Изотопы элемента различаются числом. Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества

· Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция

Терминология

История открытия изотопов

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди , стали называть изотопами.

Изотопы в природе

Считается, что изотопный состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер - продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии.

Применение изотопов человеком

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235 U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия . Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235 U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

См. также

• Изотопная геохимия

Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11

Стабильные: 12 C: Углерод-12, 13 C: Углерод-13

10-10 000 лет: 14 C: Углерод-14

Нестабильные (менее суток) : 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22

Повторите основные положения темы «Основные понятия химии» и решите предложенные задачи. Используйте №№6-17.

Основные положения

1. Вещество (простое и сложное) – это любая совокупность атомов и молекул, находящаяся в определённом агрегатном состоянии.

Превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения, называется химическими реакциями .

2. Структурные единицы вещества :

· Атом – наименьшая элекронейтральная частица химического элемента и простого вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и далее физически и химически неделимая.

· Молекула – наименьшая электронейтральная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами, физически неделимая, но делимая химически.

3. Химический элемент – это вид атомов с определённым зарядом ядра.

4. Состав атома :

5. Состав атомного ядра :

· В состав ядра входят элементарные частицы (нуклоны ) –

протоны (1 1 p ) и нейтроны (1 0 n ).

· Т.к. практически вся масса атома сосредоточена в ядре и m p ≈ m n ≈ 1 а.е.м , то округлённое значение A r химического элемента равно общему числу нуклонов в ядре.

7. Изотопы – разновидность атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся друг от друга только своей массой.

· Обозначение изотопов: слева от символа элемента указывают массовое число (вверху) и порядковый номер элемента (внизу)

· Почему у изотопов разная масса?

Задание: Определите атомный состав изотопов хлора: 35 17 Cl и 37 17 Cl ?

· Изотопы имеют разную массу из-за различного числа нейтронов в их ядрах.

8. В природе химические элементы существуют в виде смесей изотопов.

Изотопный состав одного и того же химического элемента выражают в атомных долях (ω ат.) , которые указывают какую часть составляет число атомов данного изотопа от общего числа атомов всех изотопов данного элемента, принятого за единицу или 100%.

Например:

ω ат (35 17 Cl ) = 0,754

ω ат (37 17 Cl ) = 0,246

9. В таблице Менделеева приведены средние значения относительных атомных масс химических элементов с учётом их изотопного состава. Поэтому A r , указанные в таблице являются дробными.

A r ср = ω ат.(1) ∙ Ar (1) + … + ω ат.( n ) ∙ Ar ( n )

Например:

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

10. Задача для решения:

№1. Определите относительную атомную массу бора, если известно, что молярная доля изотопа 10 В составляет – 19,6 %, а изотопа 11 В – 80,4 %.

11. Массы атомов и молекул очень малы. В настоящее время в физике и химии принята единая система измерения.

1 а.е.м. = m (а.е.м.) = 1/12 m (12 C ) = 1,66057 ∙ 10 -27 кг = 1,66057 ∙ 10 -24 г .

Абсолютные массы некоторых атомов:

m ( C ) =1,99268 ∙ 10 -23 г

m ( H ) =1,67375 ∙ 10 -24 г

m ( O ) =2,656812 ∙ 10 -23 г

A r – показывает, во сколько раз данный атом тяжелее 1/12 части атома 12 С. M r ∙ 1,66 ∙ 10 -27 кг

13. Число атомов и молекул в обычных образцах веществ очень велико, поэтому при характеристике количества вещества используют единицу измерения – моль .

· Моль (ν) – единица количества вещества, которое содержит столько же частиц (молекул, атомов, ионов, электронов), сколько атомов содержится в 12 г изотопа 12 C

· Масса 1 атома 12 C равна 12 а.е.м., поэтому число атомов в 12 г изотопа 12 C равно:

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

· Физическая величина N A называется постоянной Авогадро (число Авогадро) и имеет размерность[ N A ] = моль -1 .

14. Основные формулы:

M = M r = ρ ∙ V m (ρ – плотность; V m – объём при н.у.)

Задачи для самостоятельного решения

№1. Вычислите число атомов азота в 100г карбоната аммония, содержащего 10% неазотистых примесей.

