Изотопы сообщение по химии 11 класс
Обновлено: 30.06.2024
В постиндустриальную эпоху развития человечества все больше стало отдавать предпочтение новым технология получения энергии. Изотопы являются субстратом в энергетическом производстве (топливный компонент ядерного реактора). Также данные видоизменные химические атомы используются и других областях человеческой деятельности: медицина, патологическая физиология, отрасль изготовление ядерного оружия.
- Что такое изотоп?
- Обозначения изотопов
- Изотопы водорода
- Изотопы урана
- Нуклиды
- Изотопы галлия
- Превращения изотопов
- Применение радиоактивных изотопов
Что такое изотоп?
Изотопами называют видоизменные элементы периодической таблицы Менделеева, которые имеют один и тот же порядковый номер, но различную атомную массу. Название характеризует нахождение подобных структур в одной клеточке периодической таблицы с нормальными элементами (изо – равное, топ – положение, место – в переводе с английского). Состав изотопов представляет собой совокупность протонов, электронов и нейтронов (количество нейтронов обычно больше, чем в обычных элементах периодической таблицы).
Обозначения изотопов
Видоизмененные элементы периодической таблицы Менделеева обозначаются следующим образом: к символу химического элемента, к которому принадлежит изотоп, подписывается верхний левый индекс с обозначением массового числа. Так, например, изотоп кислорода, обладающий массовым числом равным восемнадцати атомных единиц, будет обозначаться следующим образом: 18 O. Имеется также другое обозначение подобных атомов (например, кислород – 18).
Изотопы водорода
Выделяют три видоизменённых атома водорода, обладающих разными массовыми числами:
протий (Н) – одна атомная единица массы;
дейтерий (D) – две атомные единицы массы;
тритий (Т) – три атомные единицы массы.
В природе чаще всего встречается протий (в 99,98 процентах случаев), именно поэтому среднее массовое число водорода будет равняться приблизительно 1 а.е.м. Стоит, отметить, что бета-распад трития составляет порядка 12 лет, после чего он переходит в форму Гелий - 3.
Отдельно необходимо выделить, видоизменённые атомы водорода, массовое число которого может колебаться в районе 4 – 7 а.е.м.
Изотопы урана
Изотопный ряд урана включает в себя изотопы, имеющие массу от 219 а.е.м. до 243 а.е.м. Элементы, обладающие наибольшей изотопной распространенностью – это уран – 235 и уран – 238.
Изотопные атомные урана с массовыми числами 235 и 238 представляют собой основной компонент для производства плутония – 239 (основного компонента ядерного оружия и ядерного топлива для реакторов нового поколения).
Нуклиды
Нуклиды подразделяются на две больших категории:
Химический элемент периодической таблицы ртуть (гидраргирум) обладает наибольшей изотопной распространенностью стабильных нуклидов. Так, стабильные нуклиды ртути – это вещества изотопного ряда гидраргиума, обладающие атомной массой от 170 а.е.м. до 219 а.е.м.
Термин нуклид (в понятии радионуклид) был предложен в двадцатом веке американцем Трумэном Команом. Радионуклиды отличаются длительным периодом полураспада, который в большинстве случаев имеет значение порядка 5*10 8 лет. Таким образом, радионуклиды населяют Землю с момента ее зарождения как планеты. В зависимости от массового числа нуклиды могут подвергать различным видам превращения, обозначим некоторые из них:
альфа-распад (для большинства радионуклидов подобный вид распада не наблюдается и из-за большого периода полураспада);
нейтронный и двухнейтронный распады.
Изотопы галлия
Изотопный ряд галлия представлен элементами, обладающими промежутком массовых числен от 49 а.е.м. до 71 а.е.м. Наиболее часто в природе встречаются следующие изотопные атомы: галлий – 69, галлий -71. Природный галлий обычно представлен смесью двух данных видоизмененных атомов, имеющих малый период полураспада (порядка 68 минут). Для представителей изотопного ряда галлия характерные следующие виды ядерных превращений:
электронный захват (наблюдается в 13% случаев);
позитронный распад (наблюдается в 87% случаев).
Превращения изотопов
Превращения изотопов могут протекать двумя способами:
при участии технологий, созданных человеком (используется в промышленности);
самопроизвольно (протекает в природе).
Выделяют следующие виды ядерных превращений, связанных со изменением атомной массы химических элементов: распад (альфа, бета, двойной бета, нейтронный, позитронный), электронный захват (происходит присоединение электрона, вследствие чего изменяется заряд и состав нуклида).
Применение радиоактивных изотопов
Изотопы химических элементов представляют собой элементы периодической таблицы Менделеева, обладающие нестабильными ядрами и свойством подвергаться различного ядерному распаду. В научной терминологии подобные атомы называют также радионуклидами. Радиоактивные изотопы применяются в различных сферах человеческой деятельности.
В сельском хозяйстве использования радиоизотопов необходимо для изучения особенностей роста, развития и функционирования корневых систем растений (такой способ изучения получил название – метод меченных атомов).
В авиастроительстве радионуклиды применяют для испытания авиационных конструкций на предмет износостойкости.
