Gentag hovedpunkterne i emnet "Grundlæggende begreber for kemi" og løs de foreslåede problemer. Brug nr. 6-17.

Grundlæggende bestemmelser

1. Stof(simpel og kompleks) er enhver samling af atomer og molekyler placeret i en bestemt aggregeringstilstand.

Transformationer af stoffer ledsaget af ændringer i deres sammensætning og (eller) struktur kaldes kemiske reaktioner .

2. Strukturelle enheder stoffer:

· Atom- den mindste elektrisk neutrale partikel af et kemisk grundstof eller et simpelt stof, der har alle dets kemiske egenskaber og derefter fysisk og kemisk udelelige.

· Molekyle- den mindste elektrisk neutrale partikel af et stof, der besidder alle dets kemiske egenskaber, fysisk udelelige, men kemisk delelige.

3. Kemisk grundstof - Dette er en type atom med en vis kerneladning.

4. Forbindelse atom :

Partikel	Hvordan bestemmer man?	Oplade		Vægt
		Cl	konventionelle enheder		a.e.m.
Elektron	Ved ordinal Nummer (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Proton	Ved ordinal nummer (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Neutron	Ar-N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Forbindelse atomkerne :

Kernen indeholder elementarpartikler ( nukleoner) –

protoner(1 1 p ) og neutroner(10n).

· Fordi Næsten al massen af ​​et atom er koncentreret i kernen og m p ≈ m n≈ 1 amu, At afrundet værdiA raf et kemisk grundstof er lig med det samlede antal nukleoner i kernen.

7. Isotoper- en række atomer af det samme kemiske grundstof, der kun adskiller sig fra hinanden i deres masse.

· Isotopnotation: til venstre for grundstofsymbolet angiver grundstoffets massenummer (øverst) og atomnummer (nederst)

· Hvorfor har isotoper forskellige masser?

Opgave: Bestem atomsammensætningen af ​​chlorisotoper: 35 17Clog 37 17Cl?

· Isotoper har forskellige masser på grund af forskelligt antal neutroner i deres kerner.

8. I naturen findes kemiske grundstoffer i form af blandinger af isotoper.

Den isotopiske sammensætning af det samme kemiske grundstof er udtrykt i atomare fraktioner(ω at.), som angiver, hvilken del antallet af atomer i en given isotop udgør af det samlede antal atomer af alle isotoper af et givet grundstof, taget som en eller 100%.

For eksempel:

ω ved (35 17 Cl) = 0,754

ω ved (37 17 Cl) = 0,246

9. Det periodiske system viser gennemsnitsværdierne af de relative atommasser af kemiske elementer under hensyntagen til deres isotopsammensætning. Derfor er Ar angivet i tabellen brøkdele.

A rons= ω kl. (1) ∙ Ar (1) + … + ω på.(n ) ∙ Ar ( n )

For eksempel:

A rons(Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

10. Problem at løse:

nr. 1. Bestem den relative atommasse af bor, hvis det er kendt, at molfraktionen af ​​10 B-isotopen er 19,6 %, og 11 B-isotopen er 80,4 %.

11. Masserne af atomer og molekyler er meget små. I øjeblikket er et samlet målesystem blevet vedtaget i fysik og kemi.

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

Absolutte masser af nogle atomer:

m( C) = 1,99268 ∙ 10-23 g

m( H) = 1,67375 ∙ 10-24 g

m( O) =2,656812 ∙ 10-23 g

A r– viser hvor mange gange et givet atom er tungere end 1/12 af et 12 C-atom. Hr∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Antallet af atomer og molekyler i almindelige prøver af stoffer er meget stort, derfor, når man karakteriserer mængden af ​​et stof, bruges måleenheden -muldvarp .

· Muldvarp (ν)– en mængdeenhed af et stof, der indeholder det samme antal partikler (molekyler, atomer, ioner, elektroner), som der er atomer i 12 g isotop 12 C

· Masse af 1 atom 12 C er lig med 12 amu, så antallet af atomer i 12 g isotop 12 C lige med:

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

· Fysisk mængde N A hedder Avogadros konstant (Avogadros tal) og har dimensionen [NA] = mol -1.

14. Grundlæggende formler:

M = Hr = ρ ∙ Vm(ρ – tæthed; V m – volumen ved nul niveau)

Problemer, der skal løses selvstændigt

nr. 1. Beregn antallet af nitrogenatomer i 100 g ammoniumcarbonat indeholdende 10 % ikke-nitrogen urenheder.

nr. 2. Under normale forhold har 12 liter af en gasblanding bestående af ammoniak og kuldioxid en masse på 18 g. Hvor mange liter af hver gas indeholder blandingen?

nr. 3. Når de udsættes for overskydende saltsyre, 8,24 g af en blanding af manganoxid (IV) med det ukendte oxid M02, som ikke reagerer med saltsyre, blev der opnået 1,344 liter gas ved omgivende betingelser. I et andet eksperiment blev det fastslået, at molforholdet mellem manganoxid (IV) til det ukendte oxid er 3:1. Bestem formlen for det ukendte oxid og beregn dets massefraktion i blandingen.

