Какво представляват изотопите в химията? Определение, структура

Дори древните философи са предположили, че материята е изградена от атоми. Учените обаче започнаха да предполагат, че "тухлите" на вселената се състоят от най-малките частици само на кръстопътя на XIX и XX век. Експериментите, доказващи това, създадоха в реално време истинска революция. Това е количественото съотношение на съставните части, което отличава един химически елемент от друг. Всяко от тях има свое място в Периодичната система на Менделеев

Атомът и неговите частици

Изследвайки структурата на материята чрез бомбардиране с алфа частици, Е. Ръдърфорд доказва през 1910 г., че основното пространство на атома е изпълнено с празнота. И само в центъра е ядрото. Около него орбитите преместват отрицателните електрони, формиращи черупката на тази система. Така че беше създаден планетарният модел на "тухлите" на материята.

Какви са изотопите? Помнете от курса по химия, че сърцевината също има сложна структура. Състои се от положителни протони и неутрони. Броят на първия определя качествените характеристики на химическия елемент. Това е броят на протоните, които отличават веществата един от друг, като принуждават техните ядра да се заредят. На тази основа им се дава сериен номер в периодичната таблица. Но броят на неутроните за същия химически елемент ги отличава в изотопи. Следователно определението в химия на това понятие може да бъде дадено по следния начин. Това са видове атоми, които се различават по състава на ядрото, които имат еднакви заряди и номера, но имат различни масови числа, поради разликата в броя на неутроните.

наименования

Изучавайки химия в клас 9 и изотопи, учениците научават за приетите символи. Буквата Z показва заряда на ядрото. Тази цифра съвпада с броя на протоните и следователно е техният индикатор. Сумата от тези елементи с неутрони, обозначена със символа N, е A - масовия номер. Фамилията изотопи на едно вещество по правило се обозначава с иконата на този химичен елемент, който в периодичната таблица е снабден с номер, който съвпада с броя на протоните в него. Левият горно индекс, добавен към посочената икона, съответства на номера на масата. Например, ²³⁸U. Зареждането на елемента (в този случай уран, означен със сериен номер 92) се обозначава с подобен индекс от по-долу.

Познавайки тези данни, е лесно да се изчисли броят на неутроните за даден изотоп. Тя е равна на масовия номер след приспадане на ранния номер: 238-92 = 146. Броят на неутроните може да бъде по-малък, от това химическият елемент няма да престане да остава уран. Трябва да се отбележи, че най-често в други, по-прости вещества броят на протоните и неутроните приблизително съвпада. Такава информация помага да се разбере какво е изотоп в химия.

нуклоните

Индивидуалността дава точно определен елемент точно на броя на протоните, а броят на неутроните не го засяга по никакъв начин. Но атомната маса се състои от тези два елемента, които имат общо наименование "нуклони", представляващи тяхната сума. Този индикатор обаче не зависи от това брой на електроните, образувайки отрицателно заредена обвивка на атома. Защо? Необходимо е само да се сравни.

Фракцията на протонната маса в атома е голяма и е около 1 а. или 1.672 621 898 (21) middot-10^-27кг. Неутронът е близо до индексите на тази частица (1,674 927 471 (21) middot-10^-27кг). Но масата на електрона е хиляда пъти по-малка, се смята за незначителна и не се взема под внимание. Ето защо, знаейки горния индекс на елемента в химията, не е трудно да се знае състава на изотопното ядро.

Изотопи на водорода

Изотопите на някои елементи са толкова добре известни и широко разпространени в природата, че имат свои собствени имена. Ясен и прост пример за това е водородът. Природните условия се съдържат в най-разпространената форма на противотум. Този елемент има масов номер от 1, а неговата ядро ​​се състои от един протон.

И така, какви са изотопите на водорода в химията? Както е известно, атомите на това вещество имат първото число в периодичната таблица и съответно са натоварени с номер на заряд 1. Но броят на неутроните в ядрото на атома е различен. Деутериумът, който е тежък водород, в допълнение към протона има още една частица в ядрото, т.е. неутрон. В резултат на това, това вещество проявява свои физически свойства, за разлика от противотум, притежаващо собствено тегло, точка на топене и точка на кипене.

тритий

Тритият е по-сложен от всички. Това е супер тежък водород. Съгласно определението за изотопи в химията, то има зарядно число 1, но масово число 3. Често се нарича "newt", защото в допълнение към един протон той има два неутрона в ядрото, т.е. то се състои от три елемента. Името на този елемент, открит през 1934 г. от Ръдърфорд, Олифант и Хартек, бе предложен още преди откриването му.

Това е нестабилно вещество, което проявява радиоактивни свойства. Неговото ядро ​​има способността да се раздели с отделянето на бета частици и електронни антинеутрини. Енергията от разпадането на това вещество не е много висока и възлиза на 18,59 keV. Ето защо такова излъчване не е прекалено опасно за човек. Той може да защити обикновените дрехи и хирургическите ръкавици. И този радиоактивен елемент, който се получава с храна, бързо се елиминира от тялото.

Уранови изотопи

Много по-опасно е да се намерят различни видове уран, които досега науката познава 26. Следователно, когато говорим за онези изотопи, които са в химия, е невъзможно да не споменаваме този елемент. Въпреки разнообразието от видове уран, има само три изотопа в естеството на своите изотопи. Те включват ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U. Първият от тях, притежаващ подходящи свойства, се използва активно като гориво в ядрените реактори. И последният - за производството на плутоний-239, който сам по себе си е незаменим като най-ценното гориво.

