Nhắc lại nội dung chính của đề tài “Các khái niệm cơ bản về hóa học” và giải các bài toán đã đặt ra. Sử dụng số 6-17.

Quy định cơ bản

1. Chất(đơn giản và phức tạp) là bất kỳ tập hợp các nguyên tử và phân tử nào nằm ở trạng thái kết hợp nhất định.

Sự biến đổi của các chất kèm theo sự thay đổi thành phần và (hoặc) cấu trúc của chúng được gọi là phản ứng hoá học .

2. Đơn vị kết cấu vật liệu xây dựng:

· nguyên tử- hạt trung hòa điện nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học hoặc chất đơn giản, có tất cả các tính chất hóa học và không thể phân chia về mặt vật lý và hóa học.

· phân tử- hạt trung hòa điện nhỏ nhất của một chất, có tất cả các tính chất hóa học, không thể phân chia về mặt vật lý nhưng có thể phân chia về mặt hóa học.

3. Nguyên tố hóa học - Đây là loại nguyên tử có điện tích hạt nhân nhất định.

4. hợp chất nguyên tử :

hạt	Làm thế nào để xác định?	Thù lao		Cân nặng
		Cl	đơn vị thông thường		a.e.m.
điện tử	Theo thứ tự Con số (N)	1.6 ∙ 10 -19		9.10 ∙ 10 -28	0.00055
proton	Theo thứ tự con số (N)	1.6 ∙ 10 -19		1.67 ∙ 10 -24	1.00728
neutron	Ar–N			1.67 ∙ 10 -24	1.00866

5. hợp chất hạt nhân nguyên tử :

Hạt nhân chứa các hạt cơ bản ( nucleon) –

proton(1 1 p ) và neutron(1 0 n ).

· Bởi vì Hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân và m p ≈ tôi n≈ 1 bạn, Cái đó giá trị làm trònA rcủa một nguyên tố hóa học bằng tổng số nucleon có trong hạt nhân.

7. đồng vị- nhiều nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, chỉ khác nhau về khối lượng.

· Ký hiệu đồng vị: bên trái ký hiệu nguyên tố biểu thị số khối (trên) và số hiệu nguyên tử của nguyên tố (dưới)

· Tại sao các đồng vị có khối lượng khác nhau?

Bài tập: Xác định thành phần nguyên tử của các đồng vị clo: 35 17Clvà 37 17Cl?

· Các đồng vị có khối lượng khác nhau do số nơtron trong hạt nhân của chúng khác nhau.

8. Trong tự nhiên, các nguyên tố hóa học tồn tại ở dạng hỗn hợp các đồng vị.

Thành phần đồng vị của cùng một nguyên tố hóa học được biểu thị bằng phân số nguyên tử(ω tại.), cho biết phần nào số nguyên tử của một đồng vị nhất định tạo thành từ tổng số nguyên tử của tất cả các đồng vị của một nguyên tố nhất định, được coi là một hoặc 100%.

Ví dụ:

ω tại (35 17 Cl) = 0,754

ω tại (37 17 Cl) = 0,246

9. Bảng tuần hoàn hiển thị giá trị trung bình của khối lượng nguyên tử tương đối của các nguyên tố hóa học, có tính đến thành phần đồng vị của chúng. Do đó, Ar được chỉ ra trong bảng là phân số.

A rThứ Tư= ω tại.(1) ∙ Ar (1) + … + ω Tại.(N ) ∙ Ar ( N )

Ví dụ:

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

10. Vấn đề cần giải quyết:

Số 1. Xác định khối lượng nguyên tử tương đối của bo nếu biết phần mol của đồng vị 10 B là 19,6% và đồng vị 11 B là 80,4%.

11. Khối lượng của nguyên tử và phân tử rất nhỏ. Hiện nay, một hệ thống đo lường thống nhất đã được áp dụng trong vật lý và hóa học.

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

Khối lượng tuyệt đối của một số nguyên tử:

tôi( C) =1,99268 ∙ 10 -23 g

tôi( H) =1,67375 ∙ 10 -24 g

tôi( ồ) =2,656812 ∙ 10 -23 g

A r– cho biết một nguyên tử nhất định nặng hơn 1/12 của nguyên tử 12 C bao nhiêu lần. Ông∙ 1,66 ∙ 10 -27kg

13. Số lượng nguyên tử, phân tử trong các mẫu chất thông thường là rất lớn nên khi mô tả hàm lượng của một chất, người ta sử dụng đơn vị đo -nốt ruồi .

· nốt ruồi (ν)– đơn vị đại lượng của một chất chứa cùng số lượng hạt (phân tử, nguyên tử, ion, electron) bằng số nguyên tử có trong 12 g đồng vị 12 C

· Khối lượng của 1 nguyên tử 12 C bằng 12 amu nên số nguyên tử trong 12 g đồng vị 12 C bằng:

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

· Đại lượng vật lý N A gọi điện hằng số Avogadro (số Avogadro) và có thứ nguyên [N A] = mol -1.

14. Công thức cơ bản:

M = Ông = ρ ∙ V m(ρ – mật độ; V m – thể tích ở mức 0)

Vấn đề cần giải quyết độc lập

Số 1. Tính số nguyên tử nitơ có trong 100 g amoni cacbonat chứa 10% tạp chất không phải nitơ.

Số 2. Ở điều kiện bình thường, 12 lít hỗn hợp khí gồm amoniac và carbon dioxide có khối lượng 18 g.

Số 3. Khi tiếp xúc với lượng axit clohydric dư, 8,24 g hỗn hợp oxit mangan (IV) với oxit MO 2 chưa biết, không phản ứng với axit clohydric, thu được 1,344 lít khí ở điều kiện môi trường xung quanh. Trong một thí nghiệm khác, người ta xác định được rằng tỷ lệ mol của oxit mangan (IV) đối với oxit chưa biết là 3:1. Xác định công thức của oxit chưa biết và tính phần khối lượng của nó trong hỗn hợp.