At studere fænomenet radioaktivitet, videnskabsmænd i det første årti af det 20. århundrede. opdaget en lang række radioaktive stoffer - omkring 40. Dem var der betydeligt flere af, end der var frie pladser i grundstoffernes periodiske system mellem bismuth og uran. Arten af ​​disse stoffer har været kontroversiel. Nogle forskere anså dem for at være uafhængige kemiske grundstoffer, men i dette tilfælde viste spørgsmålet om deres placering i det periodiske system sig at være uopløseligt. Andre nægtede dem generelt retten til at blive kaldt elementer i klassisk forstand. I 1902 kaldte den engelske fysiker D. Martin sådanne stoffer for radioelementer. Da de blev undersøgt, blev det klart, at nogle radioelementer har nøjagtig de samme kemiske egenskaber, men adskiller sig i atommasse. Denne omstændighed var i modstrid med de grundlæggende bestemmelser i den periodiske lov. Den engelske videnskabsmand F. Soddy løste modsigelsen. I 1913 kaldte han kemisk lignende radioelementer isotoper (fra græske ord, der betyder "samme" og "sted"), det vil sige, at de indtager samme plads i det periodiske system. Radioelementerne viste sig at være isotoper af naturlige radioaktive grundstoffer. Alle af dem er kombineret i tre radioaktive familier, hvis forfædre er isotoper af thorium og uran.

Isotoper af oxygen. Isobarer af kalium og argon (isobarer er atomer af forskellige grundstoffer med samme massetal).

Antal stabile isotoper for lige og ulige elementer.

Det blev hurtigt klart, at andre stabile kemiske grundstoffer også har isotoper. Hovedæren for deres opdagelse tilhører den engelske fysiker F. Aston. Han opdagede stabile isotoper af mange grundstoffer.

Fra et moderne synspunkt er isotoper varianter af atomer af et kemisk element: de har forskellige atommasser, men den samme nukleare ladning.

Deres kerner indeholder altså det samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner. For eksempel indeholder naturlige isotoper af oxygen med Z = 8 henholdsvis 8, 9 og 10 neutroner i deres kerner. Summen af ​​antallet af protoner og neutroner i kernen af ​​en isotop kaldes massetallet A. Følgelig er massetallene for de angivne iltisotoper 16, 17 og 18. I dag accepteres følgende betegnelse for isotoper: værdien Z er angivet nedenfor til venstre for elementsymbolet, værdien A er angivet øverst til venstre. For eksempel: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Siden opdagelsen af ​​fænomenet kunstig radioaktivitet er der produceret cirka 1.800 kunstige radioaktive isotoper ved hjælp af kernereaktioner for grundstoffer med Z fra 1 til 110. Langt de fleste kunstige radioisotoper har meget korte halveringstider, målt i sekunder og brøkdele af sekunder ; kun få har en forholdsvis lang levetid (f.eks. 10 Be - 2,7 10 6 år, 26 Al - 8 10 5 år osv.).

Stabile grundstoffer er repræsenteret i naturen af ​​cirka 280 isotoper. Nogle af dem viste sig dog at være svagt radioaktive med enorme halveringstider (for eksempel 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Levetiden for disse isotoper er så lang, at de kan betragtes som stabile.

Der er stadig mange udfordringer i verden af ​​stabile isotoper. Det er således uklart, hvorfor deres antal varierer så meget mellem forskellige elementer. Omkring 25 % af de stabile grundstoffer (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) er til stede i naturen kun én type atom. Det er de såkaldte enkeltelementer. Det er interessant, at de alle (undtagen Be) har ulige Z-værdier. Generelt for ulige elementer overstiger antallet af stabile isotoper ikke to. I modsætning hertil består nogle lige-Z-elementer af et stort antal isotoper (for eksempel har Xe 9, Sn har 10 stabile isotoper).

Sættet af stabile isotoper af et givet grundstof kaldes en galakse. Deres indhold i galaksen svinger ofte meget. Det er interessant at bemærke, at det højeste indhold er af isotoper med massetal, der er multipla af fire (12 C, 16 O, 20 Ca osv.), selvom der er undtagelser fra denne regel.

Opdagelsen af ​​stabile isotoper gjorde det muligt at løse det mangeårige mysterium om atommasser - deres afvigelse fra hele tal, forklaret med de forskellige procentdele af stabile isotoper af grundstoffer i galaksen.

