ایزوتوپ ها با یکدیگر تفاوت دارند. چگونه ایزوتوپ های یک عنصر با یکدیگر متفاوت هستند. ایزوتوپ های پایدار و ناپایدار

نکات اصلی مبحث "مفاهیم پایه شیمی" را تکرار کنید و مسائل پیشنهادی را حل کنید. از شماره های 6-17 استفاده کنید.

مقررات اساسی

1. ماده(ساده و پیچیده) به هر مجموعه ای از اتم ها و مولکول ها گفته می شود که در حالت تجمع مشخصی قرار دارند.

تبدیل مواد همراه با تغییر در ترکیب و (یا) ساختار آنها نامیده می شود واکنش های شیمیایی .

2. واحدهای ساختاری مواد:

· اتم- کوچکترین ذره خنثی الکتریسیته یک عنصر شیمیایی یا ماده ساده که تمام خواص شیمیایی آن را دارد و سپس از نظر فیزیکی و شیمیایی غیرقابل تقسیم است.

· مولکول- کوچکترین ذره خنثی الکتریکی یک ماده، دارای تمام خواص شیمیایی آن، از نظر فیزیکی غیرقابل تقسیم، اما از نظر شیمیایی قابل تقسیم است.

3. عنصر شیمیایی - این یک نوع اتم با بار هسته ای مشخص است.

4. ترکیب اتم :

5. ترکیب هسته اتمی :

هسته حاوی ذرات بنیادی است ( نوکلئون ها) –

پروتون ها(1 1 p ) و نوترون ها(1 0 n).

· زیرا تقریباً تمام جرم یک اتم در هسته متمرکز است و m p ≈ m n≈ 1 amu، آن مقدار گرد شدهA rیک عنصر شیمیایی برابر است با تعداد کل نوکلئون های موجود در هسته.

7. ایزوتوپ ها- انواع اتم های یک عنصر شیمیایی که فقط از نظر جرم با یکدیگر متفاوت هستند.

· نمادهای ایزوتوپی: در سمت چپ نماد عنصر عدد جرمی (در بالا) و شماره سریالعنصر (پایین)

· چرا ایزوتوپ ها جرم های متفاوتی دارند؟

تکلیف: تعیین ترکیب اتمی ایزوتوپ های کلر: 35 17Clو 37 17Cl?

ایزوتوپ ها به دلیل جرم های متفاوتی هستند اعداد مختلفنوترون ها در هسته آنها

8. در طبیعت، عناصر شیمیایی به صورت مخلوط ایزوتوپ ها وجود دارند.

ترکیب ایزوتوپی همان عنصر شیمیایی در بیان می شود کسرهای اتمی(ω در.)، که نشان می دهد تعداد اتم های یک ایزوتوپ معین چه بخشی از تعداد کل اتم های همه ایزوتوپ های یک عنصر معین را تشکیل می دهد که به عنوان یک یا 100٪ در نظر گرفته می شود.

مثلا:

ω در (35 17 Cl) = 0.754

ω در (37 17 Cl) = 0.246

9. جدول تناوبی مقادیر متوسط ​​جرم اتمی نسبی عناصر شیمیایی را با در نظر گرفتن ترکیب ایزوتوپی آنها نشان می دهد. بنابراین، Ar نشان داده شده در جدول کسری هستند.

A rچهارشنبه= ω در. (1) ∙ آر (1) + … + ω در.(n ) ∙ آر ( n )

مثلا:

A rچهارشنبه(Cl) = 0.754 ∙ 35 + 0.246 ∙ 37 = 35.453

10. مشکلی که باید حل شود:

شماره 1. جرم اتمی نسبی بور را در صورتی که مشخص باشد مشخص کنید کسر مولایزوتوپ 10 B 19.6٪ و ایزوتوپ 11 B 80.4٪ است.

11. جرم اتم ها و مولکول ها بسیار کوچک است. در حال حاضر، یک سیستم اندازه گیری یکپارچه در فیزیک و شیمی اتخاذ شده است.

1 آمو =متر(a.m.) = 1/12 متر(12 درجه سانتیگراد) = 1.66057 ∙ 10 -27 کیلوگرم = 1.66057 ∙ 10 -24 گرم.

جرم مطلق برخی اتم ها:

متر( سی) = 1.99268 ∙ 10 -23 گرم

متر( اچ) = 1.67375 ∙ 10 -24 گرم

متر( O) = 2.656812 ∙ 10 -23 گرم

A r- چند بار را نشان می دهد اتم داده شدهسنگین تر از 1/12 اتم 12 C. آقای∙ 1.66 ∙ 10 -27 کیلوگرم

13. تعداد اتم ها و مولکول ها در نمونه های معمولی مواد بسیار زیاد است، بنابراین، هنگام مشخص کردن مقدار یک ماده، از واحد اندازه گیری استفاده می شود -خال .

· خال (ν)- واحد کمیت یک ماده که دارای همان تعداد ذرات (مولکول، اتم، یون، الکترون) با اتم های موجود در 12 گرم ایزوتوپ است. 12 سی

· جرم 1 اتم 12 سیبرابر با 12 amu است، بنابراین تعداد اتم ها در 12 گرم ایزوتوپ 12 سیبرابر است با:

N A= 12 گرم / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 گرم = 6.0221 ∙ 10 23

· کمیت فیزیکی N Aتماس گرفت ثابت آووگادرو (عدد آووگادرو) و دارای بعد [N A] = mol -1 است.

