Isotope unterscheiden sich voneinander. Wie unterscheiden sich Isotope eines Elements voneinander? Stabile und instabile Isotope

Wiederholen Sie die Hauptinhalte des Themas „Grundbegriffe der Chemie“ und lösen Sie die vorgeschlagenen Aufgaben. Verwenden Sie die Nummern 6–17.

Grundbestimmungen

1. Substanz(einfach und komplex) ist jede Ansammlung von Atomen und Molekülen, die sich in einem bestimmten Aggregatzustand befinden.

Als Umwandlungen von Stoffen werden Veränderungen ihrer Zusammensetzung und (oder) Struktur bezeichnet chemische Reaktionen .

2. Struktureinheiten Substanzen:

· Atom- das kleinste elektrisch neutrale Teilchen eines chemischen Elements oder einer einfachen Substanz, das alle seine chemischen Eigenschaften besitzt und dann physikalisch und chemisch unteilbar ist.

· Molekül- das kleinste elektrisch neutrale Teilchen eines Stoffes, das alle seine chemischen Eigenschaften besitzt, physikalisch unteilbar, aber chemisch teilbar ist.

3. Chemisches Element - Dies ist eine Atomart mit einer bestimmten Kernladung.

4. Verbindung Atom :

5. Verbindung Atomkern :

Der Kern enthält Elementarteilchen ( Nukleonen) –

Protonen(1 1 p ) und Neutronen(1 0 n ).

· Weil Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Kern konzentriert und m p ≈ m n≈ 1 amu, Das gerundeter WertEin reines chemischen Elements entspricht der Gesamtzahl der Nukleonen im Kern.

7. Isotope- eine Vielzahl von Atomen desselben chemischen Elements, die sich nur in ihrer Masse unterscheiden.

· Isotopensymbole: Links vom Elementsymbol geben Sie die Massenzahl (oben) an und Ordnungsnummer Element (unten)

· Warum haben Isotope unterschiedliche Massen?

Aufgabe: Bestimmen Sie die atomare Zusammensetzung von Chlorisotopen: 35 17Clund 37 17Cl?

Aufgrund dessen haben Isotope unterschiedliche Massen verschiedene Zahlen Neutronen in ihren Kernen.

8. In der Natur liegen chemische Elemente in Form von Isotopengemischen vor.

Die Isotopenzusammensetzung desselben chemischen Elements wird ausgedrückt in Atomfraktionen(ω bei.), die angeben, welchen Anteil die Anzahl der Atome eines bestimmten Isotops an der Gesamtzahl der Atome aller Isotope eines bestimmten Elements ausmacht, angenommen als eins oder 100 %.

Zum Beispiel:

ω bei (35 17 Cl) = 0,754

ω bei (37 17 Cl) = 0,246

9. Das Periodensystem zeigt die Durchschnittswerte der relativen Atommassen chemischer Elemente unter Berücksichtigung ihrer Isotopenzusammensetzung. Daher handelt es sich bei den in der Tabelle angegebenen Ar-Werten um Bruchzahlen.

Ein rHeiraten= ω um 1) ∙ Ar (1) + … + ω bei.(N ) ∙ Ar ( N )

Zum Beispiel:

Ein rHeiraten(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

10. Zu lösendes Problem:

Nr. 1. Bestimmen Sie die relative Atommasse von Bor, wenn diese bekannt ist Molenbruch das 10 B-Isotop beträgt 19,6 % und das 11 B-Isotop beträgt 80,4 %.

11. Die Massen von Atomen und Molekülen sind sehr klein. Derzeit wird in Physik und Chemie ein einheitliches Messsystem eingeführt.

1 Amu =M(a.u.m.) = 1/12 M(12 C) = 1.66057 ∙ 10 -27 kg = 1,66057 ∙ 10 -24 g.

Absolute Massen einiger Atome:

M( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g

M( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g

M( Ö) =2,656812 ∙ 10 -23 g

Ein r– zeigt an, wie oft gegebenes Atom schwerer als 1/12 eines 12-C-Atoms. Herr∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Die Anzahl der Atome und Moleküle in gewöhnlichen Stoffproben ist sehr groß, daher wird bei der Charakterisierung der Menge eines Stoffes die Maßeinheit verwendet –Mol .

· Maulwurf (ν)– eine Mengeneinheit eines Stoffes, die genauso viele Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen, Elektronen) enthält wie Atome in 12 g Isotop 12 C

· Masse von 1 Atom 12 C entspricht 12 amu, also der Anzahl der Atome in 12 g Isotop 12 C entspricht:

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

· Physikalische Größe N / A angerufen Avogadros Konstante (Avogadro-Zahl) und hat die Dimension [N A] = mol -1.

14. Grundformeln:

M = Herr = ρ ∙ Vm(ρ – Dichte; V m – Volumen auf Nullniveau)

Probleme, die selbstständig gelöst werden müssen

Nr. 1. Berechnen Sie die Anzahl der Stickstoffatome in 100 g Ammoniumcarbonat mit 10 % Nichtstickstoffverunreinigungen.

Nr. 2. Unter normalen Bedingungen werden 12 Liter eines Gasgemisches bestehend aus Ammoniak und Kohlendioxid haben eine Masse von 18 g. Wie viele Liter jedes Gases enthält das Gemisch?