Всеки от радиоактивните елементи се характеризира със свой собствен полуживот. Това е времето, през което веществото е разделено по отношение на frac12-. Това означава, че в резултат на този процес количеството на останалата част от веществото се намалява наполовина. Този период от време за уран е огромен. Например, за изотоп-234 тя се оценява на 270 хиляди, а за другите два вида е много по-значима. Рекорден полуживот е в уран-238, който продължава милиарди години.

нуклиди

Не всеки вид атом, който се характеризира със свой собствен и строго определен брой протони и електрони, е толкова стабилен, че има достатъчно дълъг период от време за изучаването му. Тези от тях, които имат относителна стабилност, се наричат ​​нуклиди. Стабилните образувания от този вид не се подлагат на радиоактивно разпадане. Нестабилните се наричат ​​радионуклиди, а на свой ред се разделят на краткотрайни и дълги черен дроб. Както е известно от уроците по химия на 11 клас по структурата на изотопи атоми, осмий и платина имат най-голям брой радионуклиди. Кобалтът и златото са единствените стабилни и най-големият брой стабилни нуклиди в калай.

Изчисляване на поредния номер на изотопа

Сега нека се опитаме да обобщим описаната по-горе информация. Разбирайки какви са изотопите в химията, е време да разберем как можете да използвате познанията, които сте придобили. Помислете за това за конкретен пример. Да предположим, че е известно, че някои химически елементи имат масов брой 181. В същото време обвивката на атома на това вещество съдържа 73 електрона. Как можем да използваме таблицата на Менделеев, за да открием името на този елемент, както и броя на протоните и неутроните в ядрото му?

Продължаваме към решаването на проблема. Определете името на веществото може да бъде, знаейки сериен номер, който съответства на броя на протоните. Тъй като броят на положителните и отрицателните заряди в атома е равен, той е 73. Следователно, той е тантал. В същото време общият брой на нуклоните в общия брой е 181, което означава, че протоните за този елемент са 181 - 73 = 108. Това е съвсем проста.

Изотопи на галий

Елементът на галий в периодичната система има ред номер 71. В природата това вещество има два изотопа - ⁶⁹Ga и ⁷¹Ga. Как да се определи процента на видове галий?

Решаването на проблемите на изотопите в химията почти винаги е свързано с информация, която може да бъде получена от периодичната таблица. Този път трябва да направите същото. Нека да определим средната атомна маса от този източник. Тя е равна на 69.72. Означавайки количественото съотношение на първия и втория изотопи за x и y, ние вземаме сумата от тях равна на 1. Така, под формата на уравнение, това ще бъде написано: x + y = 1. Оттук следва, че 69x + 71y = 69.72. Изразявайки y по отношение на x и замествайки първото уравнение във второто, получаваме x = 0.64 и y = 0.36. Това означава, че ⁶⁹Ga се съдържа в природата 64%, а процентът ⁷¹Ga е 34%.

Изотопни трансформации

Радиоактивното разделяне на изотопи с преобразуването им в други елементи е разделено на три основни типа. Първият от тях е алфа разпад. Това се случва с излъчването на частица, която е ядрото на атома на хелий. Това е тази формация, състояща се от набор от двойки неутрони и протони. Тъй като броят на последния определя броя на заряда и броя на атома на материята в периодичната система, в резултат на този процес се извършва качествена трансформация на един елемент в друг и в таблицата той се премества наляво на две клетки. В този случай броят на елемента се намалява с 4 единици. От това знаем сектори на химията върху структурата на изотопните атоми.

Когато ядрото на атома на бета-частица, по същество електронен, се изгуби, неговият състав се променя. Един от неутроните се трансформира в протон. Това означава, че качествените характеристики на веществото отново се променят, а елементът се премества в таблицата с една клетка надясно, практически без загуба на маса. Обикновено такава трансформация е свързана с електромагнитно гама излъчване.

Трансформирането на изотопния радий

Горната информация и познания от химия на 11 клас на изотопите отново помагат да се решат практически проблеми. Например: ²²⁶Ре се разпада на химичен елемент от група IV, който има масов брой 206. Колко алфа и бета частици трябва да загуби?

Като се имат предвид промените в теглото и дъщеря елемент група чрез използване на периодичната таблица, лесно да определи, че формира на базата на изотоп разцепване ще доведе 82 с обвинението и масов брой 206. определен брой първоначалния елемент и радий такса трябва да приемем, че той е загубил пет ядро ​​алфа частици и четири бета частици.

Използване на радиоактивни изотопи

Всеки знае отлично какво увреждане на живите организми може да причини радиация. Въпреки това, свойствата на радиоактивните изотопи са полезни за хората. Те се използват успешно в много отрасли. С тяхна помощ е възможно да се открият течове в инженерни и строителни съоръжения, подземни тръбопроводи и нефтопроводи, резервоари за съхранение, топлообменници в електроцентрали.

Тези свойства също така се използват активно в научните експерименти. Например, мухата tsetse носи много сериозни заболявания при хората, животните и домашните животни. За да се предотвратят такива мъже, тези насекоми се стерилизират чрез слабо радиоактивно излъчване. Изотопите са също необходими за изучаване на механизмите на определени химични реакции, тъй като атомите на тези елементи могат да бъдат етикетирани с вода и други вещества.

В биологичните проучвания често се използват белязани изотопи. Така например е установено как фосфорът влияе върху почвата, растежа и развитието на култивираните растения. Свойствата на изотопите също се използват успешно в медицината, което е позволило лечението на ракови тумори и други сериозни заболявания и възрастта на биологичните организми.