14. فرمول های اساسی:

م = آقای = ρ ∙ Vm(ρ – چگالی؛ V m – حجم در سطح صفر)

مشکلاتی که باید مستقل حل شوند

شماره 1. تعداد اتم های نیتروژن در 100 گرم کربنات آمونیوم حاوی 10 درصد ناخالصی های غیر نیتروژنی را محاسبه کنید.

شماره 2. در شرایط عادی، 12 لیتر مخلوط گاز متشکل از آمونیاک و دی اکسید کربن، دارای جرم 18 گرم از هر گاز چند لیتر است؟

شماره 3. هنگامی که در معرض اسید کلریدریک اضافی، 8.24 گرم از مخلوط اکسید منگنز (IV) با اکسید ناشناخته MO 2 که با اسید هیدروکلریک واکنش نمی دهد، 1.344 لیتر گاز در شرایط محیطی به دست آمد. در آزمایش دیگری مشخص شد که نسبت مولی اکسید منگنز (IV) نسبت به اکسید مجهول 3:1 است. فرمول اکسید مجهول را مشخص کرده و آن را محاسبه کنید کسر جرمیدر مخلوط

محتوای مقاله

ایزوتوپ ها-انواع عناصر شیمیایی یکسان، از نظر خواص فیزیکی مشابه خواص شیمیایی، اما متفاوت بودن جرم اتمی. نام "ایزوتوپ" در سال 1912 توسط رادیو شیمیدان انگلیسی فردریک سودی پیشنهاد شد که آن را از دو مورد تشکیل داد. کلمات یونانی: isos – همان و topos – مکان. ایزوتوپ ها همان مکان را در سلول جدول تناوبی عناصر مندلیف اشغال می کنند.

یک اتم هر عنصر شیمیایی از یک هسته با بار مثبت و ابری از الکترون های با بار منفی در اطراف آن تشکیل شده است. موقعیت عنصر شیمیایی در جدول تناوبیمندلیف (عدد اتمی آن) با بار هسته اتم های آن تعیین می شود. ایزوتوپ ها بنابراین نامیده می شوند انواع یک عنصر شیمیایی، که اتم های آنها دارای بار هسته ای یکسان هستند (و بنابراین، تقریباً پوسته های الکترونی یکسان)، اما در مقادیر جرم هسته ای متفاوت هستند. بر اساس بیان مجازی F. Soddy، اتم های ایزوتوپ ها "بیرون" یکسان هستند، اما "درون" متفاوت هستند.

نوترون در سال 1932 کشف شد – ذره ای که بار ندارد، با جرمی نزدیک به جرم هسته اتم هیدروژن - یک پروتون , و ایجاد کرد مدل پروتون-نوترون هسته در نتیجه علم نهایی را تعیین کرده است تعریف مدرنمفاهیم ایزوتوپ: ایزوتوپ ها موادی هستند که هسته اتمی آن ها شامل می شود همان تعدادپروتون ها و فقط در تعداد نوترون های هسته با هم تفاوت دارند . هر ایزوتوپ معمولاً با مجموعه ای از نمادها نشان داده می شود، که در آن X نماد عنصر شیمیایی است، Z بار هسته اتم (تعداد پروتون ها)، A عدد جرمی ایزوتوپ است. تعداد کلنوکلئون ها - پروتون ها و نوترون ها در هسته، A = Z + N). از آنجایی که به نظر می رسد بار هسته به طور منحصر به فردی با نماد عنصر شیمیایی مرتبط است، به سادگی از علامت A X اغلب برای مخفف استفاده می شود.

از بین تمام ایزوتوپ های شناخته شده برای ما، فقط ایزوتوپ های هیدروژن دارند اسامی مناسب. بنابراین، ایزوتوپ های 2 H و 3 H دوتریوم و تریتیوم نامیده می شوند و به ترتیب D و T نامیده می شوند (ایزوتوپ 1 H گاهی اوقات پروتیوم نامیده می شود).

در طبیعت به عنوان ایزوتوپ های پایدار وجود دارد , و ناپایدار - رادیواکتیو، هسته اتم های آن در معرض تبدیل خود به خود به هسته های دیگر با انتشار ذرات مختلف (یا فرآیندهای به اصطلاح واپاشی رادیواکتیو) هستند. در حال حاضر حدود 270 مورد شناخته شده است ایزوتوپ های پایدار، و ایزوتوپ های پایدار فقط در عناصر با عدد اتمی Z Ј 83. تعداد ایزوتوپ های ناپایدار بیش از 2000 است، اکثریت قریب به اتفاق آنها به طور مصنوعی در نتیجه انواع مختلف به دست آمده اند. واکنش های هسته ای. عدد ایزوتوپ های رادیواکتیوبرای بسیاری از عناصر بسیار بزرگ است و می تواند بیش از دو دوجین باشد. تعداد ایزوتوپ های پایدار به طور قابل توجهی کمتر است برخی از عناصر شیمیایی تنها از یک ایزوتوپ پایدار (بریلیم، فلوئور، سدیم، آلومینیوم، فسفر، منگنز، طلا و تعدادی از عناصر دیگر) تشکیل شده اند. بیشترین تعداد ایزوتوپ پایدار - 10 - در قلع، به عنوان مثال در آهن، 4 و در جیوه - 7 یافت شد.

کشف ایزوتوپ ها، پیشینه تاریخی.