Nr. 3. Bei Einwirkung von überschüssiger Salzsäure entstehen 8,24 g einer Mischung aus Manganoxid (IV) mit dem unbekannten Oxid MO 2, das nicht mit Salzsäure reagiert, wurden bei Umgebungsbedingungen 1,344 Liter Gas erhalten. In einem anderen Experiment wurde festgestellt, dass das Molverhältnis von Manganoxid (IV) zum unbekannten Oxid beträgt 3:1. Bestimmen Sie die Formel des unbekannten Oxids und berechnen Sie sie Massenanteil in der Mischung.

Der Inhalt des Artikels

ISOTOPEN-Sorten desselben chemischen Elements, die in ihren physikalischen Eigenschaften ähnlich sind chemische Eigenschaften, aber anders Atommasse. Der Name „Isotope“ wurde 1912 vom englischen Radiochemiker Frederick Soddy vorgeschlagen, der ihn aus zwei Namen bildete Griechische Wörter: isos – gleich und topos – Ort. Isotope nehmen denselben Platz in der Zelle von Mendelejews Periodensystem der Elemente ein.

Ein Atom eines beliebigen chemischen Elements besteht aus einem positiv geladenen Kern und einer ihn umgebenden Wolke negativ geladener Elektronen. Die Position des chemischen Elements in Periodensystem Mendeleev (seine Ordnungszahl) wird durch die Ladung der Kerne seiner Atome bestimmt. Isotope heißen daher Sorten desselben chemischen Elements, deren Atome die gleiche Kernladung (und daher praktisch die gleichen Elektronenhüllen) haben, sich jedoch in den Werten der Kernmasse unterscheiden. Nach dem bildlichen Ausdruck von F. Soddy sind die Atome der Isotope „außen“ gleich, aber „innen“ unterschiedlich.

Das Neutron wurde 1932 entdeckt – ein Teilchen ohne Ladung, dessen Masse nahe an der Masse des Kerns eines Wasserstoffatoms liegt – ein Proton , und geschaffen Proton-Neutronen-Modell des Kerns. Ergebend Die Wissenschaft hat das Endgültige festgestellt moderne Definition Konzepte von Isotopen: Isotope sind Stoffe, aus denen Atomkerne bestehen die gleiche Nummer Protonen und unterscheiden sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern . Jedes Isotop wird normalerweise durch eine Reihe von Symbolen bezeichnet, wobei X das Symbol des chemischen Elements ist, Z die Ladung des Atomkerns (Anzahl der Protonen) und A die Massenzahl des Isotops ist ( Gesamtzahl Nukleonen – Protonen und Neutronen im Kern, A = Z + N). Da die Ladung des Kerns eindeutig mit dem Symbol des chemischen Elements verbunden zu sein scheint, wird zur Abkürzung häufig einfach die Notation A X verwendet.

Von allen uns bekannten Isotopen gibt es nur Wasserstoffisotope Eigennamen. Daher werden die Isotope 2 H und 3 H Deuterium und Tritium genannt und mit D bzw. T bezeichnet (das Isotop 1 H wird manchmal Protium genannt).

Kommt in der Natur als stabile Isotope vor , und instabil - radioaktiv, deren Atomkerne einer spontanen Umwandlung in andere Kerne unter Emission verschiedener Teilchen (oder Prozesse des sogenannten radioaktiven Zerfalls) unterliegen. Mittlerweile sind etwa 270 bekannt stabile Isotope, und stabile Isotope kommen nur in Elementen mit vor Ordnungszahl Z Ј 83. Die Zahl der instabilen Isotope übersteigt 2000, die überwiegende Mehrheit davon wurde durch verschiedene Verfahren künstlich gewonnen Kernreaktionen. Nummer radioaktive Isotope für viele Elemente ist es sehr groß und kann zwei Dutzend überschreiten. Die Anzahl der stabilen Isotope ist deutlich geringer. Einige chemische Elemente bestehen nur aus einem stabilen Isotop (Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Mangan, Gold und eine Reihe anderer Elemente). Die meisten stabilen Isotope – 10 – wurden in Zinn gefunden, in Eisen sind es beispielsweise 4 und in Quecksilber 7.

Entdeckung von Isotopen, historischer Hintergrund.

Im Jahr 1808 Englisch wissenschaftlicher Naturforscher John Dalton führte erstmals die Definition eines chemischen Elements als einer Substanz ein, die aus Atomen derselben Art besteht. Im Jahr 1869 entdeckte der Chemiker D.I periodisches Gesetz chemische Elemente. Eine der Schwierigkeiten bei der Begründung des Konzepts eines Elements als einer Substanz, die es einnimmt spezieller Ort in der Zelle des Periodensystems, bestand in den experimentell beobachteten nicht ganzzahligen Atomgewichten der Elemente. Im Jahr 1866 Englischer Physiker und der Chemiker Sir William Crookes stellte die Hypothese auf, dass alles natürlich sei Chemisches Element stellt ein bestimmtes Gemisch von Stoffen dar, die in ihren Eigenschaften identisch sind, aber unterschiedliche Atommassen haben, aber zu diesem Zeitpunkt hatte eine solche Annahme noch keine experimentelle Bestätigung und wurde daher kaum beachtet.