Nghiên cứu hiện tượng phóng xạ, các nhà khoa học thập niên đầu thế kỷ 20. đã phát hiện ra một số lượng lớn các chất phóng xạ - khoảng 40. Có nhiều chất phóng xạ hơn đáng kể so với số lượng vị trí tự do trong bảng tuần hoàn các nguyên tố giữa bismuth và uranium. Bản chất của những chất này đã gây tranh cãi. Một số nhà nghiên cứu coi chúng là các nguyên tố hóa học độc lập, nhưng trong trường hợp này, câu hỏi về vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn hóa ra lại không thể giải quyết được. Những người khác thường từ chối quyền được gọi là các phần tử theo nghĩa cổ điển. Năm 1902, nhà vật lý người Anh D. Martin gọi những chất đó là nguyên tố phóng xạ. Khi chúng được nghiên cứu, người ta thấy rõ rằng một số nguyên tố phóng xạ có đặc tính hóa học giống hệt nhau nhưng khác nhau về khối lượng nguyên tử. Tình tiết này mâu thuẫn với những quy định cơ bản của định luật tuần hoàn. Nhà khoa học người Anh F. Soddy đã giải quyết được mâu thuẫn. Năm 1913, ông gọi các nguyên tố phóng xạ tương tự nhau về mặt hóa học là các đồng vị (từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “giống nhau” và “vị trí”), nghĩa là chúng chiếm cùng một vị trí trong bảng tuần hoàn. Các nguyên tố phóng xạ hóa ra là đồng vị của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Tất cả chúng được kết hợp thành ba họ phóng xạ, tổ tiên của chúng là đồng vị của thori và uranium.

Đồng vị của oxy. Đồng vị của kali và argon (đồng vị là các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau có cùng số khối).

Số lượng đồng vị ổn định của các nguyên tố chẵn và lẻ.

Rõ ràng là các nguyên tố hóa học ổn định khác cũng có đồng vị. Công lao chính cho khám phá của họ thuộc về nhà vật lý người Anh F. Aston. Ông đã phát hiện ra các đồng vị ổn định của nhiều nguyên tố.

Theo quan điểm hiện đại, đồng vị là các dạng nguyên tử của một nguyên tố hóa học: chúng có khối lượng nguyên tử khác nhau, nhưng có cùng điện tích hạt nhân.

Do đó, hạt nhân của chúng chứa cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron. Ví dụ, các đồng vị tự nhiên của oxy có Z = 8 lần lượt chứa 8, 9 và 10 neutron trong hạt nhân của chúng. Tổng số proton và neutron trong hạt nhân của một đồng vị được gọi là số khối A. Do đó, số khối của các đồng vị oxy được chỉ định là 16, 17 và 18. Ngày nay, tên gọi sau đây cho các đồng vị được chấp nhận: giá trị Z được cho ở phía dưới bên trái của ký hiệu phần tử, giá trị A được cho ở phía trên bên trái. Ví dụ: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Kể từ khi phát hiện hiện tượng phóng xạ nhân tạo, khoảng 1.800 đồng vị phóng xạ nhân tạo đã được tạo ra bằng phản ứng hạt nhân đối với các nguyên tố có Z từ 1 đến 110. Phần lớn các đồng vị phóng xạ nhân tạo có chu kỳ bán rã rất ngắn, tính bằng giây và phân số của giây. ; chỉ một số ít có tuổi thọ tương đối dài (ví dụ: 10 Be - 2,7 10 6 năm, 26 Al - 8 10 5 năm, v.v.).

Các nguyên tố ổn định trong tự nhiên có khoảng 280 đồng vị. Tuy nhiên, một số trong chúng hóa ra có tính phóng xạ yếu, có chu kỳ bán rã rất lớn (ví dụ: 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Tuổi thọ của các đồng vị này dài đến mức chúng có thể được coi là ổn định.

Vẫn còn nhiều thách thức trong thế giới đồng vị ổn định. Vì vậy, không rõ tại sao số lượng của chúng lại khác nhau rất nhiều giữa các nguyên tố khác nhau. Khoảng 25% các nguyên tố ổn định (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) có mặt trong bản chất chỉ có một loại nguyên tử. Đây là những yếu tố được gọi là đơn lẻ. Điều thú vị là tất cả chúng (trừ Be) đều có giá trị Z lẻ. Nói chung, đối với các nguyên tố lẻ, số lượng đồng vị ổn định không vượt quá hai. Ngược lại, một số nguyên tố Z chẵn bao gồm một số lượng lớn các đồng vị (ví dụ Xe có 9, Sn có 10 đồng vị ổn định).

Tập hợp các đồng vị ổn định của một nguyên tố nhất định được gọi là thiên hà. Nội dung của chúng trong thiên hà thường biến động rất lớn. Thật thú vị khi lưu ý rằng hàm lượng cao nhất là các đồng vị có số khối là bội số của 4 (12 C, 16 O, 20 Ca, v.v.), mặc dù vẫn có những ngoại lệ đối với quy tắc này.

Việc phát hiện ra các đồng vị ổn định giúp giải quyết được bí ẩn lâu đời về khối lượng nguyên tử - độ lệch của chúng so với các số nguyên, được giải thích bằng tỷ lệ phần trăm khác nhau của các đồng vị ổn định của các nguyên tố trong thiên hà.

Trong vật lý hạt nhân, khái niệm “isobar” đã được biết đến. Đồng vị là đồng vị của các nguyên tố khác nhau (nghĩa là có giá trị Z khác nhau) có cùng số khối. Việc nghiên cứu các đồng vị đã góp phần thiết lập nhiều mô hình quan trọng về hoạt động và tính chất của hạt nhân nguyên tử. Một trong những khuôn mẫu này được thể hiện bằng quy luật do nhà hóa học Liên Xô S. A. Shchukarev và nhà vật lý người Đức I. Mattauch đưa ra. Nó nói: nếu hai isobar khác nhau về giá trị Z 1, thì một trong số chúng chắc chắn sẽ có tính phóng xạ. Một ví dụ kinh điển về cặp đồng vị là 40 18 Ar - 40 19 K. Trong đó, đồng vị kali có tính phóng xạ. Quy tắc Shchukarev-Mattauch có thể giải thích tại sao không có đồng vị ổn định trong các nguyên tố technetium (Z = 43) và promethium (Z = 61). Vì chúng có các giá trị Z lẻ nên không thể mong đợi có nhiều hơn hai đồng vị ổn định ở chúng. Nhưng hóa ra các đồng vị của technetium và promethium, tương ứng là các đồng vị của molypden (Z = 42) và ruthenium (Z = 44), neodymium (Z = 60) và samarium (Z = 62), được thể hiện trong tự nhiên bằng tính chất ổn định. các loại nguyên tử có số khối khác nhau. Vì vậy, các định luật vật lý cấm sự tồn tại của các đồng vị ổn định của technetium và promethium. Đây là lý do tại sao những nguyên tố này không thực sự tồn tại trong tự nhiên và phải được tổng hợp một cách nhân tạo.

Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng phát triển một hệ thống đồng vị định kỳ. Tất nhiên, nó dựa trên các nguyên tắc khác với cơ sở của bảng tuần hoàn các nguyên tố. Nhưng những nỗ lực này vẫn chưa mang lại kết quả khả quan. Đúng vậy, các nhà vật lý đã chứng minh rằng trình tự lấp đầy các lớp vỏ proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử về nguyên tắc tương tự như cấu tạo của các lớp vỏ electron và lớp con trong nguyên tử (xem Nguyên tử).

Lớp vỏ electron của các đồng vị của một nguyên tố nhất định được cấu tạo theo cùng một cách. Do đó, tính chất hóa học và vật lý của chúng gần như giống hệt nhau. Chỉ các đồng vị hydro (protium và deuterium) và các hợp chất của chúng mới thể hiện sự khác biệt đáng chú ý về tính chất. Ví dụ, nước nặng (D 2 O) đóng băng ở nhiệt độ +3,8, sôi ở 101,4 ° C, có mật độ 1,1059 g/cm 3 và không hỗ trợ sự sống của động vật và thực vật. Trong quá trình điện phân nước thành hydro và oxy, chủ yếu là các phân tử H 2 0 bị phân hủy, trong khi các phân tử nước nặng vẫn còn trong máy điện phân.

Việc tách các đồng vị của các nguyên tố khác là một công việc cực kỳ khó khăn. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cần phải có các đồng vị của các nguyên tố riêng lẻ có độ phong phú thay đổi đáng kể so với độ phong phú tự nhiên. Ví dụ, khi giải bài toán năng lượng nguyên tử, cần phải tách các đồng vị 235 U và 238 U. Với mục đích này, phương pháp khối phổ lần đầu tiên được sử dụng, với sự trợ giúp của nó đã thu được những kg uranium-235 đầu tiên ở Mỹ vào năm 1944 Tuy nhiên, phương pháp này tỏ ra quá tốn kém và đã được thay thế bằng phương pháp khuếch tán khí sử dụng UF 6. Hiện nay có một số phương pháp tách đồng vị nhưng chúng đều khá phức tạp và đắt tiền. Chưa hết, bài toán “phân chia những gì không thể tách rời” đang được giải quyết thành công.

Một ngành khoa học mới đã xuất hiện - hóa học đồng vị. Cô nghiên cứu hành vi của các đồng vị khác nhau của các nguyên tố hóa học trong các phản ứng hóa học và quá trình trao đổi đồng vị. Kết quả của các quá trình này là các đồng vị của một nguyên tố nhất định được phân phối lại giữa các chất phản ứng. Đây là ví dụ đơn giản nhất: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (một phân tử nước trao đổi một nguyên tử protium lấy một nguyên tử deuterium). Địa hóa học của các đồng vị cũng đang phát triển. Cô nghiên cứu các biến thể trong thành phần đồng vị của các nguyên tố khác nhau trong vỏ trái đất.

Được sử dụng rộng rãi nhất là cái gọi là nguyên tử được dán nhãn - đồng vị phóng xạ nhân tạo của các nguyên tố ổn định hoặc đồng vị ổn định. Với sự trợ giúp của các chỉ số đồng vị - các nguyên tử được dán nhãn - họ nghiên cứu đường chuyển động của các nguyên tố trong thiên nhiên sống và vô tri, bản chất của sự phân bố các chất và nguyên tố trong các vật thể khác nhau. Đồng vị được sử dụng trong công nghệ hạt nhân: làm vật liệu xây dựng lò phản ứng hạt nhân; làm nhiên liệu hạt nhân (đồng vị của thori, uranium, plutonium); trong phản ứng tổng hợp nhiệt hạch (đơteri, 6 Li, 3 He). Đồng vị phóng xạ cũng được sử dụng rộng rãi làm nguồn bức xạ.

Có lẽ không có một người nào trên trái đất chưa từng nghe nói đến đồng vị. Nhưng không phải ai cũng biết nó là gì. Cụm từ “đồng vị phóng xạ” nghe có vẻ đặc biệt đáng sợ. Những nguyên tố hóa học kỳ lạ này khiến nhân loại khiếp sợ, nhưng thực tế chúng không đáng sợ như thoạt nhìn.

Sự định nghĩa

Để hiểu khái niệm về các nguyên tố phóng xạ, trước tiên cần nói rằng đồng vị là các mẫu của cùng một nguyên tố hóa học nhưng có khối lượng khác nhau. Nó có nghĩa là gì? Các câu hỏi sẽ biến mất nếu lần đầu tiên chúng ta nhớ lại cấu trúc của nguyên tử. Nó bao gồm các electron, proton và neutron. Số lượng của hai hạt cơ bản đầu tiên trong hạt nhân nguyên tử luôn không đổi, trong khi neutron, có khối lượng riêng, có thể xuất hiện trong cùng một chất với số lượng khác nhau. Hoàn cảnh này làm phát sinh nhiều loại nguyên tố hóa học có tính chất vật lý khác nhau.

Bây giờ chúng ta có thể đưa ra một định nghĩa khoa học cho khái niệm đang nghiên cứu. Vì vậy, đồng vị là tập hợp các nguyên tố hóa học có tính chất tương tự nhau nhưng có khối lượng và tính chất vật lý khác nhau. Theo thuật ngữ hiện đại hơn, chúng được gọi là thiên hà gồm các nucleotide của một nguyên tố hóa học.