№2. При нормальных условиях 12 л газовой смеси, состоящей из аммиака и углекислого газа, имеют массу 18 г. Сколько литров каждого из газов содержит смесь?

№3. При действии избытка соляной кислоты на 8,24 г смеси оксида марганца (IV ) с неизвестным оксидом МО 2 , который не реагирует с соляной кислотой, получено 1,344 л газа при н.у. Входе другого опыта установлено, что мольное отношение оксида марганца (IV ) к неизвестному оксиду равно 3:1. Установите формулу неизвестного оксида и вычислите его массовую долю в смеси.

Наверное, нет на земле такого человека, который не слышал бы об изотопах. Но далеко не все знают, что это такое. Особенно пугающе звучит словосочетание «радиоактивные изотопы». Эти непонятные химические элементы нагоняют ужас на человечество, но на самом деле они не так страшны, как это может показаться на первый взгляд.

Определение

Чтобы разобраться с понятием радиоактивных элементов, необходимо для начала сказать, что изотопы - это образцы одного и тот же химического элемента, но с разной массой. Что это значит? Вопросы исчезнут, если для начала мы вспомним строение атома. Состоит он из электронов, протонов и нейтронов. Число первых двух элементарных частиц в ядре атома всегда постоянно, тогда как нейтроны, имеющие собственную массу, могут встречаться в одном и том же веществе в разных количествах. Это обстоятельство и порождает разнообразие химических элементов с разными физическими свойствами.

Теперь мы можем дать научное определение исследуемому понятию. Итак, изотопы - это совокупный набор похожих по свойствам химических элементов, но имеющих разную массу и физические свойства. Согласно более современной терминологии, они носят название плеяды нуклеотидов химического элемента.

Немного истории

В начале прошлого века ученые обнаружили, что у одного и того же химического соединения в разных условиях могут наблюдаться разные массы ядер электронов. С чисто теоретической точки зрения, такие элементы можно было посчитать новыми и начать заполнять ими пустые клеточки в периодической таблице Д. Менделеева. Но свободных ячеек в ней всего девять, а новые элементы ученые открывали десятками. К тому же и математические подсчеты показали, что обнаруженные соединения не могут считаться ранее не известными, ведь их химические свойства полностью соответствовали характеристикам уже существующих.

После длительных обсуждений было решено назвать эти элементы изотопами и помещать их в одну клеточку с теми, ядра которых содержат с ними одинаковое количество электронов. Ученым удалось определить, что изотопы - это всего лишь некоторые вариации химических элементов. Однако причины их возникновения и длительность жизни изучались еще почти целое столетие. Даже в начале XXI века утверждать, что человечество знает абсолютно все об изотопах, нельзя.

Стойкие и нестойкие вариации

Каждый химический элемент имеет несколько изотопов. Из-за того, что в их ядрах есть свободные нейтроны, они не всегда вступают в стабильные связи с остальными составляющими атома. Через некоторое время свободные частицы покидают ядро, из-за чего меняется его масса и физические свойства. Так образуются другие изотопы, что ведет в конце концов к образованию вещества с равным количеством протонов, нейтронов и электронов.

Те вещества, которые распадаются очень быстро, называются радиоактивными изотопами. Они выпускают в пространство большое количество нейтронов, образующих мощное ионизирующее гамма-излучение, известное своей сильной проникающей способностью, которая негативно влияет на живые организмы.

Более стойкие изотопы не являются радиоактивными, поскольку количество выделяемых ими свободных нейтронов не способно образовывать излучения и существенно влиять на другие атомы.

Достаточно давно учеными была установлена одна важная закономерность: у каждого химического элемента есть свои изотопы, стойкие или радиоактивные. Интересно, что многие из них были получены в лабораторных условиях, а их присутствие в естественном виде невелико и не всегда фиксируется приборами.

Распространение в природе

В естественных условиях чаще всего встречаются вещества, масса изотопа которых напрямую определяется его порядковым числом в таблице Д. Менделеева. К примеру, водород, обозначаемый символом Н, имеет порядковый номер 1, а его масса равна единице. Изотопы его, 2Н и 3Н, в природе встречаются крайне редко.

