Co jsou to izotopy v chemii? Definice, struktura

Dokonce i dávní filozofové navrhli, že záležitost je postavena z atomů. Vědci však začali hádat, že "cihly" vesmíru se skládají z nejmenších částic pouze na křižovatce 19. a 20. století. Pokusy, které to dokazují, produkovaly v reálném čase skutečnou revoluci. Jedná se o kvantitativní poměr prvků, které odlišují jeden chemický prvek od druhého. Každý z nich má své vlastní místo v Pravidelný systém Mendelejev

Atom a jeho částicemi

Při zkoumání struktury hmoty bombardováním s alfa částicami dokázal v roce 1910 E. Rutherford, že hlavní prostor atomu je vyplněn prázdným prostorem. A jen v centru je jádro. Okolo to orbitální pohybuje negativní elektrony, tvořící plášť tohoto systému. Tak byl vytvořen planetární model "cihel" hmoty.

Co jsou to izotopy? Zapamatujte si z kurzu chemie, že jádro také má složitou strukturu. Skládá se z pozitivních protonů a neutronů. Číslo prvního určuje kvalitativní charakteristiky chemického prvku. Je to počet protonů, které rozlišují látky od sebe navzájem a dávají jádru určitý náboj. A na tomto základě jim v periodické tabulce přidělí sériové číslo. Ale počet neutronů pro stejný chemický prvek je odlišuje od izotopů. Definice tohoto pojetí v chemii může být proto dána následovně. Jedná se o typy atomů, které se liší v složení jádra, které mají stejné nábojové a pořadové číslo, ale mají různá hmotnostní čísla, protože rozdíl v počtu neutronů.

Označení

Studium chemie v 9. ročníku a izotopy se dozví o přijatých symbolech. Písmeno Z označuje náboj jádra. Toto číslo se shoduje s počtem protonů a je tedy jejich indikátorem. Součet těchto prvků s neutrony, označený symbolem N, je A - hmotnostní číslo. Rodina izotopů jedné látky je zpravidla označena ikonou tohoto chemického prvku, který je v periodické tabulce opatřen pořadovým číslem, které se shoduje s počtem protonů v něm. Levý horní index přidaný k zadané ikoně odpovídá hromadnému číslu. Například, ²³⁸U. Poplatek prvku (v tomto případě uran označený sériovým číslem 92) je označen podobným indexem z níže.

Při znalosti těchto dat je snadné vypočítat počet neutronů pro daný izotop. Je rovno hmotnostnímu číslu po odečtení pořadového čísla: 238-92 = 146. Počet neutronů by mohl být menší, z toho by daný chemický prvek nepřestal zůstat uranem. Je třeba poznamenat, že nejčastěji v jiných, jednodušších látkách se počet protónů a neutronů přibližně shoduje. Takové informace pomáhají pochopit, co je v chemii izotop.

Nucleones

Jednotlivost dává určitý prvek přesně takový počet protonů a počet neutronů to nijak neovlivňuje. Ale atomová hmota se skládá z těchto dvou prvků, které mají společný název "nukleony", představující jejich součet. Tento indikátor však nezávisí na tom počet elektronů, vytvoření záporně nabitého pláště atomu. Proč? Je třeba pouze porovnávat.

Frakce protonové hmoty v atomu je velká a je asi 1 a. např. 1,672 621 898 (21) middot-10^-27kg. Neutron se blíží k indexům této částice (1,674 927 471 (21) middot-10^-27kg). Ale hmotnost elektronu je tisíckrát menší, je považována za nevýznamnou a není vzata v úvahu. Proto je známo, že horní index prvku v chemii není složité znát složení izotopového jádra.

Izotopy vodíku

Izotopy některých prvků jsou tak dobře známé a rozšířené v přírodě, že mají své vlastní jména. Jasný a nejjednodušší příklad toho je vodík. V přírodních podmínkách se nachází v nejběžnější formě protiumu. Tento prvek má hmotnostní číslo 1 a jeho jádro se skládá z jednoho protonu.

Takže jaké jsou izotopy vodíku v chemii? Jak je známo, atomy této látky mají první číslo v periodické tabulce a jsou příslušně vybaveny číslem náboje 1. Ale počet neutronů v jádru atomu je jiný. Deuterium, jelikož je těžký vodík, má navíc k protónu ještě jednu částic v jádru, tedy neutronu. Výsledkem je, že tato látka má na rozdíl od protiumu své vlastní fyzikální vlastnosti, má svou vlastní hmotnost, teplotu tání a teplotu varu.

Tritiy

Tritium je složitější než všichni. Jedná se o superheavy vodík. V souladu s definicí izotopů v chemii, má atomové číslo 1, ale tento hmotnostní číslo 3. To je často nazýváno Triton, protože kromě jediného protonu, že je složen ze dvou neutronů v jádře, to znamená, že se skládá ze tří prvků. Jméno tohoto elementu, objevené v roce 1934 Rutherford, Oliphant a Harteck byl navržen před jeho odhalení.

Jedná se o nestabilní látku, která vykazuje radioaktivní vlastnosti. Jeho jádro má schopnost rozdělit se s uvolněním beta částic a elektronických antineutrinos. Energie rozpadu této látky není příliš vysoká a činí 18,59 keV. Proto takové záření není pro člověka příliš nebezpečné. Může chránit běžné oblečení a chirurgické rukavice. A tento radioaktivní prvek, který se získává z jídla, je rychle odstraněn z těla.

Izotopy uranu

Je mnohem nebezpečnější najít různé druhy uranu, které věda věděla 26. Proto, když mluvíme o tom, jaké izotopy jsou v chemii, je nemožné nezmínit tento prvek. Přes rozmanitost druhů uranu existují pouze tři izotopy v povaze izotopů. Patří sem ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U. První z nich, které mají vhodné vlastnosti, se aktivně používá jako palivo v jaderných reaktorech. A druhý - pro výrobu plutonia-239, které samo o sobě je jako nejdůležitější palivo nepostradatelné.

Každý z radioaktivních prvků je charakterizován vlastním poločas. Toto je doba, po kterou je látka rozdělena vzhledem k frac12-. To znamená, že v důsledku tohoto procesu se množství zbývající části látky sníží na polovinu. Tato doba pro uran je obrovská. Například pro izotop-234 se odhaduje na 270 tisíciletí, u ostatních dvou druhů je mnohem významnější. Poločas záznamu je v uranu-238, který trvá miliardy let.

Nuklidy

Ne každý druh atomu, charakterizovaný svým vlastním a striktně definovaným počtem protonů a elektronů, je tak stabilní, že existuje alespoň nějaké prodloužené období dostatečné pro jeho studium. Ti z nich, kteří mají relativní stabilitu, se nazývají nuklidy. Stabilní formace tohoto druhu nepodléhají radioaktivnímu rozkladu. Nestabilní se nazývají radionuklidy a dále jsou rozděleny na krátkodobé a dlouhé játra. Jak je známo z ponaučení chemie 11. třídy o struktuře atomů izotopů, osmium a platina mají největší počet radionuklidů. Kobalt a zlato jsou jediné stabilní a největší počet stabilních nuklidů v cínu.

Výpočet pořadového čísla izotopu

Nyní se pokusme zobecnit informace popsané dříve. Porozumění tomu, jaké izotopy jsou v chemii, je čas zjistit, jak můžete využít znalosti, které jste získali. Zvažte to pro konkrétní příklad. Předpokládejme, že je známo, že nějaký chemický prvek má hmotnostní číslo 181. Zároveň atom uhlíku této látky obsahuje 73 elektronů. Jak můžeme použít tabulku Mendeleev, abychom zjistili název tohoto prvku, stejně jako počet protonů a neutronů v jádře?

Pokračujeme k řešení problému. Určit název látky může být, znát jeho sériové číslo, které odpovídá počtu protonů. Vzhledem k tomu, že počet kladných a záporných nábojů v atomu je stejný, je to 73. Proto je to tantal. Zároveň je celkový počet nukleonů v součtu 181, což znamená, že protony pro tento prvek jsou 181 - 73 = 108. Je to docela jednoduché.

Izotopy galia

Prvek gália v periodickém systému má pořadové číslo 71. V přírodě má tato látka dva izotopy - ⁶⁹Ga a ⁷¹Ga. Jak zjistit procento druhů galia?

Řešení problémů izotopů v chemii je téměř vždy spojeno s informacemi, které lze získat z periodické tabulky. Tentokrát byste měli dělat totéž. Zjistíme průměrnou hmotnost atomu z tohoto zdroje. To se rovná 69,72. Označíme-x a y pro poměru prvního a druhého izotopu se jejich součet se rovná 1. Takže v tomto tvaru rovnice lze zapsat: x + y = 1. Z toho vyplývá, že 69x + 71y = 69,72. Vyjádření x a y nahrazením první rovnice do druhé, zjistíme, že x = 0,64 a y = 0,36. To znamená, že ⁶⁹Ga je v přírodě obsaženo 64% a procento ⁷¹Ga je 34%.

Izotopové transformace

Radioaktivní dělení izotopů s jejich přeměnou na jiné prvky je rozděleno do tří hlavních typů. První z nich je rozklad alfa. Vyskytuje se s emisí částice, která je jádrem atomu helia. To znamená, že tato forma se skládá ze souboru párů neutronů a protonů. Vzhledem k tomu, že počet těchto látek určuje číslo náboje a počet atomů hmoty v periodickém systému, v důsledku tohoto procesu dochází k kvalitativní transformaci jednoho prvku do druhého a v tabulce se posune doleva na dvě buňky. V tomto případě se hmotnostní číslo prvku sníží o 4 jednotky. Známe to od části chemie na struktuře atomů izotopů.

Když se ztratí jádro atomu beta částice, v podstatě elektronu, změní se její složení. Jeden z neutronů je přeměněn na proton. To znamená, že kvalitativní vlastnosti látky se opět změní a prvek se v tabulce posouvá o jednu buňku doprava, prakticky bez ztráty hmotnosti. Obvykle je tato transformace spojena s elektromagnetickým zářením gama.

Transformace izotopového rádia

Výše uvedené informace a znalosti z chemie 11. třídy na izotopích opět pomáhají vyřešit praktické problémy. Například následující: ²²⁶Ra se rozpadá na chemický prvek skupiny IV, který má hmotnostní číslo 206. Kolik alfa a beta částic by mělo ztratit?

S ohledem na změny v hmotnosti a dcerou skupině prvků pomocí periodické tabulky, snadno určit, které vznikají při štěpení izotopu povede 82 s nábojem a masa počtu 206. Určitý počet náboj výchozího prvku a radium se musí předpokládat, že došlo ke ztrátě pět jádra alfa částic a čtyř beta částic.

Použití radioaktivních izotopů

Všichni dobře vědí, jaká poškození živých organismů může způsobit záření. Nicméně vlastnosti radioaktivních izotopů jsou pro člověka užitečné. Jsou úspěšně používány v mnoha průmyslových odvětvích. S jejich pomocí je možné odhalit úniky ve strojírenských a konstrukčních zařízeních, podzemních potrubích a ropovodech, skladovacích nádržích, výměníků tepla v elektrárnách.

Tyto vlastnosti jsou také aktivně používány ve vědeckých experimentech. Například tsetse fly nese mnoho vážných onemocnění lidí, hospodářských zvířat a domácích zvířat. Aby se takovým samým zabránilo, jsou tyto hmyz sterilizovány slabým radioaktivním zářením. Izotopy jsou také nepostradatelné při studiu mechanismů určitých chemických reakcí, protože atomy těchto prvků mohou být označeny vodou a jinými látkami.

V biologických studiích se často používají také značené izotopy. Například takto bylo zjištěno, jak fosfor ovlivňuje půdu, růst a vývoj pěstovaných rostlin. Vlastnosti izotopů se také úspěšně používají v medicíně, což umožnilo léčbu nádorových nádorů a dalších závažných onemocnění a věku biologických organismů.