Một ít lịch sử

Vào đầu thế kỷ trước, các nhà khoa học phát hiện ra rằng cùng một hợp chất hóa học trong những điều kiện khác nhau có thể có khối lượng hạt nhân electron khác nhau. Từ quan điểm lý thuyết thuần túy, những nguyên tố như vậy có thể được coi là mới và chúng có thể bắt đầu lấp đầy các ô trống trong bảng tuần hoàn của D. Mendeleev. Nhưng chỉ có chín tế bào tự do trong đó và các nhà khoa học đã phát hiện ra hàng chục nguyên tố mới. Ngoài ra, các tính toán toán học cho thấy các hợp chất được phát hiện không thể được coi là chưa biết trước đây, bởi vì tính chất hóa học của chúng hoàn toàn tương ứng với đặc điểm của các hợp chất hiện có.

Sau những cuộc thảo luận kéo dài, người ta quyết định gọi những nguyên tố này là đồng vị và đặt chúng vào cùng một hộp với những nguyên tố có hạt nhân chứa cùng số electron. Các nhà khoa học đã có thể xác định rằng đồng vị chỉ là một số biến thể của các nguyên tố hóa học. Tuy nhiên, nguyên nhân xuất hiện và tuổi thọ của chúng đã được nghiên cứu trong gần một thế kỷ. Ngay cả vào đầu thế kỷ 21, không thể nói rằng nhân loại biết tuyệt đối mọi thứ về đồng vị.

Biến đổi liên tục và không ổn định

Mỗi nguyên tố hóa học có một số đồng vị. Do có các neutron tự do trong hạt nhân của chúng nên không phải lúc nào chúng cũng tạo được liên kết ổn định với phần còn lại của nguyên tử. Sau một thời gian, các hạt tự do rời khỏi hạt nhân, làm thay đổi khối lượng và tính chất vật lý của nó. Bằng cách này, các đồng vị khác được hình thành, cuối cùng dẫn đến sự hình thành một chất có số proton, neutron và electron bằng nhau.

Những chất phân rã rất nhanh được gọi là đồng vị phóng xạ. Chúng giải phóng một lượng lớn neutron vào không gian, tạo thành bức xạ gamma ion hóa cực mạnh, được biết đến với khả năng xuyên thấu mạnh, ảnh hưởng tiêu cực đến các sinh vật sống.

Các đồng vị ổn định hơn không có tính phóng xạ, vì số lượng neutron tự do do chúng giải phóng không có khả năng tạo ra bức xạ và ảnh hưởng đáng kể đến các nguyên tử khác.

Cách đây khá lâu, các nhà khoa học đã thiết lập một mô hình quan trọng: mỗi nguyên tố hóa học có đồng vị riêng, bền hoặc phóng xạ. Điều thú vị là nhiều chất trong số đó thu được trong điều kiện phòng thí nghiệm và sự hiện diện của chúng ở dạng tự nhiên rất nhỏ và không phải lúc nào cũng được phát hiện bằng các thiết bị.

Phân bố trong tự nhiên

Trong điều kiện tự nhiên, các chất thường được tìm thấy có khối lượng đồng vị được xác định trực tiếp bằng số thứ tự trong bảng của D. Mendeleev. Ví dụ, hydro, ký hiệu là H, có số nguyên tử là 1 và khối lượng của nó bằng một. Đồng vị của nó, 2H và 3H, cực kỳ hiếm trong tự nhiên.

Ngay cả cơ thể con người cũng có một số đồng vị phóng xạ. Chúng xâm nhập qua thức ăn dưới dạng đồng vị carbon, sau đó được thực vật hấp thụ từ đất hoặc không khí và trở thành một phần của chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. Vì vậy, con người, động vật và thực vật đều phát ra một lượng bức xạ nền nhất định. Chỉ có điều nó ở mức thấp đến mức không cản trở hoạt động và tăng trưởng bình thường.

Các nguồn góp phần hình thành các đồng vị là các lớp bên trong lõi trái đất và bức xạ từ không gian.

Như bạn đã biết, nhiệt độ trên một hành tinh phần lớn phụ thuộc vào lõi nóng của nó. Nhưng chỉ gần đây người ta mới biết rõ rằng nguồn nhiệt này là một phản ứng nhiệt hạch phức tạp trong đó các đồng vị phóng xạ tham gia.

Phân rã đồng vị

Vì các đồng vị là những dạng không ổn định nên có thể giả định rằng theo thời gian chúng luôn phân rã thành hạt nhân bền vững hơn của các nguyên tố hóa học. Nhận định này đúng vì các nhà khoa học vẫn chưa thể phát hiện được lượng đồng vị phóng xạ khổng lồ trong tự nhiên. Và hầu hết những thứ được chiết xuất trong phòng thí nghiệm đều tồn tại từ vài phút đến vài ngày, sau đó biến trở lại thành các nguyên tố hóa học thông thường.

Nhưng cũng có những đồng vị trong tự nhiên có khả năng chống phân rã rất cao. Chúng có thể tồn tại hàng tỷ năm. Những yếu tố như vậy đã được hình thành từ thời xa xưa, khi trái đất vẫn đang được hình thành và thậm chí chưa có một lớp vỏ rắn trên bề mặt của nó.

Đồng vị phóng xạ phân rã và hình thành lại rất nhanh. Vì vậy, để thuận tiện cho việc đánh giá độ ổn định của đồng vị, các nhà khoa học quyết định xem xét loại chu kỳ bán rã của nó.

Nửa đời

Có thể không phải tất cả độc giả đều hiểu ngay được ý nghĩa của khái niệm này. Hãy xác định nó. Chu kỳ bán rã của một đồng vị là thời gian mà một nửa thông thường của chất được lấy vào sẽ không còn tồn tại.

Điều này không có nghĩa là phần còn lại của kết nối sẽ bị phá hủy trong cùng một khoảng thời gian. Liên quan đến nửa này, cần phải xem xét một loại khác - khoảng thời gian mà phần thứ hai của nó, tức là một phần tư lượng chất ban đầu, sẽ biến mất. Và sự cân nhắc này tiếp tục đến vô tận. Có thể giả định rằng đơn giản là không thể tính được thời gian phân hủy hoàn toàn lượng chất ban đầu, vì quá trình này thực tế là vô tận.