Даже человеческий организм имеет некоторое количество радиоактивных изотопов. Попадают они внутрь через пищу в виде изотопов углерода, который, в свою очередь, впитывается растениями из почвы или воздуха и переходит в состав органических веществ в процессе фотосинтеза. Поэтому и человек, и животные, и растения излучают определенный радиационный фон. Только он настолько низкий, что не мешает нормальному функционированию и росту.

Источниками, которые способствуют образованию изотопов, выступают внутренние слои земного ядра и излучения из космоса.

Как известно, температура на планете во многом зависит от ее горячего ядра. Но только совсем недавно стало понятно, что источником этого тепла выступает сложная термоядерная реакция, в которой участвуют радиоактивные изотопы.

Распад изотопов

Поскольку изотопы - это нестойкие образования, можно предположить, что они по прошествии времени всегда распадаются на более постоянные ядра химических элементов. Это утверждение верно, поскольку ученым не удалось обнаружить в природе огромного количества радиоактивных изотопов. Да и большинство из тех, которые были добыты в лабораториях, просуществовали от пары минут до нескольких дней, а потом снова превратились в обычные химические элементы.

Но есть в природе и такие изотопы, которые оказываются очень устойчивыми к распаду. Они могут существовать миллиарды лет. Образовались такие элементы в те далекие времена, когда земля еще формировалась, а на ее поверхности не было даже твердой коры.

Радиоактивные изотопы распадаются и вновь образуются очень быстро. Поэтому с той целью, чтобы облегчить оценку стойкости изотопа, учеными было принято решение рассматривать категорию периода его полураспада.

Период полураспада

Не всем читателям может быть сразу понятно, что имеется в виду под этим понятием. Определим же его. Период полураспада изотопа - это время, за которое перестанет существовать условная половина взятого вещества.

Это не означает, что оставшаяся часть соединения будет уничтожена за такое же количество времени. Применительно к этой половине необходимо рассматривать иную категорию - период времени, за который исчезнет ее вторая часть, то есть четверть изначального количества вещества. И такое рассмотрение продолжается до бесконечности. Можно предположить, что время полного распада изначального количества вещества посчитать просто невозможно, поскольку этот процесс практически бесконечен.

Однако ученые, зная период полураспада, могут определить, какое количество вещества существовало вначале. Эти данные успешно используются в смежных науках.

В современном научном мире понятие полного распада практически не используется. Относительно каждого изотопа принято указывать время его полураспада, которое варьирует от нескольких секунд до многих миллиардов лет. Чем меньше показатель полураспада, там большее излучение исходит от вещества и тем выше его радиоактивность.

Обогащение ископаемых

В некоторых отраслях науки и техники использование относительно большого количества радиоактивных веществ считается обязательным. Но при этом в естественных условиях таких соединений совсем немного.

Известно, что изотопы - это нераспространенные варианты химических элементов. Количество их измеряется несколькими процентами от самой стойкой разновидности. Именно поэтому ученым необходимо проводить искусственное обогащение ископаемых материалов.

За годы исследований удалось узнать, что распад изотопа сопровождается цепной реакцией. Освобожденные нейтроны одного вещества начинают влиять на другое. В результате этого тяжелые ядра распадаются на более легкие и получаются новые химические элементы.

Это явление получило название цепной реакции, в результате которой можно получить более стойкие, но менее распространенные изотопы, которые в дальнейшем используются в народном хозяйстве.

Применение энергии распада

Также учеными было выяснено, что в ходе распада радиоактивного изотопа выделяется огромное количество свободной энергии. Ее количество принято измерять единицей Кюри, равной времени деления 1 г радона-222 за 1 секунду. Чем выше этот показатель, тем больше энергии выделяется.

Это стало поводом для разработки способов использования свободной энергии. Так появились атомные реакторы, в которые помещается радиоактивный изотоп. Большая часть энергии, выделяемой им, собирается и превращается в электричество. На основании этих реакторов создаются атомные станции, которые дают самое дешевое электричество. Уменьшенные варианты таких реакторов ставят на самоходные механизмы. Учитывая опасность аварий, чаще всего такими машинами выступают подводные лодки. В случае отказа реактора количество жертв на подлодке будет легче свести к минимуму.

