كرر النقاط الرئيسية لموضوع "المفاهيم الأساسية في الكيمياء" وحل المشكلات المقترحة. استخدم الأرقام 6-17.

الأحكام الأساسية

1. مادة(البسيط والمعقد) هو أي مجموعة من الذرات والجزيئات الموجودة في حالة معينة من التجميع.

تسمى تحولات المواد المصحوبة بتغييرات في تركيبها و (أو) بنيتها التفاعلات الكيميائية .

2. الوحدات الهيكلية مواد:

· ذرة- أصغر جسيم متعادل كهربائيا من عنصر كيميائي أو مادة بسيطة، يمتلك جميع خواصه الكيميائية ومن ثم فهو غير قابل للتجزئة فيزيائيا وكيميائيا.

· مركب- أصغر جسيم متعادل كهربائيا من المادة، يمتلك جميع خواصه الكيميائية، وغير قابل للتجزئة فيزيائيا، ولكنه قابل للقسمة كيميائيا.

3. عنصر كيميائي - هذا نوع من الذرة بشحنة نووية معينة.

4. مُجَمَّع ذرة :

جسيم	كيفية تحديد؟	تكلفة		وزن
		Cl	الوحدات التقليدية		صباحا
الإلكترون	بالترتيب رقم (ن)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
بروتون	بالترتيب رقم (ن)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
نيوترون	آر-ن			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. مُجَمَّع النواة الذرية :

تحتوي النواة على جسيمات أولية ( النيوكليونات) –

البروتونات(1 1 ع ) و النيوترونات(1 0 ن ).

· لأن تتركز كل كتلة الذرة تقريبًا في النواة و م ص ≈ م ن≈ 1 أمو، الذي - التي قيمة مدورةأ صمن عنصر كيميائي يساوي العدد الإجمالي للنيوكليونات في النواة.

7. النظائر- مجموعة متنوعة من ذرات نفس العنصر الكيميائي، تختلف عن بعضها البعض فقط في كتلتها.

· التدوين النظائري: على يسار رمز العنصر يشير إلى العدد الكتلي (أعلى) والعدد الذري للعنصر (أسفل)

· لماذا النظائر لها كتل مختلفة؟

المهمة: تحديد التركيب الذري لنظائر الكلور: 35 17Clو 37 17Cl?

· تختلف كتل النظائر بسبب اختلاف أعداد النيوترونات في نواتها.

8. توجد العناصر الكيميائية في الطبيعة على شكل مخاليط من النظائر.

يتم التعبير عن التركيب النظائري لنفس العنصر الكيميائي بـ الكسور الذرية(ω في.)، والتي تشير إلى الجزء الذي يتكون منه عدد ذرات نظير معين من إجمالي عدد ذرات جميع نظائر عنصر معين، مع اعتباره واحدًا أو 100%.

على سبيل المثال:

ω عند (35 17 الكلورين) = 0.754

ω عند (37 17 الكلورين) = 0.246

9. يوضح الجدول الدوري متوسط ​​قيم الكتل الذرية النسبية للعناصر الكيميائية مع مراعاة تركيبها النظائري. لذلك، Ar المشار إليها في الجدول هي كسرية.

أ صتزوج= ω في 1) ∙ آر (1) + … + ω في.(ن ) ∙ آر ( ن )

على سبيل المثال:

أ صتزوج(Cl) = 0.754 ∙ 35 + 0.246 ∙ 37 = 35.453

10. المشكلة التي يجب حلها:

رقم 1. حدد الكتلة الذرية النسبية للبورون إذا كان من المعروف أن الكسر المولي لنظير 10B هو 19.6%، ونظير 11B هو 80.4%.

11. كتل الذرات والجزيئات صغيرة جداً. وحاليا تم اعتماد نظام قياس موحد في الفيزياء والكيمياء.

1 أمو =م(a.u.m.) = 1/12 م(12 ج) = 1.66057 ∙ 10 -27 كجم = 1.66057 ∙ 10 -24 جم.

الكتل المطلقة لبعض الذرات:

م( ج) =1.99268 ∙ 10 -23 جم

م( ح) =1.67375 ∙ 10 -24 جم

م( يا) =2.656812 ∙ 10 -23 جم

أ ص- يوضح عدد المرات التي تكون فيها ذرة معينة أثقل من 1/12 من ذرة 12C. السيد∙ 1.66 ∙ 10 -27 كجم

13. عدد الذرات والجزيئات في العينات العادية من المواد كبير جداً، لذلك عند توصيف كمية المادة يتم استخدام وحدة القياس -خلد .

· الخلد (ν)– وحدة كمية المادة التي تحتوي على نفس عدد الجزيئات (الجزيئات والذرات والأيونات والإلكترونات) الموجودة في ذرات 12 جم من النظائر 12 ج

· كتلة ذرة واحدة 12 جيساوي 12 amu، وبالتالي فإن عدد الذرات الموجودة في 12 جم من النظائر 12 جيساوي:

ن أ= 12 جم / 12 ∙ 1.66057 ∙ 10 -24 جم = 6.0221 ∙ 10 23

· الكمية الفيزيائية ن أمُسَمًّى ثابت أفوجادرو (عدد أفوجادرو) وله البعد [N A] = مول -1.

14. الصيغ الأساسية:

م = السيد = ρ ∙ جهاز افتراضي(ρ – الكثافة؛ V م – الحجم عند مستوى الصفر)

مشاكل لحلها بشكل مستقل

رقم 1. احسب عدد ذرات النيتروجين في 100 جم من كربونات الأمونيوم التي تحتوي على 10% شوائب غير نيتروجينية.

رقم 2. في الظروف العادية، كتلة 12 لترًا من خليط غاز يتكون من الأمونيا وثاني أكسيد الكربون هي 18 جرامًا، ما عدد اللترات التي يحتوي عليها كل غاز؟

رقم 3. عند تعريضها لحمض الهيدروكلوريك الزائد، يتم إضافة 8.24 جم من خليط أكسيد المنغنيز (رابعا) مع الأكسيد المجهول MO 2، الذي لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك، تم الحصول على 1.344 لترًا من الغاز في الظروف المحيطة. وفي تجربة أخرى تبين أن النسبة المولية لأكسيد المنغنيز (رابعا) إلى الأكسيد المجهول هو 3:1. حدد صيغة الأكسيد المجهول واحسب نسبة كتلته في الخليط.

دراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي لدى العلماء في العقد الأول من القرن العشرين. اكتشف عددًا كبيرًا من المواد المشعة - حوالي 40. وكان عددها أكبر بكثير من الأماكن الحرة في الجدول الدوري للعناصر بين البزموت واليورانيوم. وكانت طبيعة هذه المواد مثيرة للجدل. اعتبرها بعض الباحثين عناصر كيميائية مستقلة، ولكن في هذه الحالة تبين أن مسألة وضعها في الجدول الدوري غير قابلة للذوبان. وحرمهم آخرون بشكل عام من حقهم في أن يطلق عليهم اسم العناصر بالمعنى الكلاسيكي. في عام 1902، أطلق الفيزيائي الإنجليزي د. مارتن على هذه المواد اسم العناصر المشعة. وأثناء دراستها، أصبح من الواضح أن بعض العناصر المشعة لها نفس الخواص الكيميائية تمامًا، ولكنها تختلف في الكتل الذرية. وهذا الظرف يتعارض مع الأحكام الأساسية للقانون الدوري. قام العالم الإنجليزي ف. سودي بحل التناقض. في عام 1913، أطلق على العناصر المشعة المتشابهة كيميائيًا اسم النظائر المشعة (من الكلمات اليونانية التي تعني "نفس" و"مكان")، أي أنها تحتل نفس المكان في الجدول الدوري. وتبين أن العناصر المشعة هي نظائر العناصر المشعة الطبيعية. تم دمجهم جميعًا في ثلاث عائلات مشعة، أسلافها هم نظائر الثوريوم واليورانيوم.

نظائر الأكسجين. إيزوبار البوتاسيوم والأرجون (إيسوبار هي ذرات عناصر مختلفة لها نفس العدد الكتلي).

عدد النظائر المستقرة للعناصر الزوجية والفردية.

وسرعان ما أصبح من الواضح أن العناصر الكيميائية المستقرة الأخرى لها نظائر أيضًا. يعود الفضل الرئيسي في اكتشافهم إلى الفيزيائي الإنجليزي ف. أستون. اكتشف النظائر المستقرة للعديد من العناصر.

من وجهة نظر حديثة، النظائر هي أنواع مختلفة من ذرات العنصر الكيميائي: لها كتل ذرية مختلفة، ولكن لها نفس الشحنة النووية.

وبالتالي فإن نواتها تحتوي على نفس العدد من البروتونات، ولكن أعداد مختلفة من النيوترونات. على سبيل المثال، تحتوي نظائر الأكسجين الطبيعية ذات Z = 8 على 8 و9 و10 نيوترونات في نواتها، على التوالي. يسمى مجموع أعداد البروتونات والنيوترونات في نواة النظير بالرقم الكتلي A. وبالتالي، فإن الأعداد الكتلية لنظائر الأكسجين المشار إليها هي 16 و17 و18. وفي الوقت الحاضر، يتم قبول التسمية التالية للنظائر: يتم إعطاء القيمة Z أدناه على يسار رمز العنصر، ويتم إعطاء القيمة A إلى الجزء العلوي الأيسر على سبيل المثال: 16 8 O، 17 8 O، 18 8 O.

منذ اكتشاف ظاهرة النشاط الإشعاعي الاصطناعي، تم إنتاج ما يقرب من 1800 نظائر مشعة صناعية باستخدام التفاعلات النووية للعناصر ذات Z من 1 إلى 110. والغالبية العظمى من النظائر المشعة الاصطناعية لها نصف عمر قصير جدًا، ويقاس بالثواني وكسور الثواني. ; القليل منها فقط لديه متوسط ​​عمر متوقع طويل نسبيًا (على سبيل المثال، 10 Be - 2.7 10 6 سنوات، 26 Al - 8 10 5 سنوات، وما إلى ذلك).

يتم تمثيل العناصر المستقرة في الطبيعة بحوالي 280 نظيرًا. ومع ذلك، تبين أن بعضها مشع بشكل ضعيف، مع فترات نصف عمر ضخمة (على سبيل المثال، 40 K، 87 Rb، 138 La، l47 Sm، 176 Lu، 187 Re). إن عمر هذه النظائر طويل جدًا بحيث يمكن اعتبارها مستقرة.

لا تزال هناك تحديات كثيرة في عالم النظائر المستقرة. وبالتالي، فمن غير الواضح لماذا يختلف عددها بشكل كبير بين العناصر المختلفة. حوالي 25% من العناصر المستقرة (Be، F، Na، Al، P، Sc، Mn، Co، As، Y، Nb، Rh، I، Cs، Pt، Tb، Ho، Tu، Ta، Au) موجودة في الطبيعة نوع واحد فقط من الذرة. هذه هي ما يسمى العناصر الفردية. ومن المثير للاهتمام أن جميعها (باستثناء Be) لها قيم Z فردية. بشكل عام، بالنسبة للعناصر الفردية، لا يتجاوز عدد النظائر المستقرة اثنين. في المقابل، تتكون بعض العناصر الزوجية Z من عدد كبير من النظائر (على سبيل المثال، Xe لديه 9، Sn لديه 10 نظائر مستقرة).

تسمى مجموعة النظائر المستقرة لعنصر معين بالمجرة. غالبًا ما يتقلب محتواها في المجرة بشكل كبير. ومن المثير للاهتمام ملاحظة أن المحتوى الأعلى هو من النظائر ذات الأعداد الكتلية التي تساوي مضاعفات العدد أربعة (12C، 16O، 20 Ca، وما إلى ذلك)، على الرغم من وجود استثناءات لهذه القاعدة.

إن اكتشاف النظائر المستقرة جعل من الممكن حل اللغز الذي طال أمده بشأن الكتل الذرية - انحرافها عن الأعداد الصحيحة، وهو ما يفسره النسب المئوية المختلفة للنظائر المستقرة للعناصر في المجرة.