در سال 1808 انگلیسی طبیعت شناس علمیجان دالتون برای اولین بار تعریف عنصر شیمیایی را به عنوان ماده ای متشکل از اتم های هم نوع معرفی کرد. در سال 1869 شیمیدان D.I قانون دوره ایعناصر شیمیایی یکی از مشکلات در اثبات مفهوم عنصر به عنوان ماده ای که اشغال می کند مکان خاصدر سلول جدول تناوبی، شامل وزن اتمی غیرصحیح تجربی مشاهده شده عناصر است. در سال 1866م فیزیکدان انگلیسیو شیمیدان سر ویلیام کروکس این فرضیه را مطرح کرد که هر طبیعی عنصر شیمیایینشان دهنده مخلوط معینی از مواد است که از نظر خواص یکسان هستند، اما جرم اتمی متفاوتی دارند، اما در آن زمان چنین فرضی هنوز تأیید تجربی نداشت و بنابراین کمتر مورد توجه قرار گرفت.

گام مهمی در جهت کشف ایزوتوپ ها، کشف پدیده رادیواکتیویته و فرضیه واپاشی رادیواکتیو بود که توسط ارنست رادرفورد و فردریک سودی فرموله شد: رادیواکتیویته چیزی نیست جز تجزیه یک اتم به یک ذره باردار و یک اتم عنصر دیگر. ، از نظر خواص شیمیایی با نمونه اصلی متفاوت است. در نتیجه ایده سریال های رادیواکتیو یا خانواده های رادیواکتیو بوجود آمد , در ابتدای آن اولین عنصر والد، که رادیواکتیو است، و در پایان - آخرین وجود دارد عنصر پایدار. تجزیه و تحلیل زنجیره های تبدیل نشان داد که در طول دوره آنها، همان عناصر رادیواکتیو، که فقط در جرم اتمی متفاوت هستند، می توانند در یک سلول جدول تناوبی ظاهر شوند. در واقع این به معنای معرفی مفهوم ایزوتوپ بود.

تأیید مستقل وجود ایزوتوپ‌های پایدار عناصر شیمیایی سپس در آزمایش‌های J. J. Thomson و Aston در سال‌های 1912-1920 با پرتوهایی از ذرات با بار مثبت (یا به اصطلاح پرتوهای کانالی) به دست آمد. ) از لوله تخلیه خارج می شود.

در سال 1919 استون ابزاری به نام طیف نگار جرمی طراحی کرد. (یا طیف سنج جرمی) . یک لوله تخلیه هنوز به عنوان منبع یون مورد استفاده قرار می گرفت، اما استون روشی را پیدا کرد که در آن انحراف متوالی پرتوی از ذرات در الکتریکی و میدانهای مغناطیسیمنجر به تمرکز ذرات با همان مقدارنسبت بار به جرم (صرف نظر از سرعت آنها) در همان نقطه روی صفحه نمایش. همراه با آستون، یک طیف سنج جرمی با طراحی کمی متفاوت در همان سال ها توسط Dempster آمریکایی ایجاد شد. در نتیجه استفاده و بهبود بعدی طیف‌سنج‌های جرمی با تلاش بسیاری از محققان، تقریباً تا سال 1935 میز کامل ترکیبات ایزوتوپیتمام عناصر شیمیایی شناخته شده در آن زمان.

روش های جداسازی ایزوتوپی

بررسی خواص ایزوتوپ ها و به ویژه استفاده از آنها در علم و اهداف کاربردیآنها باید در مقادیر کم و بیش قابل توجه به دست آیند. در طیف‌سنج‌های جرمی معمولی، جداسازی تقریباً کامل ایزوتوپ‌ها به دست می‌آید، اما کمیت آن‌ها به طرز چشمگیری کم است. از این رو، تلاش دانشمندان و مهندسان به دنبال یافتن روش‌های ممکن دیگر برای جداسازی ایزوتوپ‌ها بود. اول از همه، روش‌های فیزیکوشیمیایی جداسازی بر اساس تفاوت در خواص ایزوتوپ‌های همان عنصر مانند نرخ تبخیر، ثابت‌های تعادل، تسلط یافتند. واکنش های شیمیاییو غیره مؤثرترین آنها روشهای یکسوسازی و تبادل ایزوتوپی بود که یافت کاربرد گستردهدر تولید صنعتی ایزوتوپ های عناصر سبک: هیدروژن، لیتیوم، بور، کربن، اکسیژن و نیتروژن.

گروه دیگری از روش‌ها شامل روش‌های جنبشی مولکولی هستند: انتشار گاز، انتشار حرارتی، انتشار جرم (نشر در جریان بخار)، سانتریفیوژ. روش های انتشار گاز بر اساس سرعت متفاوتانتشار اجزای ایزوتوپ در محیط های متخلخل بسیار پراکنده، در طول جنگ جهانی دوم برای سازماندهی استفاده شد. تولید صنعتیجداسازی ایزوتوپ های اورانیوم در ایالات متحده آمریکا به عنوان بخشی از پروژه موسوم به منهتن برای ایجاد بمب اتمی. برای گرفتن مقادیر مورد نیازاورانیوم غنی شده تا 90 درصد ایزوتوپ نور 235 U، جزء اصلی "اشتعال پذیر" بمب اتمی، کارخانه هایی ساخته شد که مساحتی در حدود چهار هزار هکتار را اشغال کردند. بیش از 2 میلیارد دلار برای ایجاد یک مرکز اتمی با کارخانه های تولید اورانیوم غنی شده اختصاص یافت. در اتحاد جماهیر شوروی ساخته شده است. که در سال های گذشتهاین روش جای خود را به روش کارآمدتر و کم هزینه تر سانتریفیوژ داد. در این روش اثر جداسازی مخلوط ایزوتوپی توسط اقدامات مختلف نیروهای گریز از مرکزروی اجزای مخلوط ایزوتوپی که روتور سانتریفیوژ را پر می کند، که یک استوانه جدار نازک است که در بالا و پایین محدود شده و با سرعت بسیار بالایی در یک محفظه خلاء می چرخد. صدها هزار سانتریفیوژ متصل به صورت آبشاری، روتور هر یک از آنها بیش از هزار دور در ثانیه انجام می دهد، در حال حاضر در کارخانه های جداسازی مدرن چه در روسیه و چه در سایر کشورها استفاده می شود. کشورهای توسعه یافتهصلح سانتریفیوژها نه تنها برای به دست آوردن اورانیوم غنی شده، که برای اطمینان از عملکرد راکتورهای هسته ای ضروری است، استفاده می شوند. نیروگاه های هسته ای، بلکه برای تولید ایزوتوپ های تقریباً سی عنصر شیمیایی در قسمت میانی جدول تناوبی. واحدهای جداسازی الکترومغناطیسی با منابع قدرتمندیون ها نیز در سال های اخیر گسترده شده اند روش های لیزریتقسیمات