Ein wichtiger Schritt zur Entdeckung der Isotope war die Entdeckung des Phänomens der Radioaktivität und der von Ernst Rutherford und Frederick Soddy formulierten Hypothese des radioaktiven Zerfalls: Radioaktivität ist nichts anderes als der Zerfall eines Atoms in ein geladenes Teilchen und ein Atom eines anderen Elements , unterscheidet sich in seinen chemischen Eigenschaften vom Original. Daraus entstand die Idee radioaktiver Serien bzw. radioaktiver Familien , Am Anfang steht das erste Stammelement, das radioaktiv ist, und am Ende das letzte stabiles Element. Die Analyse der Transformationsketten ergab, dass im Verlauf ihres Verlaufs in einer Zelle des Periodensystems dieselben radioaktiven Elemente auftreten können, die sich nur in der Atommasse unterscheiden. Tatsächlich bedeutete dies die Einführung des Isotopenkonzepts.

Eine unabhängige Bestätigung der Existenz stabiler Isotope chemischer Elemente gelang dann in den Experimenten von J. J. Thomson und Aston in den Jahren 1912–1920 mit Strahlen positiv geladener Teilchen (sogenannten Kanalstrahlen). ) aus der Entladungsröhre austreten.

Im Jahr 1919 entwarf Aston ein Instrument namens Massenspektrograph. (oder Massenspektrometer) . Als Ionenquelle wurde immer noch eine Entladungsröhre verwendet, aber Aston fand eine Methode, bei der die sequentielle Ablenkung eines Teilchenstrahls in elektrische und Magnetfelder führte zur Fokussierung von Teilchen mit den gleichen Wert das Verhältnis von Ladung zu Masse (unabhängig von ihrer Geschwindigkeit) am gleichen Punkt auf dem Bildschirm. Zusammen mit Aston entwickelte der Amerikaner Dempster in den gleichen Jahren ein Massenspektrometer mit etwas anderem Design. Als Ergebnis der anschließenden Nutzung und Verbesserung von Massenspektrometern durch die Bemühungen vieler Forscher, bis 1935 fast voller Tisch Isotopenzusammensetzungen alle damals bekannten chemischen Elemente.

Methoden zur Isotopentrennung.

Untersuchung der Eigenschaften von Isotopen und insbesondere ihrer Verwendung in wissenschaftlichen und angewandte Zwecke Sie müssen in mehr oder weniger spürbaren Mengen gewonnen werden. In herkömmlichen Massenspektrometern wird eine nahezu vollständige Trennung der Isotope erreicht, ihre Menge ist jedoch vernachlässigbar gering. Daher zielten die Bemühungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren darauf ab, nach anderen möglichen Methoden zur Isotopentrennung zu suchen. Zunächst wurden physikalisch-chemische Trennmethoden beherrscht, die auf Unterschieden in Eigenschaften von Isotopen desselben Elements wie Verdampfungsraten, Gleichgewichtskonstanten, chemische Reaktionen usw. Die effektivsten unter ihnen waren die Methoden der Rektifikation und des Isotopenaustauschs, die gefunden wurden Breite Anwendung bei der industriellen Herstellung von Isotopen leichter Elemente: Wasserstoff, Lithium, Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff.

Eine weitere Gruppe von Methoden bilden die sogenannten molekularkinetischen Methoden: Gasdiffusion, Thermodiffusion, Massendiffusion (Diffusion in einem Dampfstrom), Zentrifugation. Gasdiffusionsmethoden basierend auf unterschiedliche Geschwindigkeit Die Diffusion von Isotopenkomponenten in hochdispersen porösen Medien wurde während des Zweiten Weltkriegs zur Organisation genutzt industrielle Produktion Trennung von Uranisotopen in den USA im Rahmen des sogenannten Manhattan-Projekts zu schaffen Atombombe. Zum Erhalten benötigte Mengen Uran angereichert auf 90 % leichtes Isotop Für 235 U, den wichtigsten „brennbaren“ Bestandteil der Atombombe, wurden Fabriken auf einer Fläche von etwa viertausend Hektar gebaut. Für die Schaffung eines Atomzentrums mit Anlagen zur Herstellung von angereichertem Uran wurden mehr als 2 Milliarden Dollar bereitgestellt. Nach dem Krieg wurden Anlagen zur Herstellung von angereichertem Uran für militärische Zwecke, ebenfalls basierend auf der Diffusionsmethode der Trennung, entwickelt und in der UdSSR gebaut. IN letzten Jahren Diese Methode machte der effizienteren und kostengünstigeren Methode der Zentrifugation Platz. Bei dieser Methode wird der Effekt der Isotopengemischtrennung erreicht verschiedene Aktionen Zentrifugalkräfte auf die Bestandteile des Isotopengemisches, das den Zentrifugenrotor füllt, einen dünnwandigen, oben und unten begrenzten Zylinder, der in einer Vakuumkammer mit sehr hoher Geschwindigkeit rotiert. Hunderttausende in Kaskaden geschaltete Zentrifugen, deren Rotoren jeweils mehr als tausend Umdrehungen pro Sekunde machen, werden derzeit in modernen Trennanlagen sowohl in Russland als auch in anderen Ländern eingesetzt. Industrieländer Frieden. Zentrifugen werden nicht nur zur Herstellung von angereichertem Uran eingesetzt, das für den Betrieb von Kernreaktoren notwendig ist Atomkraftwerke, sondern auch zur Herstellung von Isotopen von etwa dreißig chemischen Elementen im mittleren Teil des Periodensystems. Elektromagnetische Trenneinheiten mit mächtige Quellen Ionen, haben in den letzten Jahren ebenfalls eine weite Verbreitung gefunden Lasermethoden Abteilungen.