في الفيزياء النووية مفهوم "الأيزوبار" معروف. إيزوبار هي نظائر لعناصر مختلفة (أي بقيم Z مختلفة) لها نفس الأعداد الكتلية. ساهمت دراسة الأيزوبار في إنشاء العديد من الأنماط المهمة في سلوك وخصائص النوى الذرية. يتم التعبير عن أحد هذه الأنماط من خلال القاعدة التي صاغها الكيميائي السوفيتي S. A. Shchukarev والفيزيائي الألماني I. Mattauch. تقول: إذا اختلف اثنان من الأيزوبار في قيم Z بمقدار 1، فسيكون أحدهما مشعًا بالتأكيد. المثال الكلاسيكي لزوج من الأيزوبار هو 40 18 Ar - 40 19 K. وفيه يكون نظير البوتاسيوم مشعًا. أتاحت قاعدة ششوكاريف-ماتوش تفسير سبب عدم وجود نظائر مستقرة في عنصري التكنيتيوم (Z = 43) والبروميثيوم (Z = 61). نظرًا لأن لها قيم Z غريبة، فلا يمكن توقع وجود أكثر من نظيرين مستقرين لها. ولكن اتضح أن تساويات التكنيشيوم والبروميثيوم، على التوالي، نظائر الموليبدينوم (Z = 42) والروثينيوم (Z = 44)، والنيوديميوم (Z = 60) والسماريوم (Z = 62)، يتم تمثيلها في الطبيعة بشكل مستقر. أنواع الذرات في نطاق واسع من الأعداد الكتلية. وبالتالي، فإن القوانين الفيزيائية تحظر وجود نظائر مستقرة من التكنيشيوم والبروميثيوم. ولهذا السبب لا توجد هذه العناصر فعليًا في الطبيعة ويجب تصنيعها بشكل مصطنع.

لقد حاول العلماء منذ فترة طويلة تطوير نظام دوري للنظائر. وبطبيعة الحال، فهو يعتمد على مبادئ مختلفة عن أساس الجدول الدوري للعناصر. لكن هذه المحاولات لم تؤد بعد إلى نتائج مرضية. صحيح أن الفيزيائيين أثبتوا أن تسلسل ملء أغلفة البروتونات والنيوترونات في النوى الذرية يشبه من حيث المبدأ بناء الأغلفة الإلكترونية والأغلفة الفرعية في الذرات (انظر الذرة).

يتم إنشاء الأغلفة الإلكترونية لنظائر عنصر معين بنفس الطريقة تمامًا. ولذلك، فإن خصائصها الكيميائية والفيزيائية متطابقة تقريبا. فقط نظائر الهيدروجين (البروتيوم والديوتيريوم) ومركباتها تظهر اختلافات ملحوظة في الخصائص. على سبيل المثال، يتجمد الماء الثقيل (D2O) عند +3.8، ويغلي عند 101.4 درجة مئوية، وتبلغ كثافته 1.1059 جم/سم3، ولا يدعم حياة الحيوانات والكائنات النباتية. أثناء التحليل الكهربي للماء إلى هيدروجين وأكسجين، تتحلل جزيئات H2O بشكل أساسي، بينما تبقى جزيئات الماء الثقيل في المحلل الكهربي.

يعد فصل نظائر العناصر الأخرى مهمة صعبة للغاية. ومع ذلك، في كثير من الحالات، تكون هناك حاجة إلى نظائر العناصر الفردية ذات الوفرة المتغيرة بشكل كبير مقارنة بالوفرة الطبيعية. على سبيل المثال، عند حل مشكلة الطاقة الذرية، أصبح من الضروري فصل النظيرين 235 U و 238 U. ولهذا الغرض، تم استخدام طريقة قياس الطيف الكتلي لأول مرة، والتي تم من خلالها الحصول على الكيلوجرامات الأولى من اليورانيوم -235 في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1944. ومع ذلك، ثبت أن هذه الطريقة مكلفة للغاية وتم استبدالها بطريقة نشر الغاز التي تستخدم سادس فلوريد اليورانيوم. توجد الآن عدة طرق لفصل النظائر، لكنها كلها معقدة ومكلفة للغاية. ومع ذلك، فإن مشكلة "تقسيم ما لا يتجزأ" يتم حلها بنجاح.

لقد ظهر نظام علمي جديد - كيمياء النظائر. تدرس سلوك نظائر العناصر الكيميائية المختلفة في التفاعلات الكيميائية وعمليات تبادل النظائر. ونتيجة لهذه العمليات، يتم إعادة توزيع نظائر عنصر معين بين المواد المتفاعلة. إليك أبسط مثال: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (يستبدل جزيء الماء ذرة البروتيوم بذرة الديوتيريوم). كما تتطور الكيمياء الجيولوجية للنظائر. وهي تدرس الاختلافات في التركيب النظائري للعناصر المختلفة في القشرة الأرضية.

الأكثر استخدامًا هي ما يسمى بالذرات المسمى - النظائر المشعة الاصطناعية للعناصر المستقرة أو النظائر المستقرة. وبالاستعانة بالمؤشرات النظائرية - الذرات المسمى - يقومون بدراسة مسارات حركة العناصر في الطبيعة الجامدة والحية، وطبيعة توزيع المواد والعناصر في الأجسام المختلفة. تستخدم النظائر في التكنولوجيا النووية: كمواد لبناء المفاعلات النووية؛ كوقود نووي (نظائر الثوريوم واليورانيوم والبلوتونيوم)؛ في الاندماج النووي الحراري (الديوتيريوم، 6 لي، 3 هي). كما تستخدم النظائر المشعة على نطاق واسع كمصادر للإشعاع.

ربما لا يوجد شخص على وجه الأرض لم يسمع عن النظائر. ولكن ليس الجميع يعرف ما هو عليه. تبدو عبارة "النظائر المشعة" مخيفة بشكل خاص. هذه العناصر الكيميائية الغريبة ترعب البشرية، لكنها في الواقع ليست مخيفة كما قد تبدو للوهلة الأولى.

تعريف

لفهم مفهوم العناصر المشعة، لا بد من القول أولاً أن النظائر هي عينات من نفس العنصر الكيميائي، ولكن بكتل مختلفة. ماذا يعني ذلك؟ سوف تختفي الأسئلة إذا تذكرنا أولاً بنية الذرة. وهو يتألف من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات. يكون عدد أول جسيمين أوليين في نواة الذرة ثابتًا دائمًا، في حين أن النيوترونات، التي لها كتلة خاصة بها، يمكن أن تتواجد في نفس المادة بكميات مختلفة. يؤدي هذا الظرف إلى ظهور مجموعة متنوعة من العناصر الكيميائية ذات الخصائص الفيزيائية المختلفة.