В сфере градостроительстве радиоактивные изотопы нашли свое применение как универсальные измерители плотности почвы.
В области коммунального хозяйства видоизмененные химические элементы, обладающие радиоактивной способностью, применяют в целях стерилизации постельного белья.
В текстильной промышленности радионуклиды используются для удаления электрических зарядов с поверхности одежды.
В машиностроительной отрасли радионуклиды используются для определения толщины металлического покрытия.
Особое место в этом списке занимает использование радиоактивных изотопов в химической промышленности и в сфере медицинских услуг. Так, получение различных полимерных соединений, которые составляют основу большинства современных предметов обихода, письменных принадлежностей, резиновых изделий того или иногда вида использования происходит при помощи взаимодействия y-излучения с различными химическими соединениями органической природы. В медицине радиоизотопы применяются в лечебных целях в рамках радиационной терапии (процедура, при которой под воздействием радионуклидов происходит разрушение любого типа живой ткани). Радиотерапия нашла свое применения в области лечения онкологических заболеваний (на данный момент, по эффективности радиотерапия уступает только химиотерапии, но зачастую данные способы лечения составляют две стадии одного процесса).
В заключении, стоит отметить, что научный прогресс в области получения новых видов изотопов тех или иных химических элементов не стоит на месте, поэтому возможно в будущем при помощи грамотного и целесообразного использования видоизмененных атомов можно будет лечить неизлечимые на данный момент заболеваний и строить космические корабли для покорения других планет и галактик.
История открытия изотопов
Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906—07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана — ионий и продукт радиоактивного распада тория — радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди, стали называть изотопами.
Считается, что изотопный состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер — продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии. Естественные радиоактивные изотопы встречаются всюду — в воздухе, в воде, в почве, в тканях растений и животных, в продуктах питания и в составе человеческого организма. В тканях растений, животных и человека в наибольшем количестве содержатся радиоактивные изотопы калия и углерода.
Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Возможность примешивать к природным химическим элементам их радиоактивные изотопы позволяет следить за различными химическими и физическими процессами, в которых участвует данный элемент, с помощью детекторов радиоактивных излучений. Этот метод получил широкое применение. Иногда примешивают стабильные изотопы, присутствие которых обнаруживают в дальнейшем масс-спектральными методами
В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение A X.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).
В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z Ј 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.
Открытие изотопов, историческая справка.
В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым была открыт периодический закон химических элементов. Одна из трудностей в обосновании понятия элемента как вещества, занимающего определенное место в клетке периодической системы, заключалась в наблюдаемой на опыте нецелочисленности атомных весов элементов. В 1866 английский физик и химик – сэр Вильям Крукс выдвинул гипотезу, что каждый природный химический элемент представляет собой некоторую смесь веществ, одинаковых по своим свойствам, но имеющих разные атомные масс, однако в то время такое предположение не имело еще экспериментального подтверждения и поэтому прошло мало замеченным.
Важным шагом на пути к открытию изотопов стало обнаружение явления радиоактивности и сформулированная Эрнстом Резерфордом и Фредериком Содди гипотеза радиоактивного распада: радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличающийся от исходного. В результате возникло представление о радиоактивных рядах или радиоактивных семействах, в начале которых есть первый материнский элемент, являющийся радиоактивным, и в конце – последний стабильный элемент. Анализ цепочек превращений показал, что в их ходе в одной клеточке периодической системы могут оказываться одни и те же радиоактивные элементы, отличающиеся лишь атомными массами. Фактически это и означало введение понятия изотопов.
Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было затем получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Астона в 1912–1920 с пучками положительно заряженных частиц (или так называемых каналовых лучей), выходящих из разрядной трубки.
В 1919 Астон сконструировал прибор, названный масс-спектрографом (или масс-спектрометром). В качестве источника ионов по-прежнему использовалась разрядная трубка, однако Астон нашел способ, при котором последовательное отклонение пучка частиц в электрическом и магнитном полях приводило к фокусировке частиц с одинаковым значением отношения заряда к массе (независимо от их скорости) в одной и той же точке на экране. Наряду с Астоном масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан американцем Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей к 1935 году была составлена почти полная таблица изотопных составов всех известных к тому времени химических элементов.
Методы разделения изотопов.
Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В обычных масс-спектрометрах достигается практически полное разделение изотопов, однако количество их ничтожно мало. Поэтому усилия ученых и инженеров были направлены на поиски других возможных методов разделения изотопов. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.
Применение изотопов.
В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.
Что такое изотоп?
Хотя все атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, эти атомы могут отличаться числом имеющихся у них нейтронов. Такие различные атомы одного и того же элемента называются изотопами. Количество протонов, а также количество электронов у изотопа и исходного элемента совпадает. По этой причине в природе существует гораздо больше химических элементов, чем указано в таблице Менделеева, которая систематизирует элементы по числу протонов (порядковый номер).