I kernefysik er begrebet "isobarer" kendt. Isobarer er isotoper af forskellige grundstoffer (det vil sige med forskellige Z-værdier), som har de samme massetal. Studiet af isobarer bidrog til etableringen af ​​mange vigtige mønstre i atomkerners adfærd og egenskaber. Et af disse mønstre er udtrykt af reglen formuleret af den sovjetiske kemiker S. A. Shchukarev og den tyske fysiker I. Mattauch. Den siger: hvis to isobarer adskiller sig i Z-værdier med 1, så vil en af ​​dem helt sikkert være radioaktiv. Et klassisk eksempel på et par isobarer er 40 18 Ar - 40 19 K. I det er kaliumisotopen radioaktiv. Shchukarev-Mattauch-reglen gjorde det muligt at forklare, hvorfor der ikke er stabile isotoper i grundstofferne technetium (Z = 43) og promethium (Z = 61). Da de har ulige Z-værdier, kunne der ikke forventes mere end to stabile isotoper for dem. Men det viste sig, at isobarerne af technetium og promethium, henholdsvis isotoper af molybdæn (Z = 42) og ruthenium (Z = 44), neodym (Z = 60) og samarium (Z = 62), er repræsenteret i naturen ved stabile sorter af atomer i en bred vifte af massetal. Således forbyder fysiske love eksistensen af ​​stabile isotoper af technetium og promethium. Dette er grunden til, at disse elementer faktisk ikke eksisterer i naturen og skulle syntetiseres kunstigt.

Forskere har længe forsøgt at udvikle et periodisk system af isotoper. Det er naturligvis baseret på andre principper end grundlaget for det periodiske system af grundstoffer. Men disse forsøg har endnu ikke ført til tilfredsstillende resultater. Det er sandt, at fysikere har bevist, at sekvensen af ​​fyldning af proton- og neutronskaller i atomkerner i princippet ligner konstruktionen af ​​elektronskaller og underskaller i atomer (se Atom).

Elektronskallene af isotoper af et givet grundstof er konstrueret på nøjagtig samme måde. Derfor er deres kemiske og fysiske egenskaber næsten identiske. Kun brintisotoper (protium og deuterium) og deres forbindelser udviser mærkbare forskelle i egenskaber. For eksempel fryser tungt vand (D 2 O) ved +3,8, koger ved 101,4 ° C, har en massefylde på 1,1059 g/cm 3 og understøtter ikke livet af dyr og planteorganismer. Under elektrolysen af ​​vand til brint og oxygen nedbrydes overvejende H 2 0 molekyler, mens tungt vands molekyler forbliver i elektrolysatoren.

At adskille isotoper af andre grundstoffer er en ekstremt vanskelig opgave. Men i mange tilfælde kræves isotoper af individuelle grundstoffer med væsentligt ændrede forekomster sammenlignet med naturlig forekomst. For eksempel, når man løser problemet med atomenergi, blev det nødvendigt at adskille isotoperne 235 U og 238 U. Til dette formål blev massespektrometrimetoden først brugt, ved hjælp af hvilken de første kilogram uran-235 blev opnået i USA i 1944. Denne metode viste sig dog at være for dyr og blev erstattet af gasdiffusionsmetoden, som brugte UF 6. Der er nu flere metoder til at adskille isotoper, men de er alle ret komplekse og dyre. Og alligevel bliver problemet med at "dele det uadskillelige" løst med succes.

En ny videnskabelig disciplin er opstået - isotopkemi. Hun studerer adfærden af ​​forskellige isotoper af kemiske grundstoffer i kemiske reaktioner og isotopudvekslingsprocesser. Som et resultat af disse processer omfordeles et givet grundstofs isotoper mellem de reagerende stoffer. Her er det enkleste eksempel: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (et vandmolekyle udskifter et protiumatom med et deuteriumatom). Isotopers geokemi er også under udvikling. Hun studerer variationer i den isotopiske sammensætning af forskellige grundstoffer i jordskorpen.

De mest anvendte er såkaldte mærkede atomer - kunstige radioaktive isotoper af stabile grundstoffer eller stabile isotoper. Ved hjælp af isotopiske indikatorer - mærkede atomer - studerer de elementernes bevægelsesveje i den livløse og levende natur, arten af ​​fordelingen af ​​stoffer og elementer i forskellige objekter. Isotoper bruges i nuklear teknologi: som materialer til konstruktion af atomreaktorer; som nukleart brændsel (isotoper af thorium, uran, plutonium); i termonuklear fusion (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktive isotoper er også meget brugt som strålingskilder.

Der er nok ikke en person på jorden, der ikke har hørt om isotoper. Men ikke alle ved, hvad det er. Udtrykket "radioaktive isotoper" lyder særligt skræmmende. Disse mærkelige kemiske elementer skræmmer menneskeheden, men i virkeligheden er de ikke så skræmmende, som de kan virke ved første øjekast.

Definition

For at forstå begrebet radioaktive grundstoffer er det nødvendigt først at sige, at isotoper er prøver af det samme kemiske grundstof, men med forskellige masser. Hvad betyder det? Spørgsmålene forsvinder, hvis vi først husker atomets struktur. Den består af elektroner, protoner og neutroner. Antallet af de to første elementarpartikler i et atoms kerne er altid konstant, mens neutroner, som har deres egen masse, kan forekomme i det samme stof i forskellige mængder. Denne omstændighed giver anledning til en række kemiske grundstoffer med forskellige fysiske egenskaber.