والآن يمكننا إعطاء تعريف علمي للمفهوم قيد الدراسة. لذا، النظائر هي مجموعة جماعية من العناصر الكيميائية المتشابهة في الخواص، ولكن لها كتل وخواص فيزيائية مختلفة. وفقا لمصطلحات أكثر حداثة، يطلق عليها مجرة ​​النيوكليوتيدات لعنصر كيميائي.

قليلا من التاريخ

في بداية القرن الماضي، اكتشف العلماء أن نفس المركب الكيميائي في ظروف مختلفة يمكن أن يكون له كتل مختلفة من نوى الإلكترون. من وجهة نظر نظرية بحتة، يمكن اعتبار هذه العناصر جديدة ويمكن أن تبدأ في ملء الخلايا الفارغة في الجدول الدوري لـ D. Mendeleev. لكن لا يوجد فيها سوى تسع خلايا حرة، واكتشف العلماء العشرات من العناصر الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الحسابات الرياضية أن المركبات المكتشفة لا يمكن اعتبارها غير معروفة من قبل، لأن خصائصها الكيميائية تتوافق تمامًا مع خصائص المركبات الموجودة.

وبعد مناقشات مطولة، تقرر تسمية هذه العناصر بالنظائر ووضعها في نفس الصندوق الذي تحتوي نواته على نفس عدد الإلكترونات. لقد تمكن العلماء من تحديد أن النظائر ليست سوى بعض الاختلافات في العناصر الكيميائية. ومع ذلك، فقد تمت دراسة أسباب حدوثها ومتوسط ​​العمر المتوقع منذ ما يقرب من قرن من الزمان. حتى في بداية القرن الحادي والعشرين، من المستحيل القول أن البشرية تعرف كل شيء عن النظائر.

التغيرات المستمرة وغير المستقرة

كل عنصر كيميائي له عدة نظائر. نظرًا لوجود نيوترونات حرة في نواتها، فإنها لا تدخل دائمًا في روابط مستقرة مع بقية الذرة. وبعد مرور بعض الوقت، تغادر الجسيمات الحرة النواة، مما يغير كتلتها وخصائصها الفيزيائية. وبهذه الطريقة تتشكل نظائر أخرى، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين مادة ذات عدد متساو من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

وتسمى تلك المواد التي تتحلل بسرعة كبيرة بالنظائر المشعة. فهي تطلق عدداً كبيراً من النيوترونات إلى الفضاء، لتشكل إشعاعات غاما المؤينة القوية، والمعروفة بقوة اختراقها القوية، مما يؤثر سلباً على الكائنات الحية.

النظائر الأكثر استقرارًا ليست مشعة، نظرًا لأن عدد النيوترونات الحرة الصادرة عنها غير قادر على توليد الإشعاع والتأثير بشكل كبير على الذرات الأخرى.

منذ زمن طويل، أنشأ العلماء نمطًا واحدًا مهمًا: كل عنصر كيميائي له نظائره الخاصة، سواء كانت ثابتة أو مشعة. ومن المثير للاهتمام أن العديد منها تم الحصول عليها في ظروف معملية، كما أن وجودها في شكلها الطبيعي يكون صغيرًا ولا يتم اكتشافه دائمًا بواسطة الأجهزة.

التوزيع في الطبيعة

في ظل الظروف الطبيعية، غالبًا ما يتم العثور على المواد التي يتم تحديد كتلة نظائرها بشكل مباشر من خلال الرقم الترتيبي في جدول D. Mendeleev. على سبيل المثال، الهيدروجين، الذي يُشار إليه بالرمز H، له عدد ذري ​​1، وكتلته تساوي واحدًا. نظائره، 2H و3H، نادرة للغاية في الطبيعة.

حتى جسم الإنسان لديه بعض النظائر المشعة. وهي تدخل عن طريق الغذاء على شكل نظائر الكربون، والتي بدورها تمتصها النباتات من التربة أو الهواء وتصبح جزءًا من المادة العضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. لذلك، يصدر البشر والحيوانات والنباتات إشعاعًا خلفيًا معينًا. فقط هو منخفض جدًا بحيث لا يتعارض مع الأداء الطبيعي والنمو.

والمصادر التي تساهم في تكوين النظائر هي الطبقات الداخلية من نواة الأرض والإشعاعات القادمة من الفضاء.

كما تعلم، تعتمد درجة حرارة الكوكب إلى حد كبير على قلبه الساخن. ولكن في الآونة الأخيرة فقط أصبح من الواضح أن مصدر هذه الحرارة هو تفاعل نووي حراري معقد تشارك فيه النظائر المشعة.

الاضمحلال النظائري

نظرًا لأن النظائر عبارة عن تكوينات غير مستقرة، فيمكن الافتراض أنها بمرور الوقت تتحلل دائمًا إلى نوى أكثر ديمومة للعناصر الكيميائية. وهذا البيان صحيح لأن العلماء لم يتمكنوا من اكتشاف كميات هائلة من النظائر المشعة في الطبيعة. ومعظم تلك التي تم استخلاصها في المختبرات استمرت من بضع دقائق إلى عدة أيام، ثم تحولت مرة أخرى إلى عناصر كيميائية عادية.

ولكن هناك أيضًا نظائر في الطبيعة شديدة المقاومة للتحلل. يمكن أن توجد لمليارات السنين. تشكلت هذه العناصر في تلك الأوقات البعيدة، عندما كانت الأرض لا تزال تتشكل، ولم يكن هناك حتى قشرة صلبة على سطحها.

تتحلل النظائر المشعة وتتشكل مرة أخرى بسرعة كبيرة. لذلك، لتسهيل تقييم استقرار النظير، قرر العلماء النظر في فئة نصف عمره.

نصف الحياة

قد لا يكون واضحًا على الفور لجميع القراء ما هو المقصود بهذا المفهوم. دعونا نحدد ذلك. عمر النصف للنظير هو الوقت الذي يتوقف خلاله النصف التقليدي من المادة المأخوذة عن الوجود.