Anwendung von Isotopen.

Verschiedene Isotope chemischer Elemente werden häufig verwendet wissenschaftliche Forschung, V Diverse Orte Industrie und Landwirtschaft, in Kernenergie, moderne Biologie und Medizin, in der Forschung Umfeld und anderen Bereichen. In der wissenschaftlichen Forschung (z.B. chemische Analyse) erfordern normalerweise geringe Mengen seltener Isotope verschiedene Elemente, berechnet in Gramm und sogar Milligramm pro Jahr. Gleichzeitig kann sich der Produktionsbedarf für eine Reihe von Isotopen, die in der Kernenergie, der Medizin und anderen Industrien weit verbreitet sind, auf viele Kilogramm und sogar Tonnen belaufen. Somit ist im Zusammenhang mit der Verwendung von schwerem Wasser D 2 O in Kernreaktoren seine weltweite Produktion betrug Anfang der 1990er Jahre des letzten Jahrhunderts etwa 5.000 Tonnen pro Jahr. Das Wasserstoffisotop Deuterium, das Teil von schwerem Wasser ist, hat eine Konzentration von natürliche Mischung Wasserstoff macht nur 0,015 % aus und wird laut Wissenschaftlern in Zukunft zusammen mit Tritium der Hauptbestandteil von Energieträgern sein thermonukleare Reaktoren, auf der Grundlage von Reaktionen arbeitend Kernfusion. In diesem Fall wird der Bedarf an der Produktion von Wasserstoffisotopen enorm sein.

In der wissenschaftlichen Forschung werden stabile und radioaktive Isotope häufig als Isotopenindikatoren (Tracer) bei der Untersuchung der meisten Isotope verwendet verschiedene Prozesse in der Natur vorkommen.

IN Landwirtschaft Isotope („markierte“ Atome) werden beispielsweise verwendet, um die Prozesse der Photosynthese, die Verdaulichkeit von Düngemitteln und die Effizienz der pflanzlichen Nutzung von Stickstoff, Phosphor, Kalium, Spurenelementen und anderen Stoffen zu untersuchen.

Isotopentechnologien werden in der Medizin häufig eingesetzt. In den USA werden laut Statistik mehr als 36.000 durchgeführt. medizinische Verfahren pro Tag und etwa 100 Millionen Labortests mit Isotopen. Die häufigsten Verfahren im Zusammenhang mit Computertomographie. Das auf 99 % angereicherte Kohlenstoffisotop C13 (natürlicher Gehalt ca. 1 %) wird aktiv in der sogenannten „diagnostischen Atemkontrolle“ eingesetzt. Der Kern des Tests ist sehr einfach. Das angereicherte Isotop wird in die Nahrung des Patienten eingebracht und nach der Teilnahme am Stoffwechselprozess in verschiedenen Organen des Körpers in Form von vom Patienten ausgeatmetem Kohlendioxid CO 2 freigesetzt, das gesammelt und mit einem Spektrometer analysiert wird. Der Unterschied in der Geschwindigkeit der Prozesse, die mit der Freisetzung unterschiedlicher Mengen an Kohlendioxid, markiert mit dem C 13-Isotop, verbunden sind, ermöglicht es uns, den Zustand zu beurteilen verschiedene Organe geduldig. In den USA wird die Zahl der Patienten, die sich diesem Test unterziehen, auf 5 Millionen pro Jahr geschätzt. Nun zur Herstellung des hochangereicherten Isotops C 13 in industrieller Maßstab Dabei kommen Lasertrennverfahren zum Einsatz.

Wladimir Schdanow

Es wurde festgestellt, dass jedes in der Natur vorkommende chemische Element eine Mischung von Isotopen ist (daher haben sie gebrochene Atommassen). Um zu verstehen, wie sich Isotope voneinander unterscheiden, ist es notwendig, die Struktur des Atoms im Detail zu betrachten. Ein Atom bildet einen Kern und eine Elektronenwolke. Die Masse eines Atoms wird durch Elektronen beeinflusst, die sich mit atemberaubender Geschwindigkeit durch Orbitale in der Elektronenwolke bewegen, Neutronen und Protonen, aus denen der Kern besteht.

Was sind Isotope?