На рисунке выше изображен состав четырех изотопов гелия (Не). Все атомы гелия содержат два протона (и, следовательно, два электрона), но число нейтронов у них может быть разным. В природе большинство атомов гелия имеет два нейтрона (гелий-4) и реже одного раза на миллион встречаются атомы гелия с одним нейтроном (гелий-3). Другие изотопы гелия — гелий-5 , гелий-6 и гелий-8 (не показанный на рисунке) — неустойчивы и обнаруживаются лишь на очень непродолжительное время в ядерных реакциях (подробнее об этом будем говорить еще не скоро). Размеры ядер на рисунке очень сильно увеличены. Если бы они были такими, как это показано на рисунке, диаметр атома должен был достигать примерно 0,5 км.
Пример 1. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме урана-238? Запишите символ этого изотопа.
Решение: Порядковый номер урана (см. таблицу Менделеева) равен 92, а массовое число изотопа равно 238 (по условию). Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 — 92 = 146 нейтронов. Его символ 238 U.
Дефект массы и энергия связи ядра
Затронув тему изотопов, нельзя пройти мимо феномена дефект массы ядра. Когда из отдельных нуклонов образуется атомное ядро, часть их массы превращается в энергию. Другими словами, вот взяли вы щепотку протонов и нейтронов, хорошенько их смяли вместе, и получили ядро, но его масса будет меньше массы исходных компонентов. Это и есть дефект масс. Формула для расчета дефекта массы ядра:
где Mя – масса ядра, Z – число протонов в ядре, N – число нейтронов в ядре, mp – масса протона, mn – масса нейтрона.
Если к атому подвести энергию (которая эквивалентна дефекту масс), то можно разделить его ядро обратно на нуклоны. Эта энергия носит название энергия связи ядра. Формула для расчета энергии связи ядра:
где с — скорость света, ∆m — дефект массы ядра
Проверьте себя, как вы усвоили понятия дефект массы и энергия связи ядра, самостоятельно решив задачу пользуясь формулами выше.
Пример 2. Если образовать атом углерода-12 из субатомных частиц, какое значение будет иметь дефект масс?
Ответ: 0,0990 а.е.м.
Теперь нам известно, что каждый изотоп элемента характеризуется порядковым номером (суммарным числом протонов), массовым числом (суммарным числом протонов и нейтронов) и атомной массой (массой атома, выраженной в атомных единицах массы). Поскольку дефект массы при образовании атома очень мал, массовое число обычно совпадает с атомной массой изотопа, округленной до ближайшего целого числа. (Например, атомная масса хлора-37 равна 36,966, что после округления дает 37.) Если в природе встречается несколько изотопов одного элемента, то экспериментально наблюдаемая атомная масса (естественная атомная масса) равна средневзвешенному значению атомных масс отдельных изотопов. Это средневзвешенное значение определяется соответственно относительному содержанию изотопов в природе. Хлор существует в природе в виде смеси из 75,53% хлора-35 (атомная масса 34,97 а.е.м.) и 24,47% хлора-37 (36,97 а.е.м.), поэтому средневзвешенное значение масс этих изотопов равно
Атомные массы, указанные в таблице Менделеева представляют собой во всех случаях средневзвешенные значения атомных масс изотопов, встречающихся в природе, и именно этими значениями мы будем пользоваться в дальнейшем, за исключением тех случаев, когда будет обсуждаться какой-нибудь конкретный изотоп. Все изотопы одного элемента в химическом отношении ведут себя практически одинаково. На рисунке ниже изображены состав и свойства некоторые атомов, ионов и изотопов элементов.
Пример 3. Магний (Mg) в основном состоит из трех естественных изотопов: 78,70% всех атомов магния имеют атомную массу 23,985 а.е.м., 10,13% — 24,986 а.е.м. и 11,17% — 25,983 а.е.м. Сколько протонов и нейтронов содержится в каждом из этих трех изотопов? Чему равно средневзвешенное значение их атомных масс?
Решение: Все изотопы магния содержат по 12 протонов. Изотоп с атомной массой 23,985 а.е.м. имеет массовое число 24 (суммарное число протонов и нейтронов), следовательно, он имеет 24 — 12 = 12 нейтронов. Символ этого изотопа 24 Mg. Аналогично находим, что изотоп с атомным весом 24,986 а.е.м. имеет массовое число 25, содержит 13 нейтронов и имеет символ 25 Mg. Третий изотоп (25,983 а.е.м.) имеет массовое число 26, содержит 14 нейтронов и имеет символ 26 Mg. Средняя атомная масса магния находится следующим образом:
- (0,7870·23,985 а.е.м.) + (0,1013·24,986 а.е.м.) + (0,1117·25,983 а.е.м.) = 24,31 а.е.м.
Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Для названий и символов изотопов обычно используют названия и символы соответствующих химических элементов.
Верхний индекс указывает массовое число – сумму чисел протонов и нейтронов в ядре.
Нижний индекс – порядковый номер элемента в периодической системе химических элементов.
Изотопы записываются так (например, изотопы калия):
,
Водород имеет три изотопа:
Углерод имеет три изотопа с массой 12, 13, 14, кислород также имеет три изотопа с массой 16, 17, 18.
Изотопы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, называются изобарами.
,
На данный момент науке известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных химических элементов.
Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч и activus – действенный), самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (зачастую – изотоп другого элемента), сопровождаемое испусканием ядер элементарных частиц.
Читайте также: