Gjenta hovedbestemmelsene i emnet "Grunnleggende begreper om kjemi" og løs de foreslåtte problemene. Bruk nr. 6-17.

Grunnleggende bestemmelser

1. Substans(enkel og kompleks) er enhver samling av atomer og molekyler som befinner seg i en viss aggregeringstilstand.

Transformasjoner av stoffer ledsaget av endringer i deres sammensetning og (eller) struktur kalles kjemiske reaksjoner .

2. Strukturelle enheter stoffer:

· Atom- den minste elektrisk nøytrale partikkelen av et kjemisk grunnstoff eller enkelt stoff, som har alle sine kjemiske egenskaper og deretter fysisk og kjemisk udelelig.

· Molekyl- den minste elektrisk nøytrale partikkelen av et stoff, som har alle dets kjemiske egenskaper, fysisk udelelige, men kjemisk delbare.

3. Kjemisk element – Dette er en type atom med en viss kjerneladning.

4. Sammensatt atom :

Partikkel	Hvordan bestemme?	Lade		Vekt
		Cl	konvensjonelle enheter		a.e.m.
Elektron	Etter ordinal Antall (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
Proton	Etter ordinal Antall (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
Nøytron	Ar–N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. Sammensatt atomkjernen :

Kjernen inneholder elementære partikler ( nukleoner) –

protoner(1 1 p ) og nøytroner(10 n).

· Fordi Nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen og m p ≈ m n≈ 1 amu, Det avrundet verdiA rav et kjemisk grunnstoff er lik det totale antallet nukleoner i kjernen.

7. Isotoper- en rekke atomer av samme kjemiske element, som bare skiller seg fra hverandre i masse.

· Isotopnotasjon: til venstre for elementsymbolet angir massenummeret (øverst) og atomnummeret til elementet (nederst)

· Hvorfor har isotoper ulik masse?

Oppgave: Bestem atomsammensetningen til klorisotoper: 35 17Clog 37 17Cl?

· Isotoper har ulik masse på grunn av ulikt antall nøytroner i kjernene deres.

8. I naturen eksisterer kjemiske elementer i form av blandinger av isotoper.

Den isotopiske sammensetningen av det samme kjemiske elementet uttrykkes i atomfraksjoner(ω at.), som indikerer hvilken del antall atomer til en gitt isotop utgjør av det totale antallet atomer av alle isotoper av et gitt grunnstoff, tatt som én eller 100 %.

For eksempel:

ω ved (35 17 Cl) = 0,754

ω ved (37 17 Cl) = 0,246

9. Det periodiske systemet viser gjennomsnittsverdiene av de relative atommassene til kjemiske elementer, tatt i betraktning deres isotopsammensetning. Derfor er Ar angitt i tabellen brøkdeler.

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 å løse:

nr. 1. Bestem den relative atommassen til bor hvis det er kjent at molfraksjonen av 10 B isotopen er 19,6 %, og 11 B isotopen er 80,4 %.

11. Massene av atomer og molekyler er svært små. For tiden har et enhetlig målesystem blitt tatt i bruk i fysikk og kjemi.

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

Absolutte masser av noen 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 ganger et gitt atom er tyngre enn 1/12 av et 12 C-atom. MR∙ 1,66 ∙ 10 -27 kg

13. Antall atomer og molekyler i vanlige prøver av stoffer er veldig stort, derfor, når man karakteriserer mengden av et stoff, brukes måleenheten -muldvarp .

· Føflekk (ν)– en mengdeenhet av et stoff som inneholder samme antall partikler (molekyler, atomer, ioner, elektroner) som det er atomer i 12 g isotop 12 C

· Masse av 1 atom 12 C er lik 12 amu, så antall atomer i 12 g isotop 12 C er lik:

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

· Fysisk mengde N A kalt Avogadros konstant (Avogadros tall) og har dimensjonen [NA] = mol -1.

14. Grunnleggende formler:

M = MR = ρ ∙ V m(ρ – tetthet; V m – volum på nullnivå)

Problemer å løse selvstendig

nr. 1. Beregn antall nitrogenatomer i 100 g ammoniumkarbonat som inneholder 10 % ikke-nitrogen urenheter.

nr. 2. Under normale forhold har 12 liter av en gassblanding bestående av ammoniakk og karbondioksid en masse på 18 g Hvor mange liter av hver gass inneholder blandingen?

nr. 3. Ved eksponering for overflødig saltsyre, 8,24 g av en blanding av manganoksid (IV) med det ukjente oksidet MO 2, som ikke reagerer med saltsyre, ble det oppnådd 1,344 liter gass ved omgivelsesbetingelser. I et annet eksperiment ble det fastslått at molforholdet mellom manganoksid (IV) til det ukjente oksidet er 3:1. Bestem formelen til det ukjente oksidet og beregn massefraksjonen i blandingen.

Studerer fenomenet radioaktivitet, forskere i det første tiåret av det 20. århundre. oppdaget et stort antall radioaktive stoffer - rundt 40. Det var betydelig flere av dem enn det var ledige plasser i det periodiske systemet over grunnstoffer mellom vismut og uran. Naturen til disse stoffene har vært kontroversiell. Noen forskere anså dem for å være uavhengige kjemiske elementer, men i dette tilfellet viste spørsmålet om deres plassering i det periodiske systemet seg å være uløselig. Andre nektet dem generelt retten til å bli kalt elementer i klassisk forstand. I 1902 kalte den engelske fysikeren D. Martin slike stoffer for radioelementer. Etter hvert som de ble studert, ble det klart at noen radioelementer har nøyaktig de samme kjemiske egenskapene, men er forskjellige i atommasser. Denne omstendigheten var i strid med de grunnleggende bestemmelsene i den periodiske loven. Den engelske vitenskapsmannen F. Soddy løste motsigelsen. I 1913 kalte han kjemisk lignende radioelementer isotoper (fra greske ord som betyr "samme" og "sted"), det vil si at de opptar samme plass i det periodiske systemet. Radioelementene viste seg å være isotoper av naturlige radioaktive elementer. Alle er kombinert i tre radioaktive familier, hvis forfedre er isotoper av thorium og uran.

Isotoper av oksygen. Isobarer av kalium og argon (isobarer er atomer av forskjellige grunnstoffer med samme massetall).

Antall stabile isotoper for partall og oddetall.

Det ble snart klart at andre stabile kjemiske grunnstoffer også har isotoper. Hovedæren for oppdagelsen deres tilhører den engelske fysikeren F. Aston. Han oppdaget stabile isotoper av mange grunnstoffer.

Fra et moderne synspunkt er isotoper varianter av atomer av et kjemisk element: de har forskjellige atommasser, men samme kjerneladning.

Kjernene deres inneholder altså samme antall protoner, men forskjellig antall nøytroner. For eksempel inneholder naturlige isotoper av oksygen med Z = 8 henholdsvis 8, 9 og 10 nøytroner i kjernene. Summen av antall protoner og nøytroner i kjernen til en isotop kalles massetallet A. Følgelig er massetallene til de indikerte oksygenisotopene 16, 17 og 18. I dag er følgende betegnelse for isotoper akseptert: verdi Z er gitt nedenfor til venstre for elementsymbolet, verdien A er gitt øverst til venstre For eksempel: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Siden oppdagelsen av fenomenet kunstig radioaktivitet er det produsert omtrent 1800 kunstige radioaktive isotoper ved bruk av kjernereaksjoner for grunnstoffer med Z fra 1 til 110. De aller fleste kunstige radioisotoper har svært korte halveringstider, målt i sekunder og brøkdeler av sekunder ; bare noen få har relativt lang forventet levealder (for eksempel 10 Be - 2,7 10 6 år, 26 Al - 8 10 5 år osv.).

Stabile elementer er representert i naturen med omtrent 280 isotoper. Noen av dem viste seg imidlertid å være svakt radioaktive, med enorme halveringstider (for eksempel 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Levetiden til disse isotopene er så lang at de kan anses som stabile.

Det er fortsatt mange utfordringer i verden av stabile isotoper. Derfor er det uklart hvorfor antallet varierer så mye mellom ulike elementer. Omtrent 25 % av stabile elementer (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) er tilstede i natur bare én type atom. Dette er de såkalte enkeltelementene. Det er interessant at alle (unntatt Be) har odde Z-verdier Generelt, for odde elementer overstiger ikke antallet stabile isotoper to. I motsetning til dette består noen jevn-Z-elementer av et stort antall isotoper (for eksempel har Xe 9, Sn har 10 stabile isotoper).

Settet med stabile isotoper av et gitt grunnstoff kalles en galakse. Innholdet deres i galaksen svinger ofte sterkt. Det er interessant å merke seg at det høyeste innholdet er av isotoper med massetall som er multipler av fire (12 C, 16 O, 20 Ca, etc.), selv om det er unntak fra denne regelen.

Oppdagelsen av stabile isotoper gjorde det mulig å løse det mangeårige mysteriet med atommasser - deres avvik fra hele tall, forklart av de forskjellige prosentene av stabile isotoper av grunnstoffer i galaksen.

I kjernefysikk er konseptet "isobarer" kjent. Isobarer er isotoper av forskjellige grunnstoffer (det vil si med forskjellige Z-verdier) som har samme massetall. Studiet av isobarer bidro til etableringen av mange viktige mønstre i oppførselen og egenskapene til atomkjerner. Et av disse mønstrene er uttrykt av regelen formulert av den sovjetiske kjemikeren S. A. Shchukarev og den tyske fysikeren I. Mattauch. Den sier: hvis to isobarer avviker i Z-verdier med 1, vil en av dem definitivt være radioaktiv. Et klassisk eksempel på et par isobarer er 40 18 Ar - 40 19 K. I den er kaliumisotopen radioaktiv. Shchukarev-Mattauch-regelen gjorde det mulig å forklare hvorfor det ikke er stabile isotoper i grunnstoffene technetium (Z = 43) og promethium (Z = 61). Siden de har odde Z-verdier, kunne ikke mer enn to stabile isotoper forventes for dem. Men det viste seg at isobarene av technetium og promethium, henholdsvis isotopene av molybden (Z = 42) og rutenium (Z = 44), neodym (Z = 60) og samarium (Z = 62), er representert i naturen med stabile varianter av atomer i et bredt spekter av massetall. Dermed forbyr fysiske lover eksistensen av stabile isotoper av technetium og promethium. Dette er grunnen til at disse elementene faktisk ikke eksisterer i naturen og måtte syntetiseres kunstig.

Forskere har lenge prøvd å utvikle et periodisk system av isotoper. Selvfølgelig er det basert på andre prinsipper enn grunnlaget for det periodiske system av grunnstoffer. Men disse forsøkene har ennå ikke ført til tilfredsstillende resultater. Riktignok har fysikere bevist at sekvensen for å fylle proton- og nøytronskall i atomkjerner er i prinsippet lik konstruksjonen av elektronskall og underskall i atomer (se Atom).

Elektronskallene til isotoper av et gitt grunnstoff er konstruert på nøyaktig samme måte. Derfor er deres kjemiske og fysiske egenskaper nesten identiske. Bare hydrogenisotoper (protium og deuterium) og deres forbindelser viser merkbare forskjeller i egenskaper. For eksempel fryser tungtvann (D 2 O) ved +3,8, koker ved 101,4 ° C, har en tetthet på 1,1059 g/cm 3, og støtter ikke livet til dyr og planteorganismer. Under elektrolysen av vann til hydrogen og oksygen spaltes hovedsakelig H 2 0-molekyler, mens tungtvannsmolekyler forblir i elektrolysatoren.

Å skille isotoper av andre elementer er en ekstremt vanskelig oppgave. Imidlertid er det i mange tilfeller nødvendig med isotoper av individuelle elementer med betydelig endret forekomst sammenlignet med naturlig forekomst. For eksempel, når man løste problemet med atomenergi, ble det nødvendig å skille isotopene 235 U og 238 U. For dette formålet ble massespektrometrimetoden først brukt, ved hjelp av hvilken de første kilogram uran-235 ble oppnådd i USA i 1944. Denne metoden viste seg imidlertid å være for dyr og ble erstattet av gassdiffusjonsmetoden, som brukte UF 6. Det finnes nå flere metoder for å skille isotoper, men de er alle ganske komplekse og dyre. Og likevel blir problemet med å "dele det udelelige" løst.

En ny vitenskapelig disiplin har dukket opp - isotopkjemi. Hun studerer oppførselen til ulike isotoper av kjemiske elementer i kjemiske reaksjoner og isotoputvekslingsprosesser. Som et resultat av disse prosessene blir isotopene til et gitt grunnstoff omfordelt mellom de reagerende stoffene. Her er det enkleste eksemplet: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (et vannmolekyl bytter ut et protiumatom med et deuteriumatom). Geokjemien til isotoper er også i utvikling. Hun studerer variasjoner i isotopsammensetningen til ulike grunnstoffer i jordskorpen.

De mest brukte er såkalte merkede atomer – kunstige radioaktive isotoper av stabile grunnstoffer eller stabile isotoper. Ved hjelp av isotopiske indikatorer - merkede atomer - studerer de bevegelsesveiene til elementer i livløs og levende natur, arten av fordelingen av stoffer og elementer i forskjellige gjenstander. Isotoper brukes i kjernefysisk teknologi: som materialer for konstruksjon av atomreaktorer; som kjernebrensel (isotoper av thorium, uran, plutonium); i termonukleær fusjon (deuterium, 6 Li, 3 He). Radioaktive isotoper er også mye brukt som strålingskilder.

Det er nok ikke en person på jorden som ikke har hørt om isotoper. Men ikke alle vet hva det er. Uttrykket "radioaktive isotoper" høres spesielt skremmende ut. Disse merkelige kjemiske elementene skremmer menneskeheten, men i virkeligheten er de ikke så skumle som de kan virke ved første øyekast.

Definisjon

For å forstå konseptet med radioaktive grunnstoffer, er det nødvendig å først si at isotoper er prøver av samme kjemiske grunnstoff, men med forskjellige masser. Hva betyr det? Spørsmålene vil forsvinne hvis vi først husker strukturen til atomet. Den består av elektroner, protoner og nøytroner. Antallet av de to første elementarpartiklene i kjernen til et atom er alltid konstant, mens nøytroner, som har sin egen masse, kan forekomme i samme stoff i forskjellige mengder. Denne omstendigheten gir opphav til en rekke kjemiske elementer med forskjellige fysiske egenskaper.

Nå kan vi gi en vitenskapelig definisjon av konseptet som studeres. Så isotoper er et kollektivt sett med kjemiske elementer som er like i egenskaper, men har forskjellige masser og fysiske egenskaper. I følge mer moderne terminologi kalles de en galakse av nukleotider av et kjemisk element.

Litt historie

På begynnelsen av forrige århundre oppdaget forskere at den samme kjemiske forbindelsen under forskjellige forhold kan ha forskjellige masser av elektronkjerner. Fra et rent teoretisk synspunkt kan slike elementer betraktes som nye og de kan begynne å fylle tomme celler i D. Mendeleevs periodiske system. Men det er bare ni frie celler i den, og forskere oppdaget dusinvis av nye elementer. I tillegg viste matematiske beregninger at de oppdagede forbindelsene ikke kan anses som tidligere ukjente, fordi deres kjemiske egenskaper samsvarte fullt ut med egenskapene til eksisterende.

Etter lange diskusjoner ble det besluttet å kalle disse grunnstoffene isotoper og plassere dem i samme boks som de hvis kjerner inneholder samme antall elektroner. Forskere har vært i stand til å fastslå at isotoper bare er noen varianter av kjemiske elementer. Imidlertid har årsakene til deres forekomst og forventet levealder blitt studert i nesten et århundre. Selv på begynnelsen av det 21. århundre er det umulig å si at menneskeheten vet absolutt alt om isotoper.

Vedvarende og ustabile variasjoner

Hvert kjemisk grunnstoff har flere isotoper. På grunn av det faktum at det er frie nøytroner i kjernene deres, inngår de ikke alltid stabile bindinger med resten av atomet. Etter en tid forlater frie partikler kjernen, noe som endrer massen og fysiske egenskaper. På denne måten dannes andre isotoper som til slutt fører til at det dannes et stoff med like mange protoner, nøytroner og elektroner.

De stoffene som forfaller veldig raskt kalles radioaktive isotoper. De frigjør et stort antall nøytroner i verdensrommet, og danner kraftig ioniserende gammastråling, kjent for sin sterke gjennomtrengende kraft, som påvirker levende organismer negativt.

Mer stabile isotoper er ikke radioaktive, siden antallet frie nøytroner frigjort av dem ikke er i stand til å generere stråling og påvirke andre atomer betydelig.

For ganske lenge siden etablerte forskere et viktig mønster: hvert kjemisk element har sine egne isotoper, vedvarende eller radioaktive. Interessant nok ble mange av dem oppnådd under laboratorieforhold, og deres tilstedeværelse i naturlig form er liten og blir ikke alltid oppdaget av instrumenter.

Utbredelse i naturen

Under naturlige forhold finner man oftest stoffer hvis isotopmasse er direkte bestemt av dets ordenstall i D. Mendeleevs tabell. For eksempel har hydrogen, betegnet med symbolet H, et atomnummer på 1, og massen er lik en. Dens isotoper, 2H og 3H, er ekstremt sjeldne i naturen.

Selv menneskekroppen har noen radioaktive isotoper. De kommer inn gjennom maten i form av karbonisotoper, som igjen absorberes av planter fra jord eller luft og blir en del av organisk materiale under fotosynteseprosessen. Derfor sender mennesker, dyr og planter ut en viss bakgrunnsstråling. Bare den er så lav at den ikke forstyrrer normal funksjon og vekst.

Kildene som bidrar til dannelsen av isotoper er de indre lagene av jordens kjerne og stråling fra verdensrommet.

Som du vet, avhenger temperaturen på en planet i stor grad av dens varme kjerne. Men først for ganske nylig ble det klart at kilden til denne varmen er en kompleks termonukleær reaksjon der radioaktive isotoper deltar.

Isotopisk forfall

Siden isotoper er ustabile formasjoner, kan det antas at de over tid alltid forfaller til mer permanente kjerner av kjemiske elementer. Denne uttalelsen er sann fordi forskere ikke har vært i stand til å oppdage enorme mengder radioaktive isotoper i naturen. Og de fleste av de som ble utvunnet i laboratorier varte fra et par minutter til flere dager, og ble deretter tilbake til vanlige kjemiske grunnstoffer.

Men det finnes også isotoper i naturen som viser seg å være svært motstandsdyktige mot forfall. De kan eksistere i milliarder av år. Slike elementer ble dannet i de fjerne tider, da jorden fortsatt ble dannet, og det var ikke engang en solid skorpe på overflaten.

Radioaktive isotoper forfaller og dannes igjen veldig raskt. Derfor, for å lette vurderingen av stabiliteten til isotopen, bestemte forskere seg for å vurdere kategorien av halveringstiden.

Halvt liv

Det er kanskje ikke umiddelbart klart for alle lesere hva som menes med dette konseptet. La oss definere det. Halveringstiden til en isotop er den tiden en konvensjonell halvpart av stoffet som tas vil slutte å eksistere.

Dette betyr ikke at resten av forbindelsen vil bli ødelagt i løpet av like lang tid. I forhold til denne halvdelen er det nødvendig å vurdere en annen kategori - tidsperioden hvor den andre delen, det vil si en fjerdedel av den opprinnelige mengden stoff, vil forsvinne. Og denne betraktningen fortsetter i det uendelige. Det kan antas at det ganske enkelt er umulig å beregne tiden for fullstendig desintegrering av den opprinnelige mengden av et stoff, siden denne prosessen er praktisk talt uendelig.

Imidlertid kan forskere, som kjenner halveringstiden, bestemme hvor mye av stoffet som eksisterte i begynnelsen. Disse dataene brukes med hell i relaterte vitenskaper.

I den moderne vitenskapelige verden brukes begrepet fullstendig forfall praktisk talt ikke. For hver isotop er det vanlig å angi halveringstiden, som varierer fra noen få sekunder til mange milliarder år. Jo lavere halveringstid, jo mer stråling kommer fra stoffet og jo høyere radioaktivitet.

Fossil nyttevirkning

I enkelte grener av vitenskap og teknologi anses bruk av relativt store mengder radioaktive stoffer som obligatorisk. Men under naturlige forhold er det svært få slike forbindelser.

Det er kjent at isotoper er uvanlige varianter av kjemiske elementer. Antallet deres måles i flere prosent av den mest motstandsdyktige sorten. Dette er grunnen til at forskere må kunstig berike fossile materialer.

Gjennom årene med forskning har vi lært at nedbrytningen av en isotop er ledsaget av en kjedereaksjon. De frigjorte nøytronene til ett stoff begynner å påvirke et annet. Som et resultat av dette går tunge kjerner i oppløsning til lettere og nye kjemiske elementer oppnås.

Dette fenomenet kalles en kjedereaksjon, som et resultat av at det kan oppnås mer stabile, men mindre vanlige isotoper, som deretter brukes i den nasjonale økonomien.

Anvendelse av forfallsenergi

Forskere fant også at under forfallet av en radioaktiv isotop, frigjøres en enorm mengde fri energi. Mengden måles vanligvis med Curie-enheten, lik fisjonstiden til 1 g radon-222 på 1 sekund. Jo høyere denne indikatoren er, jo mer energi frigjøres.

Dette ble grunnen til å utvikle måter å bruke gratis energi på. Slik oppsto atomreaktorer, der en radioaktiv isotop er plassert. Mesteparten av energien som frigjøres av den samles opp og omdannes til elektrisitet. Basert på disse reaktorene lages atomkraftverk som gir den billigste strømmen. Mindre versjoner av slike reaktorer er installert på selvgående mekanismer. På grunn av faren for ulykker, brukes ubåter oftest som slike kjøretøy. Ved reaktorsvikt vil antall skadde på ubåten være lettere å minimere.

En annen veldig skummel bruk av halveringstidsenergi er atombomber. Under andre verdenskrig ble de testet på mennesker i de japanske byene Hiroshima og Nagasaki. Konsekvensene var veldig triste. Derfor er det en avtale i verden om ikke-bruk av disse farlige våpnene. Samtidig fortsetter store stater med fokus på militarisering forskning på dette området i dag. I tillegg produserer mange av dem, i hemmelighet fra verdenssamfunnet, atombomber, som er tusenvis av ganger farligere enn de som brukes i Japan.

Isotoper i medisin

For fredelige formål har de lært å bruke forfallet av radioaktive isotoper i medisin. Ved å rette stråling til det berørte området av kroppen, er det mulig å stoppe sykdomsforløpet eller hjelpe pasienten til å komme seg fullstendig.

Men oftere brukes radioaktive isotoper til diagnostikk. Saken er at deres bevegelse og klyngens natur bestemmes lettest av strålingen de produserer. Dermed blir en viss ufarlig mengde av et radioaktivt stoff introdusert i menneskekroppen, og leger bruker instrumenter for å observere hvordan og hvor det kommer inn.

På denne måten diagnostiserer de hjernens funksjon, arten av kreftsvulster og særegenhetene ved funksjonen til de endokrine og eksokrine kjertlene.

Søknad i arkeologi

Det er kjent at levende organismer alltid inneholder radioaktivt karbon-14, hvis halveringstid er 5570 år. I tillegg vet forskerne hvor mye av dette elementet som finnes i kroppen til det dør. Det betyr at alle avkuttede trær avgir like mye stråling. Over tid synker strålingsintensiteten.

Dette hjelper arkeologer med å finne ut hvor lenge siden veden som en bysse eller et annet skip ble bygget av døde av, og dermed selve konstruksjonstidspunktet. Denne forskningsmetoden kalles radioaktivt karbonanalyse. Takket være det er det lettere for forskere å etablere kronologien til historiske hendelser.

Det er fastslått at hvert kjemisk element som finnes i naturen er en blanding av isotoper (derav har de atommasser). For å forstå hvordan isotoper skiller seg fra hverandre, er det nødvendig å vurdere i detalj strukturen til atomet. Et atom danner en kjerne og en elektronsky. Massen til et atom påvirkes av elektroner som beveger seg med forbløffende hastigheter i orbitaler i elektronskyen, nøytroner og protoner som utgjør kjernen.

Hva er isotoper

Isotoper er en type atom i et kjemisk grunnstoff. Det er alltid like mange elektroner og protoner i et atom. Siden de har motsatte ladninger (elektroner er negative, og protoner er positive), er atomet alltid nøytralt (denne elementærpartikkelen har ingen ladning, den er null). Når et elektron går tapt eller fanges opp, mister et atom nøytralitet, og blir enten et negativt eller et positivt ion.
Nøytroner har ingen ladning, men antallet i atomkjernen til samme grunnstoff kan variere. Dette påvirker ikke på noen måte nøytraliteten til atomet, men det påvirker dets masse og egenskaper. For eksempel inneholder enhver isotop av et hydrogenatom ett elektron og ett proton. Men antallet nøytroner er annerledes. Protium har bare 1 nøytron, deuterium har 2 nøytroner og tritium har 3 nøytroner. Disse tre isotopene skiller seg markant fra hverandre i egenskaper.

Sammenligning av isotoper

Hvordan er isotoper forskjellige? De har ulikt antall nøytroner, ulik masse og ulik egenskaper. Isotoper har identiske strukturer av elektronskall. Dette betyr at de er ganske like i kjemiske egenskaper. Derfor får de én plass i det periodiske systemet.
Stabile og radioaktive (ustabile) isotoper er funnet i naturen. Atomkjernene til radioaktive isotoper er i stand til spontant å forvandle seg til andre kjerner. Under prosessen med radioaktivt forfall sender de ut ulike partikler.
De fleste grunnstoffene har over to dusin radioaktive isotoper. I tillegg syntetiseres radioaktive isotoper kunstig for absolutt alle grunnstoffer. I en naturlig blanding av isotoper varierer innholdet litt.
Eksistensen av isotoper gjorde det mulig å forstå hvorfor grunnstoffer med lavere atommasse i noen tilfeller har høyere atomnummer enn grunnstoffer med høyere atommasse. For eksempel, i argon-kalium-paret, inkluderer argon tunge isotoper, og kalium inneholder lette isotoper. Derfor er massen av argon større enn den til kalium.

ImGist bestemte at forskjellene mellom isotoper er som følger:

De har forskjellig antall nøytroner.
Isotoper har forskjellige atommasser.
Verdien av massen av ioneatomer påvirker deres totale energi og egenskaper.

Selv eldgamle filosofer antydet at materie er bygget av atomer. Forskere begynte imidlertid å innse at "byggesteinene" i selve universet består av små partikler først på begynnelsen av 1800- og 1900-tallet. Eksperimenter som beviste dette ga en reell revolusjon innen vitenskapen på en gang. Det er det kvantitative forholdet mellom dets bestanddeler som skiller ett kjemisk element fra et annet. Hver av dem er tildelt sin plass i henhold til serienummeret. Men det er varianter av atomer som okkuperer de samme cellene i tabellen, til tross for forskjeller i masse og egenskaper. Hvorfor det er slik og hva isotoper er i kjemi vil bli diskutert videre.

Atom og dets partikler

Ved å studere strukturen til materie gjennom bombardement med alfapartikler, beviste E. Rutherford i 1910 at hovedrommet til atomet er fylt med tomrom. Og bare i sentrum er kjernen. Negative elektroner beveger seg rundt det i orbitaler, og utgjør skallet til dette systemet. Dette er hvordan en planetarisk modell av materiens "byggesteiner" ble skapt.

Hva er isotoper? Husk fra kjemikurset ditt at kjernen også har en kompleks struktur. Den består av positive protoner og nøytroner som ikke har ladning. Antallet av førstnevnte bestemmer de kvalitative egenskapene til det kjemiske elementet. Det er antallet protoner som skiller stoffer fra hverandre, og gir kjernene deres en viss ladning. Og på dette grunnlaget blir de tildelt et serienummer i det periodiske systemet. Men antall nøytroner i det samme kjemiske elementet skiller dem til isotoper. Definisjonen i kjemi av dette konseptet kan derfor gis som følger. Dette er varianter av atomer som er forskjellige i sammensetningen av kjernen, har samme ladning og atomnummer, men har forskjellige massetall på grunn av forskjeller i antall nøytroner.

Betegnelser

Mens de studerer kjemi i 9. klasse og isotoper, vil elevene lære om de aksepterte konvensjonene. Bokstaven Z indikerer ladningen til kjernen. Dette tallet faller sammen med antall protoner og er derfor deres indikator. Summen av disse grunnstoffene med nøytroner merket med N er A - massetall. En familie av isotoper av ett stoff er vanligvis betegnet med symbolet til det kjemiske elementet, som i det periodiske systemet er tildelt et serienummer som sammenfaller med antall protoner i det. Venstre hevet skrift lagt til det angitte ikonet tilsvarer massenummeret. For eksempel 238 U. Ladningen til et element (i dette tilfellet uran, merket med serienummeret 92) er indikert med en lignende indeks nedenfor.