Nu kan vi give en videnskabelig definition af begrebet under undersøgelse. Så isotoper er et kollektivt sæt af kemiske elementer, der er ens i egenskaber, men har forskellige masser og fysiske egenskaber. Ifølge mere moderne terminologi kaldes de en galakse af nukleotider af et kemisk grundstof.

Lidt historie

I begyndelsen af ​​forrige århundrede opdagede videnskabsmænd, at den samme kemiske forbindelse under forskellige forhold kan have forskellige masser af elektronkerner. Fra et rent teoretisk synspunkt kunne sådanne elementer betragtes som nye, og de kunne begynde at fylde tomme celler i D. Mendeleevs periodiske system. Men der er kun ni frie celler i det, og videnskabsmænd opdagede snesevis af nye elementer. Derudover viste matematiske beregninger, at de opdagede forbindelser ikke kan betragtes som hidtil ukendte, fordi deres kemiske egenskaber fuldt ud svarede til de eksisterende egenskaber.

Efter lange diskussioner blev det besluttet at kalde disse grundstoffer isotoper og placere dem i samme boks som dem, hvis kerner indeholder det samme antal elektroner. Forskere har været i stand til at fastslå, at isotoper blot er nogle variationer af kemiske grundstoffer. Men årsagerne til deres forekomst og forventet levetid er blevet undersøgt i næsten et århundrede. Selv i begyndelsen af ​​det 21. århundrede er det umuligt at sige, at menneskeheden ved absolut alt om isotoper.

Vedvarende og ustabile variationer

Hvert kemisk grundstof har flere isotoper. På grund af det faktum, at der er frie neutroner i deres kerner, indgår de ikke altid i stabile bindinger med resten af ​​atomet. Efter nogen tid forlader frie partikler kernen, hvilket ændrer dens masse og fysiske egenskaber. På den måde dannes andre isotoper, som i sidste ende fører til dannelsen af ​​et stof med lige mange protoner, neutroner og elektroner.

De stoffer, der henfalder meget hurtigt, kaldes radioaktive isotoper. De frigiver et stort antal neutroner ud i rummet og danner kraftig ioniserende gammastråling, kendt for sin stærke gennemtrængende kraft, som påvirker levende organismer negativt.

Mere stabile isotoper er ikke radioaktive, da antallet af frie neutroner frigivet af dem ikke er i stand til at generere stråling og signifikant påvirke andre atomer.

For ganske lang tid siden etablerede videnskabsmænd et vigtigt mønster: hvert kemisk element har sine egne isotoper, persistente eller radioaktive. Interessant nok blev mange af dem opnået under laboratorieforhold, og deres tilstedeværelse i naturlig form er lille og detekteres ikke altid af instrumenter.

Udbredelse i naturen

Under naturlige forhold findes stoffer oftest, hvis isotopmasse er direkte bestemt af dets ordenstal i D. Mendeleevs tabel. For eksempel har brint, betegnet med symbolet H, et atomnummer på 1, og dets masse er lig med en. Dens isotoper, 2H og 3H, er ekstremt sjældne i naturen.

Selv den menneskelige krop har nogle radioaktive isotoper. De kommer ind gennem føden i form af kulstofisotoper, som igen absorberes af planter fra jorden eller luften og bliver en del af organisk stof under fotosynteseprocessen. Derfor udsender mennesker, dyr og planter en vis baggrundsstråling. Kun den er så lav, at den ikke forstyrrer normal funktion og vækst.

De kilder, der bidrager til dannelsen af ​​isotoper, er de indre lag af jordens kerne og stråling fra rummet.

Som du ved, afhænger temperaturen på en planet i høj grad af dens varme kerne. Men først for ganske nylig blev det klart, at kilden til denne varme er en kompleks termonuklear reaktion, hvori radioaktive isotoper deltager.

Isotopisk henfald

Da isotoper er ustabile formationer, kan det antages, at de over tid altid henfalder til mere permanente kerner af kemiske grundstoffer. Dette udsagn er sandt, fordi videnskabsmænd ikke har været i stand til at opdage enorme mængder af radioaktive isotoper i naturen. Og de fleste af dem, der blev udvundet i laboratorier, varede fra et par minutter til flere dage og blev derefter tilbage til almindelige kemiske grundstoffer.

Men der er også isotoper i naturen, som viser sig at være meget modstandsdygtige over for forfald. De kan eksistere i milliarder af år. Sådanne elementer blev dannet i de fjerne tider, hvor jorden stadig blev dannet, og der ikke engang var en fast skorpe på dens overflade.

Radioaktive isotoper henfalder og dannes igen meget hurtigt. For at lette vurderingen af ​​isotopens stabilitet besluttede forskere derfor at overveje kategorien af ​​dens halveringstid.

Halvt liv

Det er måske ikke umiddelbart klart for alle læsere, hvad der menes med dette koncept. Lad os definere det. Halveringstiden for en isotop er den tid, hvor en konventionel halvdel af det indtagne stof ophører med at eksistere.