Tuy nhiên, các nhà khoa học khi biết chu kỳ bán rã có thể xác định được lượng chất này tồn tại lúc đầu là bao nhiêu. Những dữ liệu này được sử dụng thành công trong các ngành khoa học liên quan.

Trong thế giới khoa học hiện đại, khái niệm phân rã hoàn toàn thực tế không được sử dụng. Đối với mỗi đồng vị, người ta thường chỉ ra chu kỳ bán rã của nó, thay đổi từ vài giây đến nhiều tỷ năm. Chu kỳ bán rã càng thấp thì chất đó càng phát ra nhiều bức xạ và độ phóng xạ của nó càng cao.

sự làm giàu hóa thạch

Trong một số ngành khoa học và công nghệ, việc sử dụng lượng chất phóng xạ tương đối lớn được coi là bắt buộc. Tuy nhiên, trong điều kiện tự nhiên có rất ít hợp chất như vậy.

Được biết, đồng vị là biến thể không phổ biến của các nguyên tố hóa học. Số lượng của chúng được đo bằng vài phần trăm của giống kháng bệnh tốt nhất. Đây là lý do tại sao các nhà khoa học cần làm giàu vật liệu hóa thạch một cách nhân tạo.

Qua nhiều năm nghiên cứu, chúng tôi biết được rằng sự phân rã của một đồng vị đi kèm với một phản ứng dây chuyền. Các neutron được giải phóng của một chất bắt đầu ảnh hưởng đến chất khác. Kết quả là các hạt nhân nặng phân rã thành các hạt nhẹ hơn và thu được các nguyên tố hóa học mới.

Hiện tượng này được gọi là phản ứng dây chuyền, nhờ đó có thể thu được các đồng vị ổn định hơn nhưng ít phổ biến hơn, sau đó được sử dụng trong nền kinh tế quốc dân.

Ứng dụng năng lượng phân rã

Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng trong quá trình phân rã của đồng vị phóng xạ, một lượng năng lượng tự do khổng lồ được giải phóng. Lượng của nó thường được đo bằng đơn vị Curie, bằng thời gian phân hạch của 1 g radon-222 trong 1 giây. Chỉ số này càng cao thì năng lượng được giải phóng càng nhiều.

Điều này trở thành lý do để phát triển các cách sử dụng năng lượng tự do. Đây là cách các lò phản ứng hạt nhân xuất hiện, trong đó có đặt đồng vị phóng xạ. Hầu hết năng lượng do nó giải phóng được thu thập và chuyển đổi thành điện năng. Dựa trên những lò phản ứng này, các nhà máy điện hạt nhân được tạo ra để cung cấp điện rẻ nhất. Các phiên bản nhỏ hơn của các lò phản ứng như vậy được lắp đặt trên các cơ chế tự hành. Do nguy cơ xảy ra tai nạn, tàu ngầm thường được sử dụng làm phương tiện như vậy. Trong trường hợp lò phản ứng gặp sự cố, số thương vong trên tàu ngầm sẽ dễ dàng giảm thiểu hơn.

Một cách sử dụng năng lượng bán rã rất đáng sợ khác là bom nguyên tử. Trong Thế chiến thứ hai, chúng đã được thử nghiệm trên người ở các thành phố Hiroshima và Nagasaki của Nhật Bản. Hậu quả rất đau buồn. Vì vậy, trên thế giới đã có một thỏa thuận về việc không sử dụng những loại vũ khí nguy hiểm này. Đồng thời, các quốc gia lớn tập trung vào quân sự hóa vẫn tiếp tục nghiên cứu trong lĩnh vực này cho đến ngày nay. Ngoài ra, nhiều người trong số họ, bí mật với cộng đồng thế giới, đang sản xuất bom nguyên tử, nguy hiểm gấp hàng nghìn lần so với loại được sử dụng ở Nhật Bản.

Đồng vị trong y học

Vì mục đích hòa bình, họ đã học cách sử dụng sự phân rã của đồng vị phóng xạ trong y học. Bằng cách hướng bức xạ đến vùng bị ảnh hưởng của cơ thể, có thể ngăn chặn quá trình bệnh hoặc giúp bệnh nhân hồi phục hoàn toàn.

Nhưng đồng vị phóng xạ thường được sử dụng để chẩn đoán. Vấn đề là chuyển động của chúng và tính chất của cụm sao dễ dàng được xác định nhất bởi bức xạ mà chúng tạo ra. Do đó, một lượng chất phóng xạ không nguy hiểm nhất định được tiêm vào cơ thể con người và các bác sĩ sử dụng các dụng cụ để quan sát cách thức và nơi nó xâm nhập.

Bằng cách này, họ chẩn đoán hoạt động của não, bản chất của khối u ung thư và đặc điểm hoạt động của các tuyến nội tiết và ngoại tiết.

Ứng dụng trong khảo cổ học

Được biết, các sinh vật sống luôn chứa chất phóng xạ carbon-14, chu kỳ bán rã của đồng vị này là 5570 năm. Ngoài ra, các nhà khoa học còn biết lượng nguyên tố này được chứa trong cơ thể cho đến thời điểm chết. Điều này có nghĩa là tất cả các cây bị chặt đều phát ra lượng bức xạ như nhau. Theo thời gian, cường độ bức xạ giảm dần.

Điều này giúp các nhà khảo cổ xác định được khoảng thời gian gỗ chế tạo tàu thuyền hoặc bất kỳ con tàu nào khác đã chết và do đó xác định được thời gian xây dựng. Phương pháp nghiên cứu này được gọi là phân tích carbon phóng xạ. Nhờ đó, các nhà khoa học dễ dàng xác lập niên đại của các sự kiện lịch sử hơn.

Người ta đã xác định rằng mọi nguyên tố hóa học tìm thấy trong tự nhiên đều là hỗn hợp các đồng vị (do đó chúng có khối lượng nguyên tử nhỏ). Để hiểu các đồng vị khác nhau như thế nào, cần phải xem xét chi tiết cấu trúc của nguyên tử. Một nguyên tử tạo thành hạt nhân và đám mây điện tử. Khối lượng của nguyên tử bị ảnh hưởng bởi các electron chuyển động với tốc độ đáng kinh ngạc thông qua các quỹ đạo trong đám mây điện tử, neutron và proton tạo nên hạt nhân.