کاربرد ایزوتوپ ها

ایزوتوپ های مختلفی از عناصر شیمیایی به طور گسترده ای استفاده می شود تحقیق علمی، V مناطق مختلفصنعت و کشاورزی، در انرژی هسته ای, زیست شناسی مدرنو پزشکی، در تحقیقات محیطو مناطق دیگر. در تحقیقات علمی (به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل شیمیایی) معمولاً به مقادیر کمی از ایزوتوپ های کمیاب نیاز دارند عناصر مختلف، بر حسب گرم و حتی میلی گرم در سال محاسبه می شود. در عین حال، برای تعدادی از ایزوتوپ‌های پرکاربرد در انرژی هسته‌ای، پزشکی و سایر صنایع، نیاز به تولید آنها می‌تواند به کیلوگرم و حتی تن برسد. بنابراین در ارتباط با استفاده از آب سنگین D 2 O در راکتورهای هسته ایتولید جهانی آن تا اوایل دهه 1990 قرن گذشته حدود 5000 تن در سال بود. ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم، که بخشی از آب سنگین است، دارای غلظت است مخلوط طبیعیبه گفته دانشمندان، هیدروژن تنها 0.015٪ است، همراه با تریتیوم در آینده به جزء اصلی سوخت انرژی تبدیل خواهد شد. راکتورهای حرارتی، بر اساس واکنش ها کار می کند سوخت هسته ای. در این صورت نیاز به تولید ایزوتوپ های هیدروژن بسیار زیاد خواهد بود.

در تحقیقات علمی، ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو به طور گسترده ای به عنوان شاخص های ایزوتوپی (ردیاب) در مطالعه بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. فرآیندهای مختلفدر طبیعت رخ می دهد.

که در کشاورزیایزوتوپ ها (اتم های "برچسب") به عنوان مثال برای مطالعه فرآیندهای فتوسنتز، قابلیت هضم کودها، و تعیین کارایی استفاده گیاهان از نیتروژن، فسفر، پتاسیم، عناصر کمیاب و سایر مواد مورد استفاده قرار می گیرند.

فناوری ایزوتوپ به طور گسترده در پزشکی استفاده می شود. بنابراین در ایالات متحده آمریکا، طبق آمار، بیش از 36 هزار مورد انجام می شود. روش های پزشکیدر روز و حدود 100 میلیون آزمایش آزمایشگاهی با استفاده از ایزوتوپ ها. رایج ترین روش های مرتبط با توموگرافی کامپیوتری. ایزوتوپ کربن C13، غنی شده به 99٪ (محتوای طبیعی حدود 1٪)، به طور فعال در به اصطلاح "کنترل تنفس تشخیصی" استفاده می شود. ماهیت آزمون بسیار ساده است. ایزوتوپ غنی شده به غذای بیمار وارد می شود و پس از شرکت در فرآیند متابولیک در اندام های مختلف بدن، به صورت دی اکسید کربن CO 2 بازدمی توسط بیمار آزاد می شود که با استفاده از طیف سنج جمع آوری و آنالیز می شود. تفاوت در سرعت فرآیندهای مرتبط با آزادسازی مقادیر مختلف دی اکسید کربن که با ایزوتوپ C 13 برچسب گذاری شده است، به ما امکان می دهد وضعیت را قضاوت کنیم. اندام های مختلفصبور. در ایالات متحده، تعداد بیمارانی که تحت این آزمایش قرار می گیرند، سالانه 5 میلیون نفر تخمین زده می شود. اکنون برای تولید ایزوتوپ بسیار غنی شده C 13 in مقیاس صنعتیاز روش های جداسازی لیزری استفاده می شود.

ولادیمیر ژدانوف

ثابت شده است که هر عنصر شیمیایی موجود در طبیعت مخلوطی از ایزوتوپ ها است (از این رو آنها دارای جرم اتمی کسری هستند). برای درک اینکه چگونه ایزوتوپ ها با یکدیگر تفاوت دارند، لازم است ساختار اتم را با جزئیات در نظر بگیریم. یک اتم یک هسته و یک ابر الکترونی تشکیل می دهد. جرم یک اتم تحت تأثیر الکترون‌هایی است که با سرعت خیره‌کننده‌ای در اوربیتال‌های ابر الکترونی، نوترون‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده هسته حرکت می‌کنند.