Det betyder ikke, at resten af ​​forbindelsen vil blive ødelagt inden for samme tid. I forhold til denne halvdel er det nødvendigt at overveje en anden kategori - den periode, hvor dens anden del, det vil sige en fjerdedel af den oprindelige mængde stof, forsvinder. Og denne betragtning fortsætter i det uendelige. Det kan antages, at det simpelthen er umuligt at beregne tiden for fuldstændig opløsning af den oprindelige mængde af et stof, da denne proces er praktisk talt uendelig.

Forskere, der kender halveringstiden, kan dog bestemme, hvor meget af stoffet der fandtes i begyndelsen. Disse data bruges med succes i relaterede videnskaber.

I den moderne videnskabelige verden bruges begrebet fuldstændigt forfald praktisk talt ikke. For hver isotop er det sædvanligt at angive dens halveringstid, som varierer fra få sekunder til mange milliarder år. Jo lavere halveringstid, jo mere stråling kommer der fra stoffet og jo højere er dets radioaktivitet.

Fossil beneficiation

I nogle grene af videnskab og teknologi anses brugen af ​​relativt store mængder radioaktive stoffer for obligatorisk. Men under naturlige forhold er der meget få sådanne forbindelser.

Det er kendt, at isotoper er ualmindelige varianter af kemiske grundstoffer. Deres antal måles i flere procent af den mest resistente sort. Det er grunden til, at forskerne skal kunstigt berige fossile materialer.

Gennem årenes forskning har vi erfaret, at henfaldet af en isotop er ledsaget af en kædereaktion. De frigivne neutroner af et stof begynder at påvirke et andet. Som et resultat af dette desintegrerer tunge kerner til lettere, og nye kemiske grundstoffer opnås.

Dette fænomen kaldes en kædereaktion, hvorved der kan opnås mere stabile, men mindre almindelige isotoper, som efterfølgende anvendes i den nationale økonomi.

Anvendelse af henfaldsenergi

Forskere fandt også ud af, at under henfaldet af en radioaktiv isotop frigives en enorm mængde fri energi. Dens mængde måles normalt ved Curie-enheden, svarende til fissionstiden for 1 g radon-222 på 1 sekund. Jo højere denne indikator, jo mere energi frigives.

Dette blev grunden til at udvikle måder at bruge gratis energi på. Sådan opstod atomreaktorer, hvori en radioaktiv isotop er placeret. Det meste af den energi, den frigiver, opsamles og omdannes til elektricitet. Med udgangspunkt i disse reaktorer skabes atomkraftværker, der giver den billigste strøm. Mindre versioner af sådanne reaktorer er installeret på selvkørende mekanismer. I betragtning af faren for ulykker bruges ubåde oftest som sådanne køretøjer. I tilfælde af reaktorfejl vil antallet af ofre på ubåden være nemmere at minimere.

En anden meget skræmmende brug af halveringstidsenergi er atombomber. Under Anden Verdenskrig blev de testet på mennesker i de japanske byer Hiroshima og Nagasaki. Konsekvenserne var meget triste. Derfor er der en aftale i verden om ikke-brug af disse farlige våben. Samtidig fortsætter store stater med fokus på militarisering forskning på dette område i dag. Derudover producerer mange af dem, hemmeligt fra verdenssamfundet, atombomber, som er tusindvis af gange farligere end dem, der bruges i Japan.

Isotoper i medicin

Til fredelige formål har de lært at bruge henfaldet af radioaktive isotoper i medicin. Ved at rette stråling til det berørte område af kroppen er det muligt at stoppe sygdomsforløbet eller hjælpe patienten med at komme sig helt.

Men oftere bruges radioaktive isotoper til diagnostik. Sagen er, at deres bevægelse og klyngens beskaffenhed lettest bestemmes af den stråling, de producerer. Således indføres en vis ufarlig mængde af et radioaktivt stof i menneskekroppen, og læger bruger instrumenter til at observere, hvordan og hvor det kommer ind.

På denne måde diagnosticerer de hjernens funktion, arten af ​​kræftsvulster og de særlige forhold ved funktionen af ​​de endokrine og eksokrine kirtler.

Ansøgning i arkæologi

Det er kendt, at levende organismer altid indeholder radioaktivt kulstof-14, hvis halveringstid isotop er 5570 år. Derudover ved forskerne, hvor meget af dette element, der er indeholdt i kroppen indtil dødsøjeblikket. Det betyder, at alle fældede træer udsender den samme mængde stråling. Over tid falder strålingsintensiteten.

Dette hjælper arkæologer med at afgøre, hvor længe siden træet, som kabyssen eller et andet skib blev bygget af, døde, og derfor selve byggetidspunktet. Denne forskningsmetode kaldes radioaktivt kulstofanalyse. Takket være det er det lettere for videnskabsmænd at fastslå kronologien af ​​historiske begivenheder.

Det er blevet fastslået, at hvert kemisk grundstof, der findes i naturen, er en blanding af isotoper (derfor har de fraktioneret atommasse). For at forstå, hvordan isotoper adskiller sig fra hinanden, er det nødvendigt at overveje atomets struktur i detaljer. Et atom danner en kerne og en elektronsky. Massen af ​​et atom er påvirket af elektroner, der bevæger sig med forbløffende hastigheder gennem orbitaler i elektronskyen, neutroner og protoner, der udgør kernen.