Đồng vị là gì

đồng vị là một loại nguyên tử của một nguyên tố hóa học. Luôn có số lượng electron và proton bằng nhau trong bất kỳ nguyên tử nào. Vì chúng có điện tích trái dấu (electron âm và proton dương) nên nguyên tử luôn trung hòa (hạt cơ bản này không mang điện tích, nó bằng 0). Khi một electron bị mất hoặc bị bắt giữ, nguyên tử sẽ mất tính trung hòa, trở thành ion âm hoặc ion dương.
Neutron không có điện tích, nhưng số lượng của chúng trong hạt nhân nguyên tử của cùng một nguyên tố có thể khác nhau. Điều này không hề ảnh hưởng đến tính trung hòa của nguyên tử, nhưng nó ảnh hưởng đến khối lượng và tính chất của nó. Ví dụ, bất kỳ đồng vị nào của nguyên tử hydro đều chứa một electron và một proton. Nhưng số lượng neutron thì khác. Protium chỉ có 1 neutron, deuterium có 2 neutron và tritium có 3 neutron. Ba đồng vị này khác nhau rõ rệt về tính chất.

So sánh các đồng vị

Đồng vị khác nhau như thế nào? Chúng có số neutron khác nhau, khối lượng khác nhau và tính chất khác nhau. Các đồng vị có cấu trúc vỏ electron giống hệt nhau. Điều này có nghĩa là chúng khá giống nhau về tính chất hóa học. Vì vậy, chúng được xếp một vị trí trong bảng tuần hoàn.
Đồng vị ổn định và phóng xạ (không ổn định) đã được tìm thấy trong tự nhiên. Hạt nhân nguyên tử của đồng vị phóng xạ có khả năng tự biến đổi thành hạt nhân khác. Trong quá trình phân rã phóng xạ, chúng phát ra nhiều hạt khác nhau.
Hầu hết các nguyên tố có hơn hai chục đồng vị phóng xạ. Ngoài ra, các đồng vị phóng xạ được tổng hợp một cách nhân tạo cho tất cả các nguyên tố. Trong hỗn hợp đồng vị tự nhiên, hàm lượng của chúng thay đổi một chút.
Sự tồn tại của các đồng vị giúp người ta có thể hiểu tại sao, trong một số trường hợp, các nguyên tố có khối lượng nguyên tử thấp hơn lại có số nguyên tử cao hơn các nguyên tố có khối lượng nguyên tử cao hơn. Ví dụ, trong cặp argon-kali, argon bao gồm các đồng vị nặng và kali chứa các đồng vị nhẹ. Do đó khối lượng của argon lớn hơn khối lượng của kali.

ImGist xác định rằng sự khác biệt giữa các đồng vị như sau:

Chúng có số nơtron khác nhau.
Các đồng vị có khối lượng nguyên tử khác nhau.
Giá trị khối lượng của các nguyên tử ion ảnh hưởng đến tổng năng lượng và tính chất của chúng.

Ngay cả các triết gia cổ đại cũng cho rằng vật chất được tạo thành từ các nguyên tử. Tuy nhiên, các nhà khoa học bắt đầu nhận ra rằng bản thân các “khối xây dựng” của vũ trụ chỉ bao gồm những hạt nhỏ bé vào đầu thế kỷ 19 và 20. Các thí nghiệm chứng minh điều này đã từng tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong khoa học. Chính tỷ lệ định lượng của các bộ phận cấu thành của nó giúp phân biệt nguyên tố hóa học này với nguyên tố hóa học khác. Mỗi người trong số họ được chỉ định vị trí của nó theo số sê-ri. Nhưng có nhiều loại nguyên tử chiếm cùng một ô trong bảng, mặc dù có sự khác biệt về khối lượng và tính chất. Tại sao lại như vậy và đồng vị nào trong hóa học sẽ được thảo luận thêm.

Nguyên tử và các hạt của nó

Nghiên cứu cấu trúc của vật chất thông qua sự bắn phá bằng các hạt alpha, E. Rutherford đã chứng minh vào năm 1910 rằng không gian chính của nguyên tử chứa đầy khoảng trống. Và chỉ ở trung tâm mới là cốt lõi. Các electron âm di chuyển xung quanh nó theo quỹ đạo, tạo nên lớp vỏ của hệ thống này. Đây là cách tạo ra một mô hình hành tinh gồm các “khối xây dựng” của vật chất.

Đồng vị là gì? Hãy nhớ trong khóa học hóa học của bạn rằng hạt nhân cũng có cấu trúc phức tạp. Nó bao gồm các proton dương và neutron không mang điện tích. Số lượng trước đây xác định đặc tính chất lượng của nguyên tố hóa học. Chính số lượng proton giúp phân biệt các chất với nhau, mang lại cho hạt nhân của chúng một điện tích nhất định. Và trên cơ sở này, chúng được gán một số sê-ri trong bảng tuần hoàn. Nhưng số lượng neutron trong cùng một nguyên tố hóa học phân biệt chúng thành các đồng vị. Do đó, định nghĩa trong hóa học của khái niệm này có thể được đưa ra như sau. Đây là những loại nguyên tử khác nhau về thành phần hạt nhân, có cùng điện tích và số nguyên tử nhưng có số khối khác nhau do sự khác biệt về số lượng neutron.

Chỉ định

Khi học hóa học lớp 9 và đồng vị, học sinh sẽ được tìm hiểu về các quy ước được chấp nhận. Chữ Z chỉ điện tích của hạt nhân. Con số này trùng với số lượng proton và do đó là chỉ số của chúng. Tổng các nguyên tố có neutron đánh dấu N này là A - số khối. Một họ đồng vị của một chất thường được ký hiệu bằng ký hiệu của nguyên tố hóa học đó, trong bảng tuần hoàn được gán một số sê-ri trùng với số lượng proton trong đó. Chỉ số trên bên trái được thêm vào biểu tượng được chỉ định tương ứng với số khối. Ví dụ: 238 U. Điện tích của một nguyên tố (trong trường hợp này là uranium, được đánh dấu bằng số sê-ri 92) được biểu thị bằng chỉ số tương tự bên dưới.

Biết những dữ liệu này, bạn có thể dễ dàng tính toán số lượng neutron trong một đồng vị nhất định. Nó bằng số khối trừ đi số sê-ri: 238 - 92 = 146. Số lượng neutron có thể ít hơn, nhưng nguyên tố hóa học này sẽ không ngừng tồn tại ở uranium. Cần lưu ý rằng hầu hết các chất khác, đơn giản hơn, số lượng proton và neutron gần như nhau. Thông tin như vậy giúp hiểu được đồng vị là gì trong hóa học.

nucleon

Chính số lượng proton mang lại tính chất riêng cho một nguyên tố nhất định và số lượng neutron không ảnh hưởng đến nó dưới bất kỳ hình thức nào. Nhưng khối lượng nguyên tử được tạo thành từ hai nguyên tố cụ thể này, chúng có tên chung là “nucleon”, biểu thị tổng của chúng. Tuy nhiên, chỉ số này không phụ thuộc vào sự hình thành lớp vỏ tích điện âm của nguyên tử. Tại sao? Tất cả bạn phải làm là so sánh.

Tỷ lệ khối lượng proton trong nguyên tử rất lớn và lên tới xấp xỉ 1 a. e.m. hoặc 1.672 621 898(21) 10 -27 kg. Neutron gần giống với hiệu suất của hạt này (1,674 927 471(21)·10 -27 kg). Nhưng khối lượng của electron nhỏ hơn hàng nghìn lần nên được coi là không đáng kể và không được tính đến. Đó là lý do tại sao khi biết chỉ số trên của một nguyên tố trong hóa học, việc tìm ra thành phần của hạt nhân đồng vị không khó.

Đồng vị của hydro

Đồng vị của một số nguyên tố rất nổi tiếng và phổ biến trong tự nhiên đến nỗi chúng có tên riêng. Ví dụ nổi bật và đơn giản nhất về điều này là hydro. Nó được tìm thấy tự nhiên ở dạng phổ biến nhất là protium. Nguyên tố này có số khối là 1 và hạt nhân của nó gồm một proton.

Vậy đồng vị hydro trong hóa học là gì? Như đã biết, các nguyên tử của chất này có số đầu tiên trong bảng tuần hoàn và do đó, có số điện tích là 1 trong tự nhiên. Nhưng số lượng neutron trong hạt nhân của một nguyên tử thì khác. Deuterium, là hydro nặng, ngoài proton, còn có một hạt khác trong hạt nhân của nó, đó là neutron. Kết quả là chất này thể hiện các tính chất vật lý riêng, không giống như protium, có trọng lượng, điểm nóng chảy và điểm sôi riêng.

triti

Tritium là phức tạp nhất trong tất cả. Đây là hydro siêu nặng. Theo định nghĩa về đồng vị trong hóa học, nó có số điện tích là 1, nhưng số khối là 3. Nó thường được gọi là triton vì ngoài một proton, nó còn có hai neutron trong hạt nhân, nghĩa là nó bao gồm của ba yếu tố. Tên của nguyên tố này, được phát hiện vào năm 1934 bởi Rutherford, Oliphant và Harteck, đã được đề xuất ngay cả trước khi phát hiện ra nó.

Đây là một chất không ổn định thể hiện tính chất phóng xạ. Lõi của nó có khả năng phân tách thành hạt beta và phản neutrino electron. Năng lượng phân rã của chất này không cao lắm và lên tới 18,59 keV. Vì vậy, bức xạ như vậy không quá nguy hiểm đối với con người. Quần áo thông thường và găng tay phẫu thuật có thể bảo vệ chống lại nó. Và nguyên tố phóng xạ thu được từ thực phẩm này sẽ nhanh chóng được đào thải ra khỏi cơ thể.

Đồng vị của uranium

Nguy hiểm hơn nhiều là có nhiều loại uranium mà khoa học hiện nay đã biết đến 26 loại. Vì vậy, khi nói về đồng vị là gì trong hóa học thì không thể không nhắc đến nguyên tố này. Mặc dù có nhiều loại uranium khác nhau nhưng chỉ có ba đồng vị xuất hiện trong tự nhiên. Chúng bao gồm 234 U, 235 U, 238 U. Loại đầu tiên, có đặc tính phù hợp, được sử dụng tích cực làm nhiên liệu trong các lò phản ứng hạt nhân. Và thứ hai là để sản xuất plutonium-239, bản thân nó là một loại nhiên liệu có giá trị không thể thay thế được.

Mỗi nguyên tố phóng xạ có đặc điểm riêng. Đây là khoảng thời gian mà chất này được phân chia theo tỷ lệ ½. Nghĩa là, kết quả của quá trình này, lượng chất còn lại giảm đi một nửa. Khoảng thời gian này là rất lớn đối với uranium. Ví dụ, đối với đồng vị-234, nó được ước tính là 270 nghìn năm, nhưng đối với hai loại được chỉ định còn lại thì nó có ý nghĩa quan trọng hơn nhiều. Uranium-238 có chu kỳ bán rã kỷ lục, kéo dài hàng tỷ năm.

Hạt nhân

Không phải mọi loại nguyên tử, được đặc trưng bởi số lượng proton và electron được xác định chặt chẽ và riêng của nó, đều ổn định đến mức tồn tại ít nhất một thời gian dài đủ cho nghiên cứu của nó. Những hạt tương đối ổn định được gọi là hạt nhân. Các dạng ổn định thuộc loại này không trải qua quá trình phân rã phóng xạ. Những chất không ổn định được gọi là hạt nhân phóng xạ và do đó, chúng cũng được chia thành thời gian tồn tại ngắn và thời gian tồn tại lâu dài. Như các em đã biết từ bài hóa học lớp 11 về cấu tạo của nguyên tử đồng vị, osmium và platin có số lượng hạt nhân phóng xạ lớn nhất. Coban và vàng mỗi loại có một hạt nhân ổn định và thiếc có số lượng hạt nhân ổn định lớn nhất.