ایزوتوپ ها چیست؟

ایزوتوپ هانوعی اتم از یک عنصر شیمیایی است. همیشه در هر اتمی الکترون و پروتون وجود دارد مقدار مساوی. از آنجایی که آنها بارهای مخالف دارند (الکترون ها منفی و پروتون ها مثبت هستند)، اتم همیشه خنثی است (این ذره بنیادیبار ندارد، برابر با صفر است). هنگامی که یک الکترون از بین می رود یا اسیر می شود، یک اتم خنثی خود را از دست می دهد و به یون منفی یا مثبت تبدیل می شود.
نوترون ها بار ندارند، اما تعداد آنها همین است هسته اتمیاز یک عنصر ممکن است متفاوت باشد. این به هیچ وجه بر خنثی بودن اتم تأثیر نمی گذارد، اما بر جرم و خواص آن تأثیر می گذارد. برای مثال، هر ایزوتوپ اتم هیدروژن حاوی یک الکترون و یک پروتون است. اما تعداد نوترون ها متفاوت است. پروتیوم فقط 1 نوترون، دوتریوم 2 نوترون و تریتیوم 3 نوترون دارد. این سه ایزوتوپ به طور قابل توجهی در خواص خود متفاوت هستند.

مقایسه ایزوتوپ ها

ایزوتوپ ها چگونه متفاوت هستند؟ در آنها مقادیر مختلفنوترون، جرم نابرابر و خواص مختلف. ایزوتوپ ها ساختارهای یکسانی دارند پوسته های الکترونی. این بدان معنی است که آنها از نظر خواص شیمیایی کاملاً مشابه هستند. بنابراین، یک مکان در جدول تناوبی به آنها داده می شود.
ایزوتوپ های پایدار و رادیواکتیو (ناپایدار) در طبیعت یافت شده اند. هسته های اتم های ایزوتوپ های رادیواکتیو می توانند خود به خود به هسته های دیگر تبدیل شوند. در طی فرآیند واپاشی رادیواکتیو، ذرات مختلفی از خود ساطع می کنند.
بیشتر عناصر بیش از دوجین ایزوتوپ رادیواکتیو دارند. علاوه بر این، ایزوتوپ های رادیواکتیو به طور مصنوعی برای مطلقاً همه عناصر سنتز می شوند. در مخلوط طبیعی ایزوتوپ ها، محتوای آنها کمی متفاوت است.
وجود ایزوتوپ‌ها این امکان را فراهم می‌آورد که بفهمیم چرا در برخی موارد، عناصر با جرم اتمی کمتر دارای عدد اتمی بالاتری نسبت به عناصر با جرم اتمی بالاتر هستند. به عنوان مثال، در جفت آرگون-پتاسیم، آرگون شامل ایزوتوپ های سنگین و پتاسیم حاوی ایزوتوپ های سبک است. بنابراین، جرم آرگون بیشتر از پتاسیم است.

ImGist تشخیص داد که تفاوت بین ایزوتوپ ها به شرح زیر است:

آنها دارند اعداد مختلفنوترون ها
ایزوتوپ ها دارای جرم اتمی متفاوتی هستند.
مقدار جرم اتم های یون بر انرژی و خواص کل آنها تأثیر می گذارد.

هنگام مطالعه خواص عناصر رادیواکتیوکشف شد که همان عنصر شیمیایی می تواند حاوی اتم هایی با وزن متفاوتهسته ها در عین حال بار هسته ای یکسانی دارند، یعنی اینها ناخالصی مواد خارجی نیستند، بلکه همان ماده هستند.

ایزوتوپ ها چیست و چرا وجود دارند؟

در جدول تناوبی مندلیف، هم این عنصر و هم اتم های یک ماده با جرم های هسته ای متفاوت، یک سلول را اشغال می کنند. بر اساس موارد فوق ، به چنین گونه هایی از همان ماده نام "ایزوتوپ" داده شد (از یونانی isos - یکسان و topos - مکان). بنابراین، ایزوتوپ ها- اینها انواع یک عنصر شیمیایی مشخص هستند که در جرم هسته های اتمی متفاوت هستند.

با توجه به مدل پذیرفته شده نوترون-پروتون هسته، می توان وجود ایزوتوپ ها را به شرح زیر توضیح داد: هسته برخی از اتم های یک ماده حاوی مقدار متفاوتنوترون، اما همان تعداد پروتون. در واقع بار هسته ای ایزوتوپ های یک عنصر یکسان است، بنابراین تعداد پروتون های هسته یکسان است. هسته ها از نظر جرم با هم تفاوت دارند و بر این اساس دارای تعداد متفاوتی از نوترون ها هستند.

ایزوتوپ های پایدار و ناپایدار

ایزوتوپ ها می توانند پایدار یا ناپایدار باشند. تا به امروز، حدود 270 ایزوتوپ پایدار و بیش از 2000 ایزوتوپ ناپایدار شناخته شده است. ایزوتوپ های پایدار- اینها انواع عناصر شیمیایی هستند که می توانند به طور مستقل برای مدت طولانی وجود داشته باشند.

بیشتر ایزوتوپ های ناپایدارمصنوعی به دست آمد. ایزوتوپ های ناپایدار رادیواکتیو هستند، هسته های آنها در معرض فرآیند واپاشی رادیواکتیو، یعنی تبدیل خود به خود به هسته های دیگر، همراه با انتشار ذرات و/یا تشعشع هستند. تقریباً همه آنها رادیواکتیو هستند ایزوتوپ های مصنوعینیمه عمر بسیار کوتاهی دارند که در ثانیه و حتی کسری از ثانیه اندازه گیری می شود.

یک هسته می تواند چند ایزوتوپ داشته باشد؟

هسته نمی تواند دارای تعداد دلخواه نوترون باشد. بر این اساس، تعداد ایزوتوپ ها محدود است. تعداد پروتون زوجعناصر، تعداد ایزوتوپ های پایدار می تواند به ده برسد. به عنوان مثال، قلع دارای 10 ایزوتوپ، زنون دارای 9، جیوه دارای 7 و غیره است.