Hvad er isotoper

Isotoper er en type atom i et kemisk grundstof. Der er altid lige mange elektroner og protoner i ethvert atom. Da de har modsatte ladninger (elektroner er negative, og protoner er positive), er atomet altid neutralt (denne elementære partikel bærer ikke en ladning, den er nul). Når en elektron mistes eller fanges, mister et atom neutralitet og bliver enten en negativ eller en positiv ion.
Neutroner har ingen ladning, men deres antal i atomkernen af ​​det samme grundstof kan variere. Dette påvirker ikke på nogen måde atomets neutralitet, men det påvirker dets masse og egenskaber. For eksempel indeholder enhver isotop af et brintatom en elektron og en proton. Men antallet af neutroner er anderledes. Protium har kun 1 neutron, deuterium har 2 neutroner, og tritium har 3 neutroner. Disse tre isotoper adskiller sig markant fra hinanden i egenskaber.

Sammenligning af isotoper

Hvordan er isotoper forskellige? De har forskelligt antal neutroner, forskellige masser og forskellige egenskaber. Isotoper har identiske strukturer af elektronskaller. Det betyder, at de er ret ens i kemiske egenskaber. Derfor får de én plads i det periodiske system.
Der er fundet stabile og radioaktive (ustabile) isotoper i naturen. Atomkernerne i radioaktive isotoper er i stand til spontant at omdannes til andre kerner. Under processen med radioaktivt henfald udsender de forskellige partikler.
De fleste grundstoffer har over to dusin radioaktive isotoper. Derudover syntetiseres radioaktive isotoper kunstigt for absolut alle grundstoffer. I en naturlig blanding af isotoper varierer deres indhold lidt.
Eksistensen af ​​isotoper gjorde det muligt at forstå, hvorfor grundstoffer med lavere atommasse i nogle tilfælde har et højere atomnummer end grundstoffer med højere atommasse. For eksempel i argon-kalium-parret inkluderer argon tunge isotoper, og kalium indeholder lette isotoper. Derfor er massen af ​​argon større end den af ​​kalium.

ImGist fastslog, at forskellene mellem isotoper er som følger:

De har forskellige antal neutroner.
Isotoper har forskellige atommasser.
Værdien af ​​massen af ​​ionatomer påvirker deres samlede energi og egenskaber.

Selv gamle filosoffer foreslog, at stof er bygget af atomer. Forskere begyndte dog først at indse, at universets "byggesten" i sig selv består af bittesmå partikler først ved begyndelsen af ​​det 19. og 20. århundrede. Eksperimenter, der beviste dette, producerede en reel revolution inden for videnskaben på én gang. Det er det kvantitative forhold mellem dets bestanddele, der adskiller et kemisk element fra et andet. Hver af dem tildeles sin plads i henhold til serienummeret. Men der er varianter af atomer, der optager de samme celler i tabellen, på trods af forskelle i masse og egenskaber. Hvorfor det er sådan, og hvad isotoper er i kemi, vil blive diskuteret yderligere.

Atom og dets partikler

Ved at studere stoffets struktur gennem bombardement med alfapartikler beviste E. Rutherford i 1910, at atomets hovedrum er fyldt med tomrum. Og kun i centrum er kernen. Negative elektroner bevæger sig rundt om det i orbitaler, der udgør skallen af ​​dette system. Sådan blev en planetarisk model af stoffets "byggesten" skabt.

Hvad er isotoper? Husk fra dit kemikursus, at kernen også har en kompleks struktur. Den består af positive protoner og neutroner, der ikke har nogen ladning. Nummeret på førstnævnte bestemmer det kemiske elements kvalitative egenskaber. Det er antallet af protoner, der adskiller stoffer fra hinanden, hvilket giver deres kerner en vis ladning. Og på dette grundlag tildeles de et serienummer i det periodiske system. Men antallet af neutroner i det samme kemiske grundstof differentierer dem til isotoper. Definitionen i kemi af dette begreb kan derfor gives som følger. Disse er varianter af atomer, der adskiller sig i kernens sammensætning, har samme ladning og atomnummer, men har forskellige massetal på grund af forskelle i antallet af neutroner.

Betegnelser

Mens de studerer kemi i 9. klasse og isotoper, vil eleverne lære om de accepterede konventioner. Bogstavet Z angiver ladningen af ​​kernen. Dette tal falder sammen med antallet af protoner og er derfor deres indikator. Summen af ​​disse grundstoffer med neutroner markeret med N er A - massetal. En familie af isotoper af et stof er normalt betegnet med symbolet for det kemiske grundstof, som i det periodiske system er tildelt et serienummer, der falder sammen med antallet af protoner i det. Den venstre hævede skrift tilføjet til det angivne ikon svarer til massenummeret. For eksempel 238 U. Ladningen af ​​et grundstof (i dette tilfælde uran, markeret med serienummeret 92) er angivet med et lignende indeks nedenfor.