Isotope ist eine Atomart eines chemischen Elements. In jedem Atom gibt es immer Elektronen und Protonen gleiche Menge. Da sie entgegengesetzte Ladungen haben (Elektronen sind negativ und Protonen sind positiv), ist das Atom immer neutral (dies Elementarteilchen trägt keine Ladung, es ist gleich Null). Wenn ein Elektron verloren geht oder eingefangen wird, verliert ein Atom seine Neutralität und wird entweder zu einem negativen oder einem positiven Ion.
Neutronen haben keine Ladung, aber ihre Anzahl ist Atomkern des gleichen Elements können unterschiedlich sein. Dies hat keinen Einfluss auf die Neutralität des Atoms, wohl aber auf seine Masse und Eigenschaften. Beispielsweise enthält jedes Isotop eines Wasserstoffatoms ein Elektron und ein Proton. Aber die Anzahl der Neutronen ist unterschiedlich. Protium hat nur 1 Neutron, Deuterium hat 2 Neutronen und Tritium hat 3 Neutronen. Diese drei Isotope unterscheiden sich deutlich in ihren Eigenschaften.

Vergleich von Isotopen

Wie unterscheiden sich Isotope? Darin unterschiedliche Mengen Neutronen, ungleiche Masse und verschiedene Eigenschaften. Isotope haben identische Strukturen elektronische Muscheln. Das bedeutet, dass sie sich in ihren chemischen Eigenschaften recht ähneln. Daher erhalten sie einen Platz im Periodensystem.
In der Natur wurden stabile und radioaktive (instabile) Isotope gefunden. Die Atomkerne radioaktiver Isotope sind in der Lage, sich spontan in andere Kerne umzuwandeln. Beim radioaktiven Zerfall emittieren sie verschiedene Partikel.
Die meisten Elemente haben über zwei Dutzend radioaktive Isotope. Darüber hinaus werden radioaktive Isotope für absolut alle Elemente künstlich synthetisiert. In einem natürlichen Isotopengemisch variiert ihr Gehalt geringfügig.
Die Existenz von Isotopen ermöglichte es zu verstehen, warum Elemente mit geringerer Atommasse in manchen Fällen eine höhere Ordnungszahl haben als Elemente mit höherer Atommasse. Beispielsweise enthält Argon im Argon-Kalium-Paar schwere Isotope und Kalium leichte Isotope. Daher ist die Masse von Argon größer als die von Kalium.

ImGist hat festgestellt, dass die Unterschiede zwischen den Isotopen wie folgt sind:

Sie haben verschiedene Zahlen Neutronen.
Isotope haben unterschiedliche Atommassen.
Der Massenwert der Ionenatome beeinflusst ihre Gesamtenergie und Eigenschaften.

Beim Studium der Eigenschaften radioaktive Elemente Es wurde entdeckt, dass dasselbe chemische Element Atome enthalten kann unterschiedliches Gewicht Kerne. Gleichzeitig haben sie die gleiche Kernladung, das heißt, es handelt sich nicht um Verunreinigungen fremder Stoffe, sondern um den gleichen Stoff.

Was sind Isotope und warum gibt es sie?

Im Periodensystem von Mendelejew nehmen sowohl dieses Element als auch Atome einer Substanz mit unterschiedlichen Kernmassen eine Zelle ein. Basierend auf dem oben Gesagten erhielten solche Sorten derselben Substanz den Namen „Isotope“ (von griechisch isos – identisch und topos – Ort). Also, Isotope- Dies sind Varianten eines bestimmten chemischen Elements, die sich in der Masse der Atomkerne unterscheiden.

Nach dem anerkannten Neutronen-Protonen-Modell des Kerns konnte die Existenz von Isotopen wie folgt erklärt werden: Die Kerne einiger Atome einer Substanz enthalten unterschiedliche Menge Neutronen, aber die gleiche Anzahl Protonen. Tatsächlich ist die Kernladung der Isotope eines Elements gleich, daher ist die Anzahl der Protonen im Kern gleich. Kerne unterscheiden sich in ihrer Masse; dementsprechend enthalten sie unterschiedlich viele Neutronen.

Stabile und instabile Isotope

Isotope können stabil oder instabil sein. Bisher sind etwa 270 stabile und mehr als 2000 instabile Isotope bekannt. Stabile Isotope- Dies sind Arten chemischer Elemente, die über einen langen Zeitraum unabhängig voneinander existieren können.

Großer Teil instabile Isotope wurde künstlich gewonnen. Instabile Isotope sind radioaktiv, ihre Kerne unterliegen dem Prozess des radioaktiven Zerfalls, also der spontanen Umwandlung in andere Kerne, begleitet von der Emission von Partikeln und/oder Strahlung. Fast alle sind radioaktiv Künstliche Isotope haben sehr kurze Halbwertszeiten, gemessen in Sekunden und sogar Sekundenbruchteilen.

Wie viele Isotope kann ein Kern enthalten?

Der Kern kann nicht beliebig viele Neutronen enthalten. Dementsprechend ist die Anzahl der Isotope begrenzt. Gerade Anzahl Protonen Elemente kann die Zahl der stabilen Isotope zehn erreichen. Zinn hat beispielsweise 10 Isotope, Xenon hat 9, Quecksilber hat 7 und so weiter.

Diese Elemente die Anzahl der Protonen ist ungerade, kann nur zwei stabile Isotope haben. Einige Elemente haben nur ein stabiles Isotop. Dabei handelt es sich um Stoffe wie Gold, Aluminium, Phosphor, Natrium, Mangan und andere. Solche Schwankungen in der Anzahl stabiler Isotope in verschiedene Elemente verknüpft mit komplexe Sucht Die Anzahl der Protonen und Neutronen hängt von der Bindungsenergie des Kerns ab.