آن عناصر تعداد پروتون ها فرد است، فقط می تواند دو ایزوتوپ پایدار داشته باشد. برخی از عناصر تنها یک ایزوتوپ پایدار دارند. اینها موادی مانند طلا، آلومینیوم، فسفر، سدیم، منگنز و غیره هستند. چنین تغییراتی در تعداد ایزوتوپ های پایدار در عناصر مختلفمرتبط با اعتیاد پیچیدهتعداد پروتون‌ها و نوترون‌های روی انرژی پیوند هسته.

تقریباً تمام مواد موجود در طبیعت به شکل مخلوطی از ایزوتوپ ها وجود دارند. تعداد ایزوتوپ‌های یک ماده به نوع ماده، جرم اتمی و تعداد ایزوتوپ‌های پایدار یک عنصر شیمیایی بستگی دارد.

حتی فیلسوفان باستان معتقد بودند که ماده از اتم ساخته شده است. با این حال، این واقعیت که "بلوک های سازنده" خود جهان از آن تشکیل شده است ذرات ریز، دانشمندان فقط در اواخر قرن 19 و 20 شروع به حدس زدن کردند. آزمایش‌هایی که این را ثابت می‌کنند، یک انقلاب واقعی در علم ایجاد کردند. نسبت کمی است اجزاءیک عنصر شیمیایی را از دیگری متمایز می کند. هر کدام از آنها با توجه به شماره سریال جای خود را در آن اختصاص می دهند. اما انواع مختلفی از اتم ها وجود دارند که با وجود تفاوت در جرم و خواص، سلول های مشابهی را در جدول اشغال می کنند. چرا این چنین است و ایزوتوپ هایی که در شیمی وجود دارند بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اتم و ذرات آن

ای. رادرفورد با مطالعه ساختار ماده از طریق بمباران با ذرات آلفا در سال 1910 ثابت کرد که فضای اصلی اتم پر از فضای خالی است. و فقط در مرکز هسته است. الکترون های منفی در اوربیتال ها در اطراف آن حرکت می کنند و پوسته این سیستم را تشکیل می دهند. اینگونه ایجاد شد مدل سیاره ای"آجر" از ماده.

ایزوتوپ ها چیست؟ از درس شیمی خود به یاد داشته باشید که هسته نیز دارد ساختار پیچیده. از پروتون ها و نوترون های مثبت تشکیل شده است که بار ندارند. تعداد اولین ها مشخص می شود ویژگی های کیفیعنصر شیمیایی. این تعداد پروتون است که مواد را از یکدیگر متمایز می کند و به هسته آنها بار خاصی می بخشد. و بر این اساس یک شماره سریال در جدول تناوبی به آنها اختصاص داده می شود. اما تعداد نوترون های موجود در همان عنصر شیمیایی آنها را به ایزوتوپ متمایز می کند. تعریف در شیمی این مفهومبنابراین می توانیم موارد زیر را ارائه دهیم. اینها انواعی از اتم ها هستند که در ترکیب هسته متفاوت هستند و دارند شارژ برابرو شماره های سریال، اما به دلیل تفاوت در تعداد نوترون ها، دارای اعداد جرمی متفاوت هستند.

تعیین ها

دانش آموزان با مطالعه شیمی در پایه نهم و ایزوتوپ ها با موارد قبولی آشنا می شوند. نمادها. حرف Z نشان دهنده بار هسته است. این رقم با تعداد پروتون ها منطبق است و بنابراین شاخص آنهاست. مجموع این عناصر با نوترون هایی که با N مشخص شده اند A - عدد جرمی است. خانواده ای از ایزوتوپ های یک ماده معمولاً با نماد آن عنصر شیمیایی مشخص می شود که در جدول تناوبی شماره سریالی منطبق بر تعداد پروتون های موجود در آن اختصاص داده می شود. ترک کرد بالانویس، اضافه شده به نماد نشان داده شده مربوط به عدد جرم است. به عنوان مثال، 238 U. بار عنصر (in در این مورداورانیوم که با شماره سریال 92 مشخص شده است با یک شاخص مشابه در زیر نشان داده شده است.

با دانستن این داده ها، می توانید به راحتی تعداد نوترون ها را در یک ایزوتوپ معین محاسبه کنید. این برابر است با عدد جرمی منهای شماره سریال: 238 - 92 = 146. تعداد نوترون ها می تواند کمتر باشد، اما این باعث نمی شود که این عنصر شیمیایی اورانیوم باقی بماند. لازم به ذکر است که اغلب در سایر مواد ساده تر تعداد پروتون ها و نوترون ها تقریباً یکسان است. چنین اطلاعاتی به درک اینکه ایزوتوپ در شیمی چیست کمک می کند.

نوکلئون ها

این تعداد پروتون است که به عنصر خاصی فردیت می دهد و تعداد نوترون ها به هیچ وجه بر آن تأثیر نمی گذارد. اما جرم اتمی از این دو عنصر مشخص تشکیل شده است که نام مشترک "نوکلئون" را دارند که نشان دهنده مجموع آنهاست. با این حال، این شاخص به آنهایی که پوسته بار منفی اتم را تشکیل می دهند بستگی ندارد. چرا؟ تنها کاری که باید انجام دهید این است که مقایسه کنید.

کسر جرم پروتون در یک اتم بزرگ است و تقریباً 1 a است. e.m یا 1.672 621 898 (21) 10 -27 کیلوگرم. نوترون به عملکرد این ذره نزدیک است (1.674 927 471(21)·10 -27 کیلوگرم). اما جرم یک الکترون هزاران بار کوچکتر است، ناچیز در نظر گرفته می شود و در نظر گرفته نمی شود. به همین دلیل است که با دانستن روی یک عنصر در شیمی، یافتن ترکیب هسته ایزوتوپ دشوار نیست.

