navadna oblačila in kirurške rokavice. In ta radioaktivni element, ki ga dobimo s hrano, se hitro odstrani iz telesa.

Izotopski uran

Še bolj nevarno je najti različne vrste urana, ki do zdaj znanost ve. 26. Zato je pri tem, ko govorimo o tem, kaj so izotopi v kemiji, nemogoče omeniti ta element. Kljub raznolikosti uranovih vrst so v naravi izotopov le tri izotopa. Ti vključujejo ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U. Prvi od njih, ki ima ustrezne lastnosti, se aktivno uporablja kot gorivo v jedrskih reaktorjih. In slednje - za proizvodnjo plutonija-239, ki je sama po sebi nepogrešljiva kot najbolj dragoceno gorivo.

Za vsakega od radioaktivnih elementov je značilno lastno razpolovna doba. To je čas, v katerem je snov razdeljena glede na frac12-. To pomeni, da se zaradi tega postopka količina preostalega dela snovi prepolovi. To obdobje za uran je ogromno. Na primer, za izotop 234 je ocenjen na 270 tisočletja, za druge dve vrsti pa je veliko večji. Zapisni razpolovni čas je v uranju-238, ki traja milijarde let.

Nuclidi

Ni vsak tip atoma, za katerega je značilno lastno in strogo določeno število protonov in elektronov, tako stabilen, da je vsaj nekaj podaljšanega obdobja dovolj za njegovo študijo. Tisti, ki imajo relativno stabilnost, se imenujejo nuklidi. Stabilne formacije te vrste niso izpostavljene radioaktivnemu razpadu. Nestabilni se imenujejo radionuklidi in se prav tako razdelijo na kratkotrajna in dolgotrajna jetra. Kot je znano iz lekcij kemije 11. razreda o strukturi atomov izotopov, imajo osmij in platina največje število radionuklidov. Kobalt in zlato sta edini stabilni in največje število stabilnih nuklidov v kositra.

Izračun rednega števila izotopa

Zdaj poskušamo posplošiti opisane podatke. Razumevanje, kaj so izotopi v kemiji, je čas, da ugotovimo, kako lahko uporabite znanje, ki ste ga pridobili. Upoštevajte to za določen primer. Recimo, da je znano, da ima nekaj kemijskega elementa masno število 181. Istočasno pa lupina atoma te snovi vsebuje 73 elektronov. Kako lahko uporabimo tabelo Mendeleev, da ugotovimo ime tega elementa in število protonov in nevtronov v njegovem jedru?

Nadaljujemo z reševanjem problema. Določitev imena snovi je lahko, če pozna svojo serijsko številko, ki ustreza številu protonov. Ker je število pozitivnih in negativnih nabojev v atomu enako, je 73. Zato je tantal. Hkrati je skupno število nukleonov v skupni vrednosti 181, kar pomeni, da so protoni za ta element 181 - 73 = 108. To je precej preprosto.

Izotopi galija

Element galije v periodnem sistemu ima zaporedno številko 71. V naravi ima ta snov dva izotopa - ⁶⁹Ga in ⁷¹Ga. Kako določiti odstotek vrst galija?

Reševanje problemov na izotopih v kemiji je skoraj vedno povezano z informacijami, ki jih je mogoče pridobiti iz periodične tabele. Tokrat morate storiti enako. Določimo povprečno atomsko maso iz tega vira. To je enako 69,72. Denimo kvantitativno razmerje prvega in drugega izotopa za x in y, ki smo jih dobili v skupnem znesku 1. Torej bo v obliki enačbe zapisano: x + y = 1. Iz tega izhaja, da 69x + 71y = 69.72. Izražanje y po x in zamenjava prve enačbe v drugo, dobimo, da x = 0,64 in y = 0,36. To pomeni ⁶⁹Ga je v naravi 64% in odstotek ⁷¹Ga je 34%.

Izotopske transformacije

Radioaktivno razcepljanje izotopov s preoblikovanjem v druge elemente je razdeljeno na tri glavne vrste. Prvi od njih je alfa razpad. Nastane z emisijo delca, ki je jedro atoma helija. To je ta sestava, sestavljena iz niza parov nevtronov in protonov. Ker število slednjih določa številko polnjenja in število atoma snovi v periodnem sistemu, se zaradi tega procesa izvede kvalitativna preoblikovanje enega elementa v drugega, v tabeli pa se premakne v dve celici. V tem primeru se masna številka elementa zmanjša za 4 enote. To vemo od tega oddelki kemije na strukturo atomov izotopov.

Ko se izgubi jedro atoma beta delcev, v bistvu elektron, se njegova sestava spremeni. Eden od nevtronov se pretvori v proton. To pomeni, da se kvalitativne lastnosti snovi znova spremenijo, element pa se premakne v tabelo eno celico na desno, praktično brez izgube v masi. Običajno je takšno preoblikovanje povezano z elektromagnetnim gama sevanjem.

Pretvorba izotopskega radija

Zgornje informacije in znanje iz kemije 11. razreda na izotopu spet pomagajo pri reševanju praktičnih problemov. Na primer, naslednje: ²²⁶Ra se razpada v kemični element skupine IV, ki ima masovno število 206. Koliko delcev alfa in beta izgubi?

Glede na spremembe v teži in hči elementov skupine s pomočjo periodnega, zlahka ugotovimo, da nastanejo pri cepitve urana bo vodila 82 z brezplačno in množično število 206. Posamezna številka naboj začetnega elementa in radija mora prevzeti, da je izgubila pet jedra alfa delcev in štirih delcev beta.

Uporaba radioaktivnih izotopov

Vsi dobro vemo, kaj lahko škoduje živim organizmom. Vendar pa so lastnosti radioaktivnih izotopov koristne za ljudi. Uspešno se uporabljajo v številnih panogah. Z njihovo pomočjo je mogoče odkriti puščanje v inženirskih in gradbenih konstrukcij, podzemnih cevovodov in naftovodi, rezervoarjev, toplotnih izmenjevalcev v elektrarnah.

Te lastnosti se aktivno uporabljajo tudi v znanstvenih eksperimentih. Na primer, mlet cetse nosi številne resne bolezni za ljudi, živino in domače živali. Da bi preprečili takšne moške, se te žuželke sterilizirajo s pomočjo šibkega radioaktivnega sevanja. Izotopi so prav tako nepogrešljivi pri proučevanju mehanizmov določenih kemijskih reakcij, ker so lahko atomi teh elementov označeni z vodo in drugimi snovmi.

V bioloških študijah se pogosto uporabljajo tudi označeni izotopi. Tako je na primer ugotovljeno, kako fosfor vpliva na tla, rast in razvoj gojenih rastlin. Lastnosti izotopov se uspešno uporabljajo tudi v medicini, kar je omogočilo zdravljenje rakavih tumorjev in drugih resnih bolezni ter starost bioloških organizmov.