Ved at kende disse data kan du nemt beregne antallet af neutroner i en given isotop. Det er lig med massetallet minus serienummeret: 238 - 92 = 146. Antallet af neutroner kunne være mindre, men det ville ikke få dette kemiske grundstof til at holde op med at forblive uran. Det skal bemærkes, at antallet af protoner og neutroner oftest i andre simplere stoffer er omtrent det samme. Sådan information hjælper med at forstå, hvad en isotop er i kemi.

Nukleoner

Det er antallet af protoner, der giver et bestemt element dets individualitet, og antallet af neutroner påvirker det ikke på nogen måde. Men atommassen består af disse to specificerede elementer, som har det fælles navn "nukleoner", der repræsenterer deres sum. Denne indikator afhænger dog ikke af dem, der danner atomets negativt ladede skal. Hvorfor? Alt du skal gøre er at sammenligne.

Fraktionen af ​​protonmasse i et atom er stor og udgør cirka 1 a. e.m. eller 1.672 621 898(21) 10 -27 kg. Neutronen er tæt på denne partikels ydeevne (1.674 927 471(21)·10 -27 kg). Men massen af ​​en elektron er tusindvis af gange mindre, betragtes som ubetydelig og tages ikke i betragtning. Derfor er sammensætningen af ​​isotopkernen ikke svær at finde ud af, når man kender superscriptet af et grundstof i kemi.

Isotoper af brint

Isotoper af nogle grundstoffer er så velkendte og udbredte i naturen, at de har fået deres egne navne. Det mest slående og enkleste eksempel på dette er brint. Det findes naturligt i sin mest almindelige form, protium. Dette grundstof har et massetal på 1, og dets kerne består af en proton.

Så hvad er brintisotoper i kemi? Som det er kendt, har atomerne af dette stof det første tal i det periodiske system og er følgelig udstyret med et ladningstal på 1 i naturen. Men antallet af neutroner i kernen af ​​et atom er anderledes. Deuterium, der er tungt brint, udover protonen, har en anden partikel i sin kerne, det vil sige en neutron. Som et resultat udviser dette stof sine egne fysiske egenskaber, i modsætning til protium, med sin egen vægt, smelte- og kogepunkter.

Tritium

Tritium er det mest komplekse af alle. Dette er supertung brint. Ifølge definitionen af ​​isotoper i kemi har den et ladningstal på 1, men et massetal på 3. Det kaldes ofte en triton, fordi det udover en proton har to neutroner i sin kerne, det vil sige, at det består af tre elementer. Navnet på dette element, opdaget i 1934 af Rutherford, Oliphant og Harteck, blev foreslået endnu før dets opdagelse.

Dette er et ustabilt stof, der udviser radioaktive egenskaber. Dens kerne har evnen til at opdeles i en beta partikel og en elektron antineutrino. Henfaldsenergien af ​​dette stof er ikke særlig høj og beløber sig til 18,59 keV. Derfor er sådan stråling ikke for farlig for mennesker. Almindelig tøj og operationshandsker kan beskytte mod det. Og dette radioaktive element opnået fra mad elimineres hurtigt fra kroppen.

Isotoper af uran

Meget farligere er de forskellige typer uran, som videnskaben i øjeblikket kender 26. Derfor, når man taler om, hvad isotoper er i kemi, er det umuligt ikke at nævne dette element. På trods af de mange forskellige typer uran forekommer kun tre isotoper i naturen. Disse omfatter 234 U, 235 U, 238 U. Den første af dem, der har passende egenskaber, bruges aktivt som brændstof i atomreaktorer. Og sidstnævnte er til produktion af plutonium-239, som i sig selv er uerstattelig som et værdifuldt brændstof.

Hvert af de radioaktive grundstoffer er karakteriseret ved sit eget. Dette er den tid, hvor stoffet er spaltet i forholdet ½. Det vil sige, at som et resultat af denne proces halveres mængden af ​​den resterende del af stoffet. Denne periode er enorm for uran. For eksempel er det for isotop-234 anslået til 270 tusind år, men for de to andre specificerede sorter er det meget mere betydningsfuldt. Uran-238 har en rekordhalveringstid, der varer milliarder af år.

Nuklider

Ikke enhver type atom, kendetegnet ved sit eget og strengt definerede antal protoner og elektroner, er så stabile, at de eksisterer i mindst en lang periode, der er tilstrækkelig til at studere dem. Dem, der er relativt stabile, kaldes nuklider. Stabile formationer af denne art gennemgår ikke radioaktivt henfald. Ustabile kaldes radionuklider og er til gengæld også opdelt i kortlivede og langlivede. Som du ved fra 11. klasses kemitimer om strukturen af ​​isotopatomer, har osmium og platin det største antal radionuklider. Kobolt og guld har et stabilt nuklid hver, og tin har det største antal stabile nuklider.