هذا لا يعني أنه سيتم إتلاف بقية الاتصال في نفس المقدار من الوقت. فيما يتعلق بهذا النصف، من الضروري النظر في فئة أخرى - الفترة الزمنية التي سيختفي خلالها الجزء الثاني، أي ربع الكمية الأصلية للمادة. ويستمر هذا الاعتبار إلى ما لا نهاية. يمكن الافتراض أنه من المستحيل ببساطة حساب وقت التحلل الكامل للكمية الأولية من المادة، لأن هذه العملية لا نهاية لها عمليا.

ومع ذلك، فإن العلماء، الذين يعرفون نصف العمر، يمكنهم تحديد مقدار المادة الموجودة في البداية. يتم استخدام هذه البيانات بنجاح في العلوم ذات الصلة.

في العالم العلمي الحديث، لا يتم تطبيق مفهوم الاضمحلال الكامل عمليا. من المعتاد الإشارة إلى نصف عمر كل نظير، والذي يتراوح من بضع ثوانٍ إلى عدة مليارات من السنين. كلما انخفض عمر النصف، كلما زاد الإشعاع الصادر عن المادة وزاد نشاطها الإشعاعي.

إثراء الأحفوري

في بعض فروع العلوم والتكنولوجيا، يعتبر استخدام كميات كبيرة نسبيا من المواد المشعة إلزاميا. ومع ذلك، في ظل الظروف الطبيعية هناك عدد قليل جدا من هذه المركبات.

ومن المعروف أن النظائر هي أنواع غير شائعة من العناصر الكيميائية. يتم قياس عددهم بعدة بالمائة من الصنف الأكثر مقاومة. ولهذا السبب يحتاج العلماء إلى إثراء المواد الأحفورية بشكل مصطنع.

على مر السنين من البحث، تعلمنا أن اضمحلال النظائر يصاحبه تفاعل متسلسل. تبدأ النيوترونات المنطلقة من إحدى المواد في التأثير على مادة أخرى. ونتيجة لذلك، تتفكك النوى الثقيلة إلى أنوية أخف ويتم الحصول على عناصر كيميائية جديدة.

وتسمى هذه الظاهرة بالتفاعل المتسلسل، ونتيجة لذلك يمكن الحصول على نظائر أكثر استقرارًا ولكن أقل شيوعًا، والتي يتم استخدامها لاحقًا في الاقتصاد الوطني.

تطبيق طاقة الاضمحلال

ووجد العلماء أيضًا أنه أثناء تحلل النظائر المشعة، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة المجانية. تقاس كميته عادة بوحدة كوري، وهي تساوي زمن انشطار 1 جرام من الرادون-222 في ثانية واحدة. كلما ارتفع هذا المؤشر، تم إطلاق المزيد من الطاقة.

وكان هذا هو السبب وراء تطوير طرق لاستخدام الطاقة المجانية. هكذا ظهرت المفاعلات الذرية التي يوضع فيها النظائر المشعة. يتم جمع معظم الطاقة المنبعثة منه وتحويلها إلى كهرباء. وبناء على هذه المفاعلات يتم إنشاء محطات الطاقة النووية التي توفر أرخص الكهرباء. يتم تثبيت إصدارات أصغر من هذه المفاعلات على آليات ذاتية الدفع. ونظرا لخطر وقوع حوادث، غالبا ما تستخدم الغواصات كمركبات من هذا القبيل. في حالة فشل المفاعل، سيكون من الأسهل تقليل عدد الضحايا على الغواصة.

خيار آخر مخيف للغاية لاستخدام طاقة نصف العمر هو القنابل الذرية. وخلال الحرب العالمية الثانية، تم اختبارها على البشر في مدينتي هيروشيما وناغازاكي اليابانيتين. وكانت العواقب حزينة للغاية. ولذلك هناك اتفاق في العالم على عدم استخدام هذه الأسلحة الخطيرة. وفي الوقت نفسه، تواصل الدول الكبرى التي تركز على العسكرة أبحاثها في هذا المجال اليوم. بالإضافة إلى ذلك، فإن العديد منهم، سرا من المجتمع الدولي، ينتجون قنابل ذرية، وهي أخطر بآلاف المرات من تلك المستخدمة في اليابان.

النظائر في الطب

ولأغراض سلمية، تعلموا استخدام تحلل النظائر المشعة في الطب. ومن خلال توجيه الإشعاع إلى المنطقة المصابة من الجسم، من الممكن إيقاف مسار المرض أو مساعدة المريض على الشفاء التام.

ولكن في كثير من الأحيان يتم استخدام النظائر المشعة للتشخيص. والحقيقة هي أن حركتها وطبيعة الكتلة يتم تحديدها بسهولة من خلال الإشعاع الذي تنتجه. وهكذا، يتم حقن كمية معينة غير خطرة من المادة المشعة في جسم الإنسان، ويستخدم الأطباء أدوات لمراقبة كيفية دخولها وأين.

وبهذه الطريقة، يقومون بتشخيص عمل الدماغ، وطبيعة الأورام السرطانية، وخصوصيات عمل الغدد الصماء والغدد الإفرازية.

التطبيق في علم الآثار

ومن المعروف أن الكائنات الحية تحتوي دائمًا على الكربون 14 المشع، والذي يبلغ عمر النصف لنظائره 5570 عامًا. بالإضافة إلى ذلك، يعرف العلماء مقدار هذا العنصر الموجود في الجسم حتى لحظة الوفاة. وهذا يعني أن جميع الأشجار المقطوعة تنبعث منها نفس الكمية من الإشعاع. ومع مرور الوقت، تنخفض شدة الإشعاع.

يساعد هذا علماء الآثار في تحديد المدة التي مضت منذ مات الخشب الذي تم بناء المطبخ أو أي سفينة أخرى منه، وبالتالي وقت البناء نفسه. تسمى طريقة البحث هذه بتحليل الكربون المشع. بفضله، يسهل على العلماء إنشاء التسلسل الزمني للأحداث التاريخية.

لقد ثبت أن كل عنصر كيميائي موجود في الطبيعة هو خليط من النظائر (وبالتالي فإن لها كتل ذرية كسرية). لفهم كيفية اختلاف النظائر عن بعضها البعض، من الضروري النظر بالتفصيل في بنية الذرة. تشكل الذرة نواة وسحابة إلكترونية. وتتأثر كتلة الذرة بالإلكترونات التي تتحرك بسرعات مذهلة عبر المدارات الموجودة في السحابة الإلكترونية، والنيوترونات والبروتونات التي تشكل النواة.