Tính số nguyên tử của một đồng vị

Bây giờ chúng tôi sẽ cố gắng tóm tắt thông tin được mô tả trước đó. Khi đã hiểu đồng vị là gì trong hóa học, đã đến lúc tìm ra cách sử dụng kiến ​​​​thức thu được. Hãy xem xét điều này với một ví dụ cụ thể. Giả sử người ta biết rằng một nguyên tố hóa học nào đó có số khối là 181. Hơn nữa, vỏ nguyên tử của chất này chứa 73 electron. Làm thế nào bạn có thể sử dụng bảng tuần hoàn để tìm ra tên của một nguyên tố nhất định, cũng như số proton và neutron trong hạt nhân của nó?

Hãy bắt đầu giải quyết vấn đề. Bạn có thể xác định tên của một chất bằng cách biết số sê-ri của nó, tương ứng với số lượng proton. Vì số lượng điện tích dương và âm trong một nguyên tử bằng nhau nên nó là 73. Điều này có nghĩa nó là tantalum. Hơn nữa, tổng số nucleon là 181, nghĩa là số proton của nguyên tố này là 181 - 73 = 108. Khá đơn giản.

Đồng vị của gali

Nguyên tố gali có số nguyên tử 71. Trong tự nhiên, chất này có hai đồng vị - 69 Ga và 71 Ga. Làm thế nào để xác định tỷ lệ phần trăm của loài gali?

Việc giải các bài toán về đồng vị trong hóa học hầu như luôn liên quan đến thông tin có thể thu được từ bảng tuần hoàn. Lần này bạn cũng nên làm như vậy. Chúng ta hãy xác định khối lượng nguyên tử trung bình từ nguồn được chỉ định. Nó bằng 69,72. Sau khi x và y được chỉ định là tỷ lệ định lượng của đồng vị thứ nhất và thứ hai, chúng ta lấy tổng của chúng bằng 1. Điều này có nghĩa là giá trị này sẽ được viết dưới dạng phương trình: x + y = 1. Theo đó, 69x + 71y = 69,72. Biểu thị y theo x và thay phương trình thứ nhất vào phương trình thứ hai, ta thấy x = 0,64 và y = 0,36. Điều này có nghĩa là 69 Ga được tìm thấy trong tự nhiên là 64% và tỷ lệ của 71 Ga là 34%.

Các phép biến đổi đồng vị

Sự phân hạch phóng xạ của các đồng vị với sự biến đổi của chúng thành các nguyên tố khác được chia thành ba loại chính. Đầu tiên trong số này là phân rã alpha. Nó xảy ra với sự phát xạ của một hạt đại diện cho hạt nhân của nguyên tử helium. Nghĩa là, đây là sự hình thành bao gồm sự kết hợp của các cặp neutron và proton. Vì lượng chất sau xác định số điện tích và số nguyên tử của một chất trong bảng tuần hoàn, nên kết quả của quá trình này là sự biến đổi về chất của nguyên tố này thành nguyên tố khác và trong bảng nó dịch chuyển sang trái bởi hai tế bào. Trong trường hợp này, số khối của phần tử giảm đi 4 đơn vị. Chúng ta biết điều này từ cấu trúc của các nguyên tử đồng vị.

Khi hạt nhân nguyên tử mất đi hạt beta, về cơ bản là electron, thành phần của nó sẽ thay đổi. Một trong những neutron biến đổi thành proton. Điều này có nghĩa là các đặc tính định tính của chất lại thay đổi và nguyên tố đó dịch chuyển trong bảng sang bên phải một ô mà thực tế không làm giảm trọng lượng. Thông thường, sự biến đổi như vậy có liên quan đến bức xạ gamma điện từ.

Chuyển đổi đồng vị Radium

Những thông tin, kiến ​​thức hoá học lớp 11 về đồng vị trên một lần nữa giúp giải quyết các vấn đề thực tiễn. Ví dụ: 226 Ra trong quá trình phân rã biến thành nguyên tố hóa học nhóm IV, có số khối là 206. Nó sẽ mất bao nhiêu hạt alpha và beta?

Xét đến sự thay đổi khối lượng và nhóm của nguyên tố con, sử dụng bảng tuần hoàn, dễ dàng xác định đồng vị tạo thành khi phân tách sẽ là chì có điện tích 82 và số khối là 206. Và xét đến tính số điện tích của nguyên tố này và radium ban đầu, nên giả sử rằng hạt nhân của nó đã mất đi 5 hạt alpha và 4 hạt beta.

Sử dụng đồng vị phóng xạ

Mọi người đều nhận thức rõ tác hại của bức xạ phóng xạ có thể gây ra cho các sinh vật sống. Tuy nhiên, tính chất của đồng vị phóng xạ có thể hữu ích cho con người. Chúng được sử dụng thành công trong nhiều ngành công nghiệp. Với sự giúp đỡ của họ, có thể phát hiện rò rỉ trong các công trình kỹ thuật và xây dựng, đường ống ngầm và đường ống dẫn dầu, bể chứa và bộ trao đổi nhiệt trong các nhà máy điện.

Những tính chất này cũng được sử dụng tích cực trong các thí nghiệm khoa học. Ví dụ, ruồi xê xê là vật mang nhiều bệnh nghiêm trọng cho con người, vật nuôi và vật nuôi trong nhà. Để ngăn chặn điều này, con đực của loài côn trùng này được khử trùng bằng bức xạ phóng xạ yếu. Đồng vị cũng không thể thiếu trong việc nghiên cứu cơ chế của một số phản ứng hóa học, vì nguyên tử của các nguyên tố này có thể được sử dụng để đánh dấu nước và các chất khác.

Đồng vị được gắn thẻ cũng thường được sử dụng trong nghiên cứu sinh học. Ví dụ, đây là cách người ta xác định phốt pho ảnh hưởng như thế nào đến đất, sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Các đặc tính của đồng vị cũng được sử dụng thành công trong y học, giúp điều trị các khối u ung thư và các bệnh nghiêm trọng khác cũng như xác định tuổi của các sinh vật sinh học.