ایزوتوپ های هیدروژن

ایزوتوپ های برخی از عناصر در طبیعت آنقدر شناخته شده و گسترده هستند که دریافت کرده اند اسامی مناسب. درخشان ترین و بیشترین مثال سادههیدروژن می تواند به این منظور کمک کند. که در شرایط طبیعیدر رایج ترین نوع آن، پروتیوم یافت می شود. این عنصر دارای عدد جرمی 1 است و هسته آن از یک پروتون تشکیل شده است.

بنابراین ایزوتوپ های هیدروژن در شیمی چیست؟ همانطور که مشخص است، اتم های این ماده اولین عدد را در جدول تناوبی دارند و بر این اساس، در طبیعت دارای عدد بار 1 هستند، اما تعداد نوترون های هسته یک اتم متفاوت است. دوتریوم که هیدروژن سنگین است، علاوه بر پروتون، ذره دیگری نیز در هسته خود دارد، یعنی یک نوترون. در نتیجه، این ماده خود را نشان می دهد مشخصات فیزیکیبرخلاف پروتیوم دارای وزن، نقطه ذوب و جوش خاص خود است.

تریتیوم

تریتیوم از همه پیچیده تر است. این هیدروژن فوق سنگین است. با توجه به تعریف ایزوتوپ ها در شیمی دارای شماره شارژ 1، اما عدد جرمی آن 3 است. اغلب به آن تریتون می گویند، زیرا علاوه بر یک پروتون، دو نوترون در هسته خود دارد، یعنی از آن تشکیل شده است. سه عنصر. نام این عنصر که در سال 1934 توسط رادرفورد، اولیفانت و هارتک کشف شد، حتی قبل از کشف آن مطرح شد.

این یک ماده ناپایدار است خواص رادیواکتیو. هسته آن توانایی تقسیم شدن به یک ذره بتا و یک آنتی نوترینو الکترونی را دارد. انرژی پوسیدگی از این مادهخیلی بزرگ نیست و 18.59 کو ولت است. بنابراین، چنین تشعشعی برای انسان خیلی خطرناک نیست. لباس های معمولی و دستکش های جراحی می توانند در برابر آن محافظت کنند. و این عنصر رادیواکتیو به دست آمده از غذا به سرعت از بدن دفع می شود.

ایزوتوپ های اورانیوم

معلوم می شود که آنها بسیار خطرناک تر هستند انواع مختلفاورانیوم، که علم در حال حاضر 26 مورد از آن را می‌داند. بنابراین، هنگام صحبت در مورد اینکه ایزوتوپ‌ها در شیمی چیست، نمی‌توان به این عنصر اشاره نکرد. با وجود تنوع انواع اورانیوم، تنها سه ایزوتوپ در طبیعت وجود دارد. اینها عبارتند از 234 U، 235 U، 238 U. اولین آنها، با داشتن خواص مناسب، به طور فعال به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده می شود. و دومی برای تولید پلوتونیوم 239 است که به نوبه خود به عنوان یک سوخت ارزشمند غیر قابل جایگزینی است.

هر یک از عناصر رادیواکتیو با ویژگی های خاص خود مشخص می شود این مدت زمانی است که در طی آن ماده به نسبت ½ تقسیم می شود. یعنی در نتیجه این فرآیند مقدار باقیمانده ماده به نصف می رسد. این بازه زمانی برای اورانیوم بسیار زیاد است. به عنوان مثال، برای ایزوتوپ-234 270 هزار سال تخمین زده می شود، اما برای دو نوع دیگر مشخص شده بسیار مهم تر است. اورانیوم 238 دارای نیمه عمر بی سابقه ای است که میلیاردها سال دوام می آورد.

نوکلیدها

نه هر یک از انواع اتم ها، که با خود و به شدت مشخص می شوند یک عدد مشخصپروتون ها و الکترون ها به قدری پایدار است که می تواند حداقل برای مدت طولانی برای مطالعه آن وجود داشته باشد. آنهایی که دارند ثبات نسبی، نوکلید نامیده می شوند. تشکیلات پایدار از این نوع تجزیه رادیواکتیودر معرض قرار نمی گیرند. ناپایدارها را پرتوزا نامیده می شوند و به نوبه خود به کوتاه مدت و طولانی مدت نیز تقسیم می شوند. همانطور که از درس های شیمی پایه یازدهم در مورد ساختار اتم های ایزوتوپ می دانید، بزرگترین عدداوسمیم و پلاتین دارای رادیونوکلئید هستند. کبالت و طلا هر کدام یک اصطبل دارند و بزرگترین عددنوکلیدهای پایدار در قلع

محاسبه عدد اتمی ایزوتوپ

اکنون سعی خواهیم کرد اطلاعاتی که قبلا توضیح داده شد را خلاصه کنیم. با درک اینکه ایزوتوپ ها در شیمی چیست، وقت آن رسیده است که نحوه استفاده از دانش به دست آمده را بیابیم. بیایید به این نگاه کنیم مثال خاص. فرض کنید مشخص است که یک عنصر شیمیایی خاص دارای عدد جرمی 181 است. علاوه بر این، پوسته اتم این ماده دارای 73 الکترون است. چگونه می توان از جدول تناوبی برای یافتن نام یک عنصر معین و همچنین تعداد پروتون ها و نوترون های هسته آن استفاده کرد؟

بیایید شروع به حل مشکل کنیم. شما می توانید نام یک ماده را با دانستن شماره سریال آن که با تعداد پروتون ها مطابقت دارد تعیین کنید. از آنجایی که تعداد مثبت و بارهای منفیدر یک اتم برابر هستند، سپس 73 است. پس تانتالیوم است. علاوه بر این، جمعتعداد کل نوکلئون ها 181 است، به این معنی که تعداد پروتون ها برای یک عنصر معین 181 - 73 = 108 است. بسیار ساده است.