ما هي النظائر

النظائرهو نوع من الذرة لعنصر كيميائي. يوجد دائمًا عدد متساوٍ من الإلكترونات والبروتونات في أي ذرة. وبما أن لديهم شحنات معاكسة (الإلكترونات سالبة والبروتونات موجبة)، فإن الذرة تكون محايدة دائمًا (هذا الجسيم الأولي لا يحمل شحنة، فهو صفر). عند فقدان إلكترون أو أسره، تفقد الذرة حيادها، وتصبح إما أيونًا سالبًا أو أيونًا موجبًا.
النيوترونات ليس لها شحنة، ولكن عددها في النواة الذرية لنفس العنصر يمكن أن يختلف. وهذا لا يؤثر بأي حال من الأحوال على حيادية الذرة، لكنه يؤثر على كتلتها وخصائصها. على سبيل المثال، يحتوي أي نظير لذرة الهيدروجين على إلكترون واحد وبروتون واحد. لكن عدد النيوترونات مختلف. يحتوي البروتيوم على نيوترون واحد فقط، ويحتوي الديوتيريوم على نيوترونين، ويحتوي التريتيوم على 3 نيوترونات. تختلف هذه النظائر الثلاثة بشكل ملحوظ في خصائصها.

مقارنة النظائر

كيف تختلف النظائر؟ لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات وكتل مختلفة وخصائص مختلفة. النظائر لها هياكل متطابقة من قذائف الإلكترون. هذا يعني أنهما متشابهان تمامًا في الخواص الكيميائية. لذلك، يتم منحهم مكانًا واحدًا في الجدول الدوري.
تم العثور على نظائر مستقرة ومشعة (غير مستقرة) في الطبيعة. نوى ذرات النظائر المشعة قادرة على التحول تلقائيًا إلى نوى أخرى. أثناء عملية التحلل الإشعاعي، تنبعث منها جزيئات مختلفة.
تحتوي معظم العناصر على أكثر من عشرين نظائر مشعة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيع النظائر المشعة بشكل مصطنع لجميع العناصر على الإطلاق. في خليط طبيعي من النظائر، يختلف محتواها قليلا.
إن وجود النظائر جعل من الممكن فهم السبب الذي يجعل العناصر ذات الكتلة الذرية الأقل تحتوي في بعض الحالات على عدد ذري ​​أعلى من العناصر ذات الكتلة الذرية الأعلى. على سبيل المثال، في زوج الأرجون والبوتاسيوم، يتضمن الأرجون نظائر ثقيلة، ويحتوي البوتاسيوم على نظائر خفيفة. ولذلك فإن كتلة الأرجون أكبر من كتلة البوتاسيوم.

حدد ImGist أن الاختلافات بين النظائر هي كما يلي:

لديهم أعداد مختلفة من النيوترونات.
النظائر لها كتل ذرية مختلفة.
تؤثر قيمة كتلة ذرات الأيونات على إجمالي طاقتها وخصائصها.

حتى الفلاسفة القدماء اقترحوا أن المادة مبنية من الذرات. ومع ذلك، بدأ العلماء يدركون أن "لبنات بناء" الكون نفسها تتكون من جزيئات صغيرة فقط في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين. أنتجت التجارب التي أثبتت ذلك ثورة حقيقية في العلوم في وقت واحد. إن النسبة الكمية للأجزاء المكونة لها هي التي تميز عنصرًا كيميائيًا عن الآخر. ويتم تخصيص مكان لكل منهم حسب الرقم التسلسلي. ولكن هناك أنواعًا مختلفة من الذرات تشغل نفس الخلايا في الجدول، على الرغم من الاختلافات في الكتلة والخصائص. لماذا هذا الأمر وما هي النظائر الموجودة في الكيمياء سيتم مناقشتها بشكل أكبر.

الذرة وجزيئاتها

من خلال دراسة بنية المادة من خلال قصف جسيمات ألفا، أثبت إي. رذرفورد في عام 1910 أن الفضاء الرئيسي للذرة مملوء بالفراغ. وفقط في المركز يوجد اللب. وتتحرك الإلكترونات السالبة حوله في مدارات لتشكل غلاف هذا النظام. هذه هي الطريقة التي تم بها إنشاء نموذج كوكبي لـ "اللبنات الأساسية" للمادة.

ما هي النظائر؟ تذكر من دورة الكيمياء الخاصة بك أن النواة لها أيضًا بنية معقدة. وتتكون من بروتونات موجبة ونيوترونات عديمة الشحنة. يحدد عدد الأول الخصائص النوعية للعنصر الكيميائي. وهو عدد البروتونات التي تميز المواد عن بعضها البعض، مما يعطي نواتها شحنة معينة. وعلى هذا الأساس يتم تخصيص رقم تسلسلي لهم في الجدول الدوري. لكن عدد النيوترونات الموجودة في نفس العنصر الكيميائي يفرقها إلى نظائر. وبالتالي يمكن إعطاء التعريف في الكيمياء لهذا المفهوم على النحو التالي. هذه هي أنواع الذرات التي تختلف في تكوين النواة، ولها نفس الشحنة والعدد الذري، ولكن لها أعداد كتلية مختلفة بسبب الاختلافات في عدد النيوترونات.

التسميات

أثناء دراسة الكيمياء في الصف التاسع والنظائر، سيتعرف الطلاب على الاتفاقيات المقبولة. يشير الحرف Z إلى شحنة النواة. يتطابق هذا الرقم مع عدد البروتونات وبالتالي فهو مؤشرها. مجموع هذه العناصر مع النيوترونات التي تحمل علامة N هو العدد الكتلي A. عادةً ما يتم تحديد عائلة نظائر مادة واحدة برمز ذلك العنصر الكيميائي، والذي يُخصص له في الجدول الدوري رقم تسلسلي يتطابق مع عدد البروتونات الموجودة فيه. يتوافق الخط المرتفع الأيسر المضاف إلى الأيقونة المشار إليها مع العدد الكتلي. على سبيل المثال، 238 يو. تتم الإشارة إلى شحنة عنصر ما (في هذه الحالة، اليورانيوم، المميز بالرقم التسلسلي 92) بمؤشر مماثل أدناه.