Beregning af atomnummeret for en isotop

Nu vil vi forsøge at opsummere oplysningerne beskrevet tidligere. Efter at have forstået, hvad isotoper er i kemi, er det tid til at finde ud af, hvordan man bruger den opnåede viden. Lad os se på dette med et specifikt eksempel. Antag, at det er kendt, at et bestemt kemisk grundstof har et massetal på 181. Desuden indeholder skallen af ​​et atom af dette stof 73 elektroner. Hvordan kan du bruge det periodiske system til at finde ud af navnet på et givet grundstof, samt antallet af protoner og neutroner i dets kerne?

Lad os begynde at løse problemet. Du kan bestemme navnet på et stof ved at kende dets serienummer, som svarer til antallet af protoner. Da antallet af positive og negative ladninger i et atom er lige store, er det 73. Det betyder, at det er tantal. Desuden er det samlede antal nukleoner i alt 181, hvilket betyder, at protonerne i dette grundstof er 181 - 73 = 108. Ganske enkelt.

Isotoper af gallium

Grundstoffet gallium har atomnummer 71. I naturen har dette stof to isotoper - 69 Ga og 71 Ga. Hvordan bestemmer man procentdelen af ​​galliumarter?

Løsning af problemer på isotoper i kemi involverer næsten altid information, der kan fås fra det periodiske system. Denne gang bør du gøre det samme. Lad os bestemme den gennemsnitlige atommasse fra den angivne kilde. Det er lig med 69,72. Efter at have udpeget med x og y det kvantitative forhold mellem den første og anden isotop, tager vi deres sum lig med 1. Det betyder, at dette vil blive skrevet i form af en ligning: x + y = 1. Det følger, at 69x + 71y = 69,72. Udtrykker vi y i form af x og substituerer den første ligning med den anden, finder vi, at x = 0,64 og y = 0,36. Det betyder, at 69 Ga findes i naturen 64%, og procentdelen af ​​71 Ga er 34%.

Isotopiske transformationer

Radioaktiv fission af isotoper med deres omdannelse til andre grundstoffer er opdelt i tre hovedtyper. Den første af disse er alfa-henfald. Det sker med emission af en partikel, der repræsenterer kernen af ​​et heliumatom. Det vil sige, at dette er en formation bestående af en kombination af par neutroner og protoner. Da mængden af ​​sidstnævnte bestemmer ladningstallet og antallet af et stofs atom i det periodiske system, er der som et resultat af denne proces en kvalitativ transformation af et grundstof til et andet, og i tabellen skifter det til venstre ved at to celler. I dette tilfælde falder elementets massenummer med 4 enheder. Det kender vi fra strukturen af ​​isotopatomer.

Når kernen i et atom mister en beta-partikel, i det væsentlige en elektron, ændres dens sammensætning. En af neutronerne omdannes til en proton. Det betyder, at stoffets kvalitative egenskaber ændres igen, og elementet skifter i tabellen en celle til højre uden praktisk talt at tabe sig. Typisk er en sådan transformation forbundet med elektromagnetisk gammastråling.

Radium isotop transformation

Ovenstående information og viden fra klasse 11 kemi om isotoper hjælper igen med at løse praktiske problemer. For eksempel følgende: 226 Ra under henfald bliver til et kemisk grundstof i gruppe IV, med et massetal på 206. Hvor mange alfa- og beta-partikler skal det miste?

Under hensyntagen til ændringerne i massen og gruppen af ​​datterelementet, ved hjælp af det periodiske system, er det let at bestemme, at isotopen dannet under opsplitning vil være bly med en ladning på 82 og et massetal på 206. Og under hensyntagen til tage højde for ladningsnummeret for dette grundstof og det oprindelige radium, bør det antages, at dets kerne har mistet fem alfa-partikler og fire beta-partikler.

Brug af radioaktive isotoper

Alle er godt klar over den skade radioaktiv stråling kan forårsage for levende organismer. Radioaktive isotopers egenskaber kan dog være nyttige for mennesker. De bruges med succes i mange industrier. Med deres hjælp er det muligt at opdage utætheder i ingeniør- og konstruktionskonstruktioner, underjordiske rørledninger og olierørledninger, lagertanke og varmevekslere i kraftværker.

Disse egenskaber bruges også aktivt i videnskabelige eksperimenter. For eksempel er tsetsefluen en bærer af mange alvorlige sygdomme for mennesker, husdyr og husdyr. For at forhindre dette steriliseres hanner af disse insekter ved hjælp af svag radioaktiv stråling. Isotoper er også uundværlige til at studere mekanismerne for visse kemiske reaktioner, fordi atomer af disse elementer kan bruges til at mærke vand og andre stoffer.

Tagede isotoper bruges også ofte i biologisk forskning. Sådan blev det for eksempel slået fast, hvordan fosfor påvirker jordbund, vækst og udvikling af kulturplanter. Isotopers egenskaber bruges også med succes i medicin, hvilket har gjort det muligt at behandle kræftsvulster og andre alvorlige sygdomme og bestemme alderen på biologiske organismer.