Når du kjenner disse dataene, kan du enkelt beregne antall nøytroner i en gitt isotop. Det er lik massetallet minus serienummeret: 238 - 92 = 146. Antall nøytroner kan være mindre, men dette ville ikke få dette kjemiske elementet til å slutte å forbli uran. Det skal bemerkes at oftest i andre, enklere stoffer er antallet protoner og nøytroner omtrent det samme. Slik informasjon bidrar til å forstå hva en isotop er i kjemi.

Nukleoner

Det er antallet protoner som gir et visst element dets individualitet, og antallet nøytroner påvirker det ikke på noen måte. Men atommassen består av disse to spesifiserte elementene, som har det vanlige navnet "nukleoner", som representerer summen deres. Denne indikatoren er imidlertid ikke avhengig av de som danner det negativt ladede skallet til atomet. Hvorfor? Alt du trenger å gjøre er å sammenligne.

Fraksjonen av protonmassen i et atom er stor og utgjør omtrent 1 a. e.m. eller 1.672 621 898(21) 10 -27 kg. Nøytronet er nær ytelsen til denne partikkelen (1.674 927 471(21)·10 -27 kg). Men massen til et elektron er tusenvis av ganger mindre, anses som ubetydelig og tas ikke i betraktning. Det er grunnen til at det ikke er vanskelig å finne ut sammensetningen av isotopkjernen ved å kjenne overskriften til et element i kjemi.

Isotoper av hydrogen

Isotoper av noen grunnstoffer er så kjente og utbredte i naturen at de har fått sine egne navn. Det mest slående og enkleste eksemplet på dette er hydrogen. Det finnes naturlig i sin vanligste form, protium. Dette elementet har et massenummer på 1, og kjernen består av ett proton.

Så hva er hydrogenisotoper i kjemi? Som kjent har atomene til dette stoffet det første tallet i det periodiske systemet og er følgelig utstyrt med et ladningsnummer på 1 i naturen, men antallet nøytroner i kjernen til et atom er forskjellig. Deuterium, som er tungt hydrogen, har i tillegg til protonet en annen partikkel i kjernen, det vil si et nøytron. Som et resultat utviser dette stoffet sine egne fysiske egenskaper, i motsetning til protium, med sin egen vekt, smelte- og kokepunkt.

Tritium

Tritium er det mest komplekse av alle. Dette er supertungt hydrogen. I følge definisjonen av isotoper i kjemi har den et ladningstall på 1, men et massetall på 3. Det kalles ofte et triton fordi det i tillegg til ett proton har to nøytroner i kjernen, det vil si at det består av av tre elementer. Navnet på dette elementet, oppdaget i 1934 av Rutherford, Oliphant og Harteck, ble foreslått allerede før det ble oppdaget.

Dette er et ustabilt stoff som viser radioaktive egenskaper. Kjernen har evnen til å dele seg i en beta-partikkel og en elektron-antinøytrino. Forfallsenergien til dette stoffet er ikke veldig høy og utgjør 18,59 keV. Derfor er slik stråling ikke for farlig for mennesker. Vanlige klær og operasjonshansker kan beskytte mot det. Og dette radioaktive elementet hentet fra mat blir raskt eliminert fra kroppen.

Isotoper av uran

Mye farligere er de ulike typene uran, som vitenskapen i dag kjenner til 26. Derfor, når man snakker om hva isotoper er i kjemi, er det umulig å ikke nevne dette elementet. Til tross for mangfoldet av typer uran, forekommer bare tre isotoper i naturen. Disse inkluderer 234 U, 235 U, 238 U. Den første av dem, som har passende egenskaper, brukes aktivt som drivstoff i atomreaktorer. Og sistnevnte er for produksjon av plutonium-239, som i sin tur er uerstattelig som et verdifullt drivstoff.

Hvert av de radioaktive grunnstoffene er preget av sine egne. Dette er hvor lang tid stoffet deles i forholdet ½. Det vil si at som et resultat av denne prosessen halveres mengden av den gjenværende delen av stoffet. Denne tidsperioden er enorm for uran. For eksempel, for isotop-234 er det estimert til 270 tusen år, men for de to andre spesifiserte variantene er det mye mer betydelig. Uran-238 har en rekordhalveringstid, som varer milliarder av år.

Nuklider

Ikke alle typer atomer, karakterisert ved sitt eget og strengt definerte antall protoner og elektroner, er så stabile at de eksisterer i minst en lang periode som er tilstrekkelig for studier. De som er relativt stabile kalles nuklider. Stabile formasjoner av denne typen gjennomgår ikke radioaktivt forfall. Ustabile kalles radionuklider og deles på sin side også inn i kortlivede og langlivede. Som du vet fra 11. klasses kjemitimer om strukturen til isotopatomer, har osmium og platina det største antallet radionuklider. Kobolt og gull har én stabil nuklid hver, og tinn har det største antallet stabile nuklider.