وبمعرفة هذه البيانات، يمكنك بسهولة حساب عدد النيوترونات في نظير معين. وهو يساوي العدد الكتلي مطروحًا منه الرقم التسلسلي: 238 - 92 = 146. ويمكن أن يكون عدد النيوترونات أقل، لكن هذا العنصر الكيميائي لن يتوقف عن البقاء يورانيوم. تجدر الإشارة إلى أنه في أغلب الأحيان في المواد الأخرى الأبسط يكون عدد البروتونات والنيوترونات هو نفسه تقريبًا. تساعد هذه المعلومات على فهم ماهية النظائر في الكيمياء.

النيوكليونات

إن عدد البروتونات هو الذي يعطي عنصرًا معينًا فرديته، ولا يؤثر عدد النيوترونات عليه بأي شكل من الأشكال. لكن الكتلة الذرية تتكون من هذين العنصرين المحددين، اللذين لهما الاسم الشائع "النيوكليونات"، وهو ما يمثل مجموعهما. ومع ذلك، فإن هذا المؤشر لا يعتمد على تلك التي تشكل قذيفة الذرة المشحونة سلبا. لماذا؟ كل ما عليك فعله هو المقارنة.

جزء كتلة البروتون في الذرة كبير ويصل إلى حوالي 1 أ. م أو 1.672 621 898 (21) 10 -27 كجم. النيوترون قريب من أداء هذا الجسيم (1.674927471(21)·10 -27 كجم). لكن كتلة الإلكترون أصغر بآلاف المرات، وتعتبر غير ذات أهمية ولا تؤخذ في الاعتبار. لهذا السبب، بمعرفة الحرف العلوي لعنصر ما في الكيمياء، ليس من الصعب اكتشاف تكوين نواة النظائر.

نظائر الهيدروجين

نظائر بعض العناصر معروفة جيدًا وواسعة الانتشار في الطبيعة لدرجة أنها حصلت على أسمائها الخاصة. وأبرز وأبسط مثال على ذلك هو الهيدروجين. يوجد بشكل طبيعي في شكله الأكثر شيوعًا، البروتيوم. هذا العنصر له عدد كتلي 1، وتتكون نواته من بروتون واحد.

إذن ما هي نظائر الهيدروجين في الكيمياء؟ وكما هو معروف فإن ذرات هذه المادة لها الرقم الأول في الجدول الدوري، وبالتالي فهي تتمتع برقم شحنة 1 في الطبيعة، لكن عدد النيوترونات في نواة الذرة يختلف. الديوتيريوم، كونه هيدروجينًا ثقيلًا، بالإضافة إلى البروتون، لديه جسيم آخر في نواته، وهو النيوترون. ونتيجة لذلك، فإن هذه المادة لها خصائصها الفيزيائية الخاصة، على عكس البروتيوم، الذي له وزنه ونقاط انصهاره وغليانه.

التريتيوم

التريتيوم هو الأكثر تعقيدًا على الإطلاق. هذا هو الهيدروجين فائق الثقل. وفقًا لتعريف النظائر في الكيمياء، فإن عدد شحنته هو 1، لكن عدد كتلته هو 3. وغالبًا ما يطلق عليه تريتون لأنه بالإضافة إلى بروتون واحد، فإنه يحتوي على نيوترونين في نواته، أي أنه يتكون من من ثلاثة عناصر. تم اقتراح اسم هذا العنصر، الذي اكتشفه رذرفورد وأوليفانت وهارتيك عام 1934، حتى قبل اكتشافه.

هذه مادة غير مستقرة تظهر خصائص مشعة. جوهرها لديه القدرة على الانقسام إلى جسيم بيتا وإلكترون مضاد النيوترينو. طاقة الاضمحلال لهذه المادة ليست عالية جدًا وتبلغ 18.59 كيلو إلكترون فولت. ولذلك، فإن مثل هذا الإشعاع ليس خطيرا جدا على البشر. الملابس العادية والقفازات الجراحية يمكن أن تحمي من ذلك. وهذا العنصر المشع الذي يتم الحصول عليه من الطعام يتم التخلص منه بسرعة من الجسم.

نظائر اليورانيوم

والأخطر من ذلك بكثير هي أنواع اليورانيوم المختلفة، التي يعرف العلم حاليا 26 منها. لذلك، عند الحديث عن النظائر الموجودة في الكيمياء، من المستحيل عدم ذكر هذا العنصر. على الرغم من تنوع أنواع اليورانيوم، إلا أن هناك ثلاثة نظائر فقط موجودة في الطبيعة. وتشمل هذه 234 يو، 235 يو، 238 يو. أولها، له خصائص مناسبة، يستخدم بنشاط كوقود في المفاعلات النووية. والأخير مخصص لإنتاج البلوتونيوم 239، والذي بدوره لا يمكن استبداله كوقود قيم.

ويتميز كل عنصر من العناصر المشعة بخصائصه الخاصة، وهي المدة الزمنية التي تنقسم خلالها المادة إلى نسبة ½. أي أنه نتيجة لهذه العملية تنخفض كمية الجزء المتبقي من المادة إلى النصف. هذه الفترة الزمنية ضخمة بالنسبة لليورانيوم. على سبيل المثال، بالنسبة للنظير 234، يقدر بـ 270 ألف سنة، ولكن بالنسبة للنوعين الآخرين المحددين، فهو أكثر أهمية بكثير. يتمتع اليورانيوم 238 بنصف عمر قياسي، يدوم مليارات السنين.

النويدات

ليس كل نوع من الذرات، الذي يتميز بعدد خاص به ومحدد بدقة من البروتونات والإلكترونات، يكون مستقرًا بدرجة تجعله موجودًا لفترة طويلة كافية لدراسته على الأقل. تسمى تلك المستقرة نسبيًا بالنويدات. التكوينات المستقرة من هذا النوع لا تخضع للتحلل الإشعاعي. تسمى النويدات غير المستقرة بالنويدات المشعة، وتنقسم بدورها إلى قصيرة العمر وطويلة العمر. كما تعلم من دروس الكيمياء للصف الحادي عشر حول بنية ذرات النظائر، فإن الأوسيميوم والبلاتين يحتويان على أكبر عدد من النويدات المشعة. يحتوي كل من الكوبالت والذهب على نويدة واحدة ثابتة، ويحتوي القصدير على أكبر عدد من النويدات المستقرة.