Fast alle Stoffe in der Natur liegen in Form eines Isotopengemisches vor. Die Anzahl der Isotope in einem Stoff hängt von der Art des Stoffes, der Atommasse und der Anzahl stabiler Isotope eines bestimmten chemischen Elements ab.

Schon antike Philosophen vermuteten, dass Materie aus Atomen aufgebaut sei. Allerdings besteht die Tatsache, dass die „Bausteine“ des Universums selbst aus winzige Partikel, begannen Wissenschaftler erst an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert zu erraten. Experimente, die dies bewiesen, lösten einst eine echte Revolution in der Wissenschaft aus. Es ist das Mengenverhältnis Komponenten unterscheidet ein chemisches Element von einem anderen. Jedem von ihnen wird anhand der Seriennummer sein Platz zugewiesen. Es gibt jedoch Atomarten, die trotz unterschiedlicher Masse und Eigenschaften dieselben Zellen in der Tabelle belegen. Warum das so ist und was Isotope in der Chemie sind, wird weiter besprochen.

Atom und seine Teilchen

E. Rutherford untersuchte die Struktur der Materie durch Beschuss mit Alphateilchen und bewies 1910, dass der Hauptraum des Atoms mit Hohlraum gefüllt ist. Und nur in der Mitte ist der Kern. Negative Elektronen bewegen sich in Orbitalen um ihn herum und bilden die Hülle dieses Systems. So ist es entstanden Planetenmodell„Steine“ aus Materie.

Was sind Isotope? Erinnern Sie sich aus Ihrem Chemiekurs daran, dass der Kern auch eine hat Komplexe Struktur. Es besteht aus positiven Protonen und Neutronen, die keine Ladung haben. Die Anzahl der ersten bestimmt Qualitätsmerkmale Chemisches Element. Es ist die Anzahl der Protonen, die Stoffe voneinander unterscheidet und ihren Kernen eine bestimmte Ladung verleiht. Und auf dieser Grundlage wird ihnen eine fortlaufende Nummer im Periodensystem zugewiesen. Aber die Anzahl der Neutronen in demselben chemischen Element unterscheidet sie in Isotope. Definition in der Chemie dieses Konzept Daher können wir Folgendes sagen. Dabei handelt es sich um Atomarten, die sich in der Zusammensetzung des Kerns unterscheiden und haben gleiche Ladung und Seriennummern, aber aufgrund unterschiedlicher Neutronenzahlen unterschiedliche Massenzahlen.

Bezeichnungen

Durch das Studium der Chemie in der 9. Klasse und der Isotope lernen Schüler die Grundlagen kennen Symbole. Der Buchstabe Z gibt die Ladung des Kerns an. Diese Zahl stimmt mit der Anzahl der Protonen überein und ist daher deren Indikator. Die Summe dieser Elemente mit mit N gekennzeichneten Neutronen ist A – Massenzahl. Eine Isotopenfamilie einer Substanz wird üblicherweise durch das Symbol dieses chemischen Elements bezeichnet, dem im Periodensystem eine Seriennummer zugeordnet ist, die mit der Anzahl der darin enthaltenen Protonen übereinstimmt. Links hochgestellt, hinzugefügt zum angegebenen Symbol, entspricht der Massenzahl. Zum Beispiel 238 U. Die Ladung des Elements (in in diesem Fall Uran, gekennzeichnet mit der Seriennummer 92) ist unten durch einen ähnlichen Index gekennzeichnet.

Wenn Sie diese Daten kennen, können Sie die Anzahl der Neutronen in einem bestimmten Isotop leicht berechnen. Sie entspricht der Massenzahl minus der Seriennummer: 238 - 92 = 146. Die Zahl der Neutronen könnte geringer sein, aber das würde nicht dazu führen, dass dieses chemische Element nicht mehr Uran bleibt. Es ist zu beachten, dass in anderen, einfacheren Substanzen die Anzahl der Protonen und Neutronen meist ungefähr gleich ist. Solche Informationen helfen zu verstehen, was ein Isotop in der Chemie ist.

Nukleonen

Es ist die Anzahl der Protonen, die einem bestimmten Element seine Individualität verleiht, und die Anzahl der Neutronen hat keinen Einfluss darauf. Aber die Atommasse besteht aus diesen beiden spezifizierten Elementen, die für ihre Summe den gebräuchlichen Namen „Nukleonen“ tragen. Dieser Indikator hängt jedoch nicht von denjenigen ab, die die negativ geladene Hülle des Atoms bilden. Warum? Alles, was Sie tun müssen, ist zu vergleichen.

Der Anteil der Protonenmasse in einem Atom ist groß und beträgt etwa 1 a. e.m. oder 1.672 621 898(21) 10 -27 kg. Das Neutron kommt der Leistung dieses Teilchens nahe (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). Aber die Masse eines Elektrons ist tausendmal kleiner, gilt als unbedeutend und wird nicht berücksichtigt. Deshalb ist es nicht schwer, die Zusammensetzung des Isotopenkerns herauszufinden, wenn man den hochgestellten Index eines Elements in der Chemie kennt.