ایزوتوپ های گالیوم

عنصر گالیوم دارای عدد اتمی 71 است. در طبیعت، این ماده دارای دو ایزوتوپ - 69 Ga و 71 Ga است. نحوه تعیین درصدانواع گالیوم؟

حل مسائل مربوط به ایزوتوپ ها در شیمی تقریباً همیشه شامل اطلاعاتی است که می توان از جدول تناوبی به دست آورد. این بار شما باید همین کار را انجام دهید. اجازه دهید میانگین جرم اتمی را از منبع مشخص شده تعیین کنیم. برابر با 69.72 است. با تعیین نسبت کمی ایزوتوپ اول و دوم با x و y، مجموع آنها را برابر با 1 می گیریم. این بدان معنی است که این به شکل یک معادله نوشته می شود: x + y = 1. نتیجه می شود که 69x + 71y = 69.72. با بیان y بر حسب x و جایگزینی معادله اول به معادله دوم، دریافتیم که x = 0.64 و y = 0.36. این بدان معنی است که 69 Ga در طبیعت 64٪ یافت می شود و درصد 71 Ga 34٪ است.

تبدیل های ایزوتوپی

شکافت رادیواکتیو ایزوتوپ ها با تبدیل آنها به عناصر دیگر به سه نوع اصلی تقسیم می شود. اولین مورد از این ها واپاشی آلفا است. این با گسیل ذره ای رخ می دهد که نشان دهنده هسته اتم هلیوم است. یعنی این سازندی است که از ترکیبی از جفت نوترون و پروتون تشکیل شده است. از آنجایی که مقدار دومی تعداد بار و تعداد اتم یک ماده را در جدول تناوبی تعیین می کند، در نتیجه این فرآیند یک تبدیل کیفی یک عنصر به عنصر دیگر رخ می دهد و در جدول به سمت چپ تغییر می کند. دو سلول در این حالت تعداد جرمی عنصر 4 واحد کاهش می یابد. ما این را از ساختار اتم های ایزوتوپ می دانیم.

هنگامی که هسته یک اتم یک ذره بتا، در اصل یک الکترون را از دست می دهد، ترکیب آن تغییر می کند. یکی از نوترون ها به پروتون تبدیل می شود. این بدان معنی است که ویژگی های کیفی ماده دوباره تغییر می کند و عنصر در جدول یک سلول به سمت راست جابجا می شود، بدون اینکه عملاً وزن خود را کاهش دهد. به طور معمول، چنین تبدیلی با تابش گامای الکترومغناطیسی همراه است.

تبدیل ایزوتوپ رادیوم

اطلاعات و دانش بالا از شیمی کلاس 11 در مورد ایزوتوپ ها دوباره به حل کمک می کند مشکلات عملی. به عنوان مثال، موارد زیر: 226 Ra در هنگام فروپاشی به یک عنصر شیمیایی از گروه IV با عدد جرمی 206 تبدیل می شود. چند ذره آلفا و بتا باید از دست بدهد؟

با در نظر گرفتن تغییرات جرم و گروه عنصر دختر، با استفاده از جدول تناوبی به راحتی می توان تعیین کرد که ایزوتوپ تشکیل شده در حین شکافت، سرب با بار 82 و عدد جرمی 206 خواهد بود. با احتساب عدد بار این عنصر و رادیوم اصلی، باید فرض کرد که هسته آن پنج ذره آلفا و چهار ذره بتا را از دست داده است.

استفاده از ایزوتوپ های رادیواکتیو

همه به خوبی از مضراتی که تشعشعات رادیواکتیو برای موجودات زنده وارد می کنند آگاه هستند. با این حال، خواص ایزوتوپ های رادیواکتیو می تواند برای انسان مفید باشد. آنها با موفقیت در بسیاری از صنایع استفاده می شوند. با کمک آنها می توان نشتی در سازه های مهندسی و ساختمانی، خطوط لوله زیرزمینی و خطوط لوله نفت، مخازن ذخیره سازی و مبدل های حرارتی در نیروگاه ها را تشخیص داد.

این خواص نیز به طور فعال در استفاده می شود آزمایش های علمی. به عنوان مثال، مگس تسه ناقل بسیاری از بیماری های جدی برای انسان، دام و حیوانات اهلی است. به منظور جلوگیری از این امر، نرهای این حشرات با استفاده از ضعیف عقیم می شوند تشعشعات رادیواکتیو. ایزوتوپ ها همچنین در مطالعه مکانیسم های واکنش های شیمیایی خاص ضروری هستند، زیرا اتم های این عناصر می توانند برای برچسب زدن آب و سایر مواد استفاده شوند.

در تحقیقات بیولوژیکیایزوتوپ های اغلب نشاندار نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، اینگونه مشخص شد که چگونه فسفر بر خاک، رشد و نمو گیاهان زراعی تأثیر می گذارد. از خواص ایزوتوپ ها در پزشکی نیز با موفقیت استفاده می شود که امکان درمان را فراهم کرده است تومورهای سرطانیو دیگران بیماری های جدی، سن موجودات بیولوژیکی را تعیین می کند.