Beregning av atomnummeret til en isotop

Nå skal vi prøve å oppsummere informasjonen beskrevet tidligere. Etter å ha forstått hva isotoper er i kjemi, er det på tide å finne ut hvordan du kan bruke kunnskapen som er oppnådd. La oss se på dette med et spesifikt eksempel. Anta at det er kjent at et visst kjemisk element har et massenummer på 181. Dessuten inneholder skallet til et atom av dette stoffet 73 elektroner. Hvordan kan du bruke det periodiske systemet til å finne ut navnet på et gitt grunnstoff, samt antall protoner og nøytroner i kjernen?

La oss begynne å løse problemet. Du kan bestemme navnet på et stoff ved å kjenne dets serienummer, som tilsvarer antall protoner. Siden antallet positive og negative ladninger i et atom er like, er det 73. Dette betyr at det er tantal. Dessuten er det totale antallet nukleoner totalt 181, noe som betyr at protonene til dette elementet er 181 - 73 = 108. Ganske enkelt.

Isotoper av gallium

Grunnstoffet gallium har atomnummer 71. I naturen har dette stoffet to isotoper - 69 Ga og 71 Ga. Hvordan bestemme prosentandelen av galliumarter?

Å løse problemer på isotoper i kjemi involverer nesten alltid informasjon som kan hentes fra det periodiske systemet. Denne gangen bør du gjøre det samme. La oss bestemme den gjennomsnittlige atommassen fra den angitte kilden. Det er lik 69,72. Etter å ha angitt med x og y det kvantitative forholdet til den første og andre isotopen, tar vi summen deres lik 1. Dette betyr at dette vil bli skrevet i form av en ligning: x + y = 1. Det følger at 69x + 71y = 69,72. Ved å uttrykke y i form av x og erstatte den første ligningen med den andre, finner vi at x = 0,64 og y = 0,36. Dette betyr at 69 Ga finnes i naturen 64%, og prosentandelen av 71 Ga er 34%.

Isotopiske transformasjoner

Radioaktiv fisjon av isotoper med deres transformasjon til andre elementer er delt inn i tre hovedtyper. Den første av disse er alfa-forfall. Det skjer med utslipp av en partikkel som representerer kjernen til et heliumatom. Det vil si at dette er en formasjon som består av en kombinasjon av par av nøytroner og protoner. Siden mengden av sistnevnte bestemmer ladningstallet og antallet av atomet til et stoff i det periodiske systemet, er det som et resultat av denne prosessen en kvalitativ transformasjon av ett element til et annet, og i tabellen skifter det til venstre ved å to celler. I dette tilfellet reduseres massetallet til elementet med 4 enheter. Dette vet vi fra strukturen til isotopatomer.

Når kjernen til et atom mister en beta-partikkel, i hovedsak et elektron, endres sammensetningen. Et av nøytronene forvandles til et proton. Dette betyr at de kvalitative egenskapene til stoffet endres igjen, og elementet skifter i tabellen en celle til høyre, uten praktisk talt å gå ned i vekt. Vanligvis er en slik transformasjon assosiert med elektromagnetisk gammastråling.

Radium isotop transformasjon

Ovennevnte informasjon og kunnskap fra klasse 11 kjemi om isotoper hjelper igjen med å løse praktiske problemer. For eksempel følgende: 226 Ra under forfall blir til et kjemisk grunnstoff i gruppe IV, med et massetall på 206. Hvor mange alfa- og beta-partikler bør det miste?

Når man tar i betraktning endringene i massen og gruppen til datterelementet, ved hjelp av det periodiske systemet, er det lett å bestemme at isotopen som dannes under spaltningen vil være bly med en ladning på 82 og et massetall på 206. Og tar man hensyn til ta hensyn til ladningsnummeret til dette elementet og det opprinnelige radiumet, bør det antas at kjernen har mistet fem alfa-partikler og fire beta-partikler.

Bruk av radioaktive isotoper

Alle er godt klar over hvilken skade radioaktiv stråling kan forårsake for levende organismer. Imidlertid er egenskapene til radioaktive isotoper nyttige for mennesker. De brukes med hell i mange bransjer. Med deres hjelp er det mulig å oppdage lekkasjer i ingeniør- og konstruksjonskonstruksjoner, underjordiske rørledninger og oljerørledninger, lagertanker og varmevekslere i kraftverk.

Disse egenskapene brukes også aktivt i vitenskapelige eksperimenter. For eksempel er tsetsefluen bærer av mange alvorlige sykdommer for mennesker, husdyr og husdyr. For å forhindre dette steriliseres hanner av disse insektene med svak radioaktiv stråling. Isotoper er også uunnværlige for å studere mekanismene til visse kjemiske reaksjoner, fordi atomer av disse elementene kan brukes til å merke vann og andre stoffer.

Merkede isotoper brukes også ofte i biologisk forskning. Slik ble det for eksempel slått fast hvordan fosfor påvirker jord, vekst og utvikling av kulturplanter. Egenskapene til isotoper er også vellykket brukt i medisin, noe som har gjort det mulig å behandle kreftsvulster og andre alvorlige sykdommer og bestemme alderen til biologiske organismer.