Isotope von Wasserstoff

Die Isotope einiger Elemente sind in der Natur so bekannt und weit verbreitet, dass sie erhalten wurden Eigennamen. Das Hellste und Am meisten einfaches Beispiel Wasserstoff kann diesen Zweck erfüllen. IN natürliche Bedingungen Es kommt in seiner häufigsten Variante, Protium, vor. Dieses Element hat die Massenzahl 1 und sein Kern besteht aus einem Proton.

Was sind also Wasserstoffisotope in der Chemie? Bekanntlich haben die Atome dieser Substanz die erste Nummer im Periodensystem und sind dementsprechend in der Natur mit der Ladungszahl 1 ausgestattet. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern ist jedoch unterschiedlich. Deuterium hat als schwerer Wasserstoff neben dem Proton noch ein weiteres Teilchen in seinem Kern, nämlich ein Neutron. Dadurch weist dieser Stoff seine Eigenheiten auf physikalische Eigenschaften Im Gegensatz zu Protium hat es ein eigenes Gewicht sowie einen eigenen Schmelz- und Siedepunkt.

Tritium

Tritium ist das komplexeste von allen. Das ist superschwerer Wasserstoff. Nach der Definition von Isotopen in der Chemie ist dies der Fall Gebührennummer 1, aber die Massenzahl ist 3. Es wird oft als Triton bezeichnet, weil es neben einem Proton zwei Neutronen in seinem Kern hat, also aus besteht drei Elemente. Der Name dieses 1934 von Rutherford, Oliphant und Harteck entdeckten Elements wurde bereits vor seiner Entdeckung vorgeschlagen.

Hierbei handelt es sich um eine instabile Substanz radioaktive Eigenschaften. Sein Kern besitzt die Fähigkeit, sich in ein Betateilchen und ein Elektron-Antineutrino aufzuspalten. Zerfallsenergie dieser Substanz ist nicht sehr groß und beträgt 18,59 keV. Daher ist diese Strahlung für den Menschen nicht allzu gefährlich. Normale Kleidung und OP-Handschuhe können davor schützen. Und dieses aus der Nahrung gewonnene radioaktive Element wird schnell aus dem Körper ausgeschieden.

Isotope von Uran

Sie erweisen sich als viel gefährlicher Verschiedene Arten Uran, von dem die Wissenschaft derzeit 26 kennt. Wenn man also darüber spricht, was Isotope in der Chemie sind, ist es unmöglich, dieses Element nicht zu erwähnen. Trotz der Vielfalt der Uranarten kommen in der Natur nur drei Isotope vor. Dazu gehören 234 U, 235 U, 238 U. Der erste von ihnen verfügt über geeignete Eigenschaften und wird aktiv als Brennstoff in Kernreaktoren verwendet. Und letzteres dient der Produktion von Plutonium-239, das wiederum als wertvoller Brennstoff unersetzlich ist.

Jedes der radioaktiven Elemente zeichnet sich durch seine eigene Zeitspanne aus, in der der Stoff im Verhältnis ½ gespalten wird. Das heißt, durch diesen Vorgang wird die Menge des verbleibenden Teils der Substanz halbiert. Dieser Zeitraum ist für Uran enorm. Für das Isotop 234 wird es beispielsweise auf 270.000 Jahre geschätzt, für die anderen beiden genannten Sorten ist es jedoch viel bedeutender. Uran-238 hat eine Rekordhalbwertszeit von Milliarden Jahren.

Nuklide

Nicht jede Atomart ist auf ihre eigene Art und Weise charakterisiert eine bestimmte Anzahl Protonen und Elektronen, ist so stabil, dass es mindestens lange genug existieren kann, um es zu untersuchen. Diejenigen von denen, die es haben relative Stabilität werden Nuklide genannt. Stabile Formationen dieser Art radioaktiver Zerfall werden nicht ausgesetzt. Instabile werden Radionuklide genannt und wiederum in kurzlebige und langlebige unterteilt. Wie Sie aus dem Chemieunterricht der 11. Klasse über die Struktur von Isotopenatomen wissen, die größte Zahl Osmium und Platin besitzen Radionuklide. Kobalt und Gold haben jeweils einen Stall und größte Zahl stabile Nuklide in Zinn.

Berechnung der Ordnungszahl eines Isotops

Nun werden wir versuchen, die zuvor beschriebenen Informationen zusammenzufassen. Nachdem Sie verstanden haben, was Isotope in der Chemie sind, ist es an der Zeit herauszufinden, wie Sie die gewonnenen Erkenntnisse nutzen können. Schauen wir uns das an konkretes Beispiel. Angenommen, es ist bekannt, dass ein bestimmtes chemisches Element die Massenzahl 181 hat. Darüber hinaus enthält die Hülle eines Atoms dieser Substanz 73 Elektronen. Wie können Sie mithilfe des Periodensystems den Namen eines bestimmten Elements sowie die Anzahl der Protonen und Neutronen in seinem Kern herausfinden?

Beginnen wir mit der Lösung des Problems. Sie können den Namen einer Substanz ermitteln, indem Sie ihre Seriennummer kennen, die der Anzahl der Protonen entspricht. Da die Anzahl der positiven und negative Ladungen in einem Atom gleich sind, dann sind es 73. Es handelt sich also um Tantal. Darüber hinaus, gesamt Die Gesamtzahl der Nukleonen beträgt 181, was bedeutet, dass die Protonen für ein bestimmtes Element 181 - 73 = 108 sind. Ganz einfach.