حساب العدد الذري للنظير

الآن سنحاول تلخيص المعلومات الموضحة سابقًا. بعد أن فهمنا ما هي النظائر الموجودة في الكيمياء، فقد حان الوقت لمعرفة كيفية استخدام المعرفة المكتسبة. دعونا ننظر إلى هذا بمثال محدد. لنفترض أنه من المعروف أن عنصرًا كيميائيًا معينًا لديه العدد الكتلي 181. علاوة على ذلك، يحتوي غلاف ذرة هذه المادة على 73 إلكترونًا. كيف يمكنك استخدام الجدول الدوري لمعرفة اسم عنصر معين، وكذلك عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواته؟

لنبدأ في حل المشكلة. يمكنك تحديد اسم المادة من خلال معرفة رقمها التسلسلي الذي يتوافق مع عدد البروتونات. وبما أن عدد الشحنات الموجبة والسالبة في الذرة متساوي، فهي 73. وهذا يعني أنها التنتالوم. علاوة على ذلك، فإن إجمالي عدد النيوكليونات هو 181، مما يعني أن بروتونات هذا العنصر هي 181 - 73 = 108. الأمر بسيط للغاية.

نظائر الغاليوم

عنصر الغاليوم له العدد الذري 71. في الطبيعة، هذه المادة لها نظيران - 69 جرام و 71 جرام. كيفية تحديد النسبة المئوية لأنواع الغاليوم؟

يتضمن حل المشكلات المتعلقة بالنظائر في الكيمياء دائمًا معلومات يمكن الحصول عليها من الجدول الدوري. هذه المرة يجب عليك أن تفعل الشيء نفسه. دعونا نحدد متوسط ​​الكتلة الذرية من المصدر المشار إليه. ويساوي 69.72. بعد أن حددنا x وy النسبة الكمية للنظيرين الأول والثاني، نأخذ مجموعهما يساوي 1. وهذا يعني أن ذلك سيتم كتابته في شكل معادلة: x + y = 1. ويترتب على ذلك 69x + 71y = 69.72. بالتعبير عن y بدلالة x واستبدال المعادلة الأولى في المعادلة الثانية، نجد أن x = 0.64 و y = 0.36. وهذا يعني أن 69 جيجا يوجد في الطبيعة 64%، ونسبة 71 جيجا هي 34%.

التحولات النظائرية

ينقسم الانشطار الإشعاعي للنظائر مع تحولها إلى عناصر أخرى إلى ثلاثة أنواع رئيسية. أول هذه العناصر هو اضمحلال ألفا. ويحدث مع انبعاث جسيم يمثل نواة ذرة الهيليوم. أي أن هذا تكوين يتكون من مزيج من أزواج النيوترونات والبروتونات. وبما أن كمية الأخير تحدد عدد الشحنة وعدد ذرة المادة في الجدول الدوري، ونتيجة لهذه العملية يحدث تحول نوعي لعنصر إلى آخر، وفي الجدول ينتقل إلى اليسار بمقدار خليتين. في هذه الحالة، ينخفض ​​العدد الكتلي للعنصر بمقدار 4 وحدات. نحن نعرف هذا من خلال بنية ذرات النظائر.

عندما تفقد نواة الذرة جسيم بيتا، وهو في الأساس إلكترون، يتغير تركيبها. يتحول أحد النيوترونات إلى بروتون. وهذا يعني أن الخصائص النوعية للمادة تتغير مرة أخرى، ويتحرك العنصر في الجدول خلية واحدة إلى اليمين، دون فقدان الوزن عمليا. عادةً ما يرتبط هذا التحول بإشعاع جاما الكهرومغناطيسي.

تحويل نظائر الراديوم

تساعد المعلومات والمعرفة المذكورة أعلاه من كيمياء الصف الحادي عشر حول النظائر مرة أخرى في حل المشكلات العملية. على سبيل المثال ما يلي: 226 Ra أثناء الاضمحلال يتحول إلى عنصر كيميائي من المجموعة الرابعة، عدده الكتلي 206. ما عدد جسيمات ألفا وبيتا التي يجب أن يخسرها؟

مع الأخذ في الاعتبار التغيرات في كتلة ومجموعة العنصر الابن، باستخدام الجدول الدوري، من السهل تحديد أن النظير المتكون أثناء الانقسام سيكون من الرصاص بشحنة 82 وعدد كتلي 206. ومع الأخذ في الاعتبار وبحساب رقم شحنة هذا العنصر والراديوم الأصلي، ينبغي افتراض أن نواته فقدت خمسة جسيمات ألفا وأربعة جسيمات بيتا.

استخدام النظائر المشعة

الجميع يدرك جيدًا الضرر الذي يمكن أن يسببه الإشعاع للكائنات الحية. ومع ذلك، فإن خصائص النظائر المشعة يمكن أن تكون مفيدة للبشر. يتم استخدامها بنجاح في العديد من الصناعات. وبمساعدتهم، من الممكن اكتشاف التسريبات في الهياكل الهندسية والإنشائية وخطوط الأنابيب تحت الأرض وخطوط أنابيب النفط وصهاريج التخزين والمبادلات الحرارية في محطات الطاقة.

وتستخدم هذه الخصائص أيضًا بنشاط في التجارب العلمية. على سبيل المثال، تعتبر ذبابة تسي تسي حاملة للعديد من الأمراض الخطيرة للإنسان والماشية والحيوانات الأليفة. ولمنع ذلك يتم تعقيم ذكور هذه الحشرات باستخدام إشعاعات ضعيفة. كما أن النظائر لا غنى عنها في دراسة آليات بعض التفاعلات الكيميائية، لأن ذرات هذه العناصر يمكن استخدامها لتسمية الماء والمواد الأخرى.

غالبًا ما تستخدم النظائر الموسومة أيضًا في الأبحاث البيولوجية. على سبيل المثال، تم تحديد كيفية تأثير الفوسفور على التربة ونمو وتطور النباتات المزروعة. كما يتم استخدام خصائص النظائر بنجاح في الطب، مما جعل من الممكن علاج الأورام السرطانية وغيرها من الأمراض الخطيرة وتحديد عمر الكائنات البيولوجية.