Isotope von Gallium

Das Element Gallium hat die Ordnungszahl 71. In der Natur hat dieser Stoff zwei Isotope – 69 Ga und 71 Ga. So ermitteln Sie Prozentsatz Arten von Gallium?

Die Lösung von Isotopenproblemen in der Chemie erfordert fast immer Informationen, die dem Periodensystem entnommen werden können. Diesmal sollten Sie dasselbe tun. Bestimmen wir die durchschnittliche Atommasse aus der angegebenen Quelle. Es beträgt 69,72. Nachdem wir mit x und y das Mengenverhältnis des ersten und zweiten Isotops bezeichnet haben, nehmen wir ihre Summe gleich 1 an. Dies bedeutet, dass dies in Form einer Gleichung geschrieben wird: x + y = 1. Daraus folgt, dass 69x + 71y = 69,72. Wenn wir y durch x ausdrücken und die erste Gleichung in die zweite einsetzen, finden wir, dass x = 0,64 und y = 0,36. Dies bedeutet, dass 69 Ga in der Natur zu 64 % vorkommt und der Anteil von 71 Ga 34 % beträgt.

Isotopentransformationen

Die radioaktive Spaltung von Isotopen mit ihrer Umwandlung in andere Elemente wird in drei Haupttypen unterteilt. Der erste davon ist der Alpha-Zerfall. Es entsteht durch die Emission eines Teilchens, das den Kern eines Heliumatoms darstellt. Das heißt, es handelt sich um eine Formation, die aus einer Kombination von Neutronen- und Protonenpaaren besteht. Da dessen Menge die Ladungszahl und die Atomzahl eines Stoffes im Periodensystem bestimmt, kommt es infolge dieses Prozesses zu einer qualitativen Umwandlung eines Elements in ein anderes und verschiebt sich in der Tabelle um nach links zwei Zellen. In diesem Fall verringert sich die Massenzahl des Elements um 4 Einheiten. Das wissen wir aus der Struktur der Isotopenatome.

Wenn der Atomkern ein Betateilchen, im Wesentlichen ein Elektron, verliert, ändert sich seine Zusammensetzung. Eines der Neutronen wandelt sich in ein Proton um. Dies bedeutet, dass sich die qualitativen Eigenschaften des Stoffes erneut ändern und das Element in der Tabelle um eine Zelle nach rechts verschoben wird, ohne praktisch an Gewicht zu verlieren. Typischerweise ist eine solche Transformation mit elektromagnetischer Gammastrahlung verbunden.

Radiumisotopenumwandlung

Die oben genannten Informationen und Kenntnisse aus der Chemie der 11. Klasse über Isotope helfen wiederum bei der Lösung praktische Probleme. Zum Beispiel das Folgende: 226 Ra verwandelt sich beim Zerfall in ein chemisches Element der Gruppe IV mit der Massenzahl 206. Wie viele Alpha- und Betateilchen soll es verlieren?

Unter Berücksichtigung der Änderungen der Masse und der Gruppe des Tochterelements lässt sich anhand des Periodensystems leicht bestimmen, dass das bei der Spaltung gebildete Isotop Blei mit einer Ladung von 82 und einer Massenzahl von 206 sein wird. Und unter Berücksichtigung Berücksichtigt man die Ladungszahl dieses Elements und das ursprüngliche Radium, sollte man davon ausgehen, dass sein Kern fünf Alpha-Teilchen und vier Beta-Teilchen verloren hat.

Verwendung radioaktiver Isotope

Jeder ist sich der Schäden bewusst, die radioaktive Strahlung lebenden Organismen zufügen kann. Allerdings können die Eigenschaften radioaktiver Isotope für den Menschen nützlich sein. Sie werden in vielen Branchen erfolgreich eingesetzt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Lecks in Ingenieur- und Bauwerken, unterirdischen Rohrleitungen und Ölpipelines, Lagertanks und Wärmetauschern in Kraftwerken zu erkennen.

Diese Eigenschaften werden auch aktiv genutzt wissenschaftliche Experimente. Beispielsweise ist die Tsetsefliege Überträger vieler schwerwiegender Krankheiten für Menschen, Nutz- und Haustiere. Um dies zu verhindern, werden die Männchen dieser Insekten mit einem schwachen Sterilisator sterilisiert radioaktive Strahlung. Isotope sind auch für die Untersuchung der Mechanismen bestimmter chemischer Reaktionen unverzichtbar, da Atome dieser Elemente zur Markierung von Wasser und anderen Substanzen verwendet werden können.

Bei biologische Forschung häufig werden auch markierte Isotope verwendet. So wurde beispielsweise festgestellt, wie sich Phosphor auf den Boden, das Wachstum und die Entwicklung von Kulturpflanzen auswirkt. Auch in der Medizin werden die Eigenschaften von Isotopen erfolgreich genutzt, was eine Behandlung ermöglicht Krebstumoren und andere ernsthafte Krankheit, bestimmen Sie das Alter biologischer Organismen.