Еще один очень страшный вариант использования энергии полураспада - атомные бомбы. Во время Второй мировой войны они были испытаны на человечестве в японских городах Хиросима и Нагасаки. Последствия оказались очень печальными. Поэтому в мире действует соглашение о неиспользовании этого опасного оружия. В месте с тем большие государства с ориентацией на милитаризацию и сегодня продолжают исследования в этой отрасли. Кроме того, многие из них втайне от мирового сообщества изготавливают атомные бомбы, которые в тысячи раз опаснее тех, которые использовались в Японии.

Изотопы в медицине

В мирных целях распад радиоактивных изотопов научились использовать в медицине. Направив излучение на пораженный участок организма, можно приостановить течение болезни или помочь пациенту полностью излечиться.

Но чаще радиоактивные изотопы используют для диагностики. Все дело в том, что их движение и характер скопления проще всего зафиксировать по излучению, которое они производят. Так, в организм человека вводится определенное неопасное количество радиоактивного вещества, а по приборам медики наблюдают, как и куда оно попадет.

Таким образом проводят диагностику работы головного мозга, характера раковых опухолей, особенности работы желез внутренней и внешней секреции.

Применение в археологии

Известно, что в живых организмах всегда есть радиоактивный углерод-14, полураспад изотопа которого равен 5570 лет. Кроме того, ученные знают, какое количество этого элемента содержится в организме до момента его смерти. Это значит, что все спиленные деревья излучают одинаковое количество радиации. Со временем интенсивность излучения падает.

Это помогает археологам определить, как давно умерло дерево, из которого построили галеру или любой другой корабль, а значит, и само время строительства. Этот метод исследования получил название радиоактивного углеродного анализа. Благодаря ему ученым легче установить хронологию исторических событий.

Содержание статьи

ИЗОТОПЫ –разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико-химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди , который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.

Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».

В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно-нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение A X.

Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2 H и 3 H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1 H называют иногда протием).

В природе встречаются как стабильные изотопы, так и нестабильные – радиоактивные, ядра атомов которых подвержены самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием различных частиц (или процессам так называемого радиоактивного распада). Сейчас известно около 270 стабильных изотопов, причем стабильные изотопы встречаются только у элементов с атомным номером Z Ј 83. Число нестабильных изотопов превышает 2000, подавляющее большинство их получено искусственным путем в результате осуществления различных ядерных реакций. Число радиоактивных изотопов у многих элементов очень велико и может превышать два десятка. Число стабильных изотопов существенно меньше, Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, натрий, алюминий, фосфор, марганец, золото и ряд других элементов). Наибольшее число стабильных изотопов – 10 обнаружено у олова, у железа, например, их – 4, у ртути – 7.

Открытие изотопов, историческая справка.

В 1808 английский ученый натуралист Джон Дальтон впервые ввел определение химического элемента как вещества, состоящего из атомов одного вида. В 1869 химиком Д.И.Менделеевым была открыт периодический закон химических элементов. Одна из трудностей в обосновании понятия элемента как вещества, занимающего определенное место в клетке периодической системы, заключалась в наблюдаемой на опыте нецелочисленности атомных весов элементов. В 1866 английский физик и химик – сэр Вильям Крукс выдвинул гипотезу, что каждый природный химический элемент представляет собой некоторую смесь веществ, одинаковых по своим свойствам, но имеющих разные атомные масс, однако в то время такое предположение не имело еще экспериментального подтверждения и поэтому прошло мало замеченным.

Важным шагом на пути к открытию изотопов стало обнаружение явления радиоактивности и сформулированная Эрнстом Резерфордом и Фредериком Содди гипотеза радиоактивного распада:радиоактивность есть не что иное, как распад атома на заряженную частицу и атом другого элемента, по своим химическим свойствам отличающийся от исходного. В результате возникло представление о радиоактивных рядах или радиоактивных семействах, в начале которых есть первый материнский элемент, являющийся радиоактивным, и в конце – последний стабильный элемент. Анализ цепочек превращений показал, что в их ходе в одной клеточке периодической системы могут оказываться одни и те же радиоактивные элементы, отличающиеся лишь атомными массами. Фактически это и означало введение понятия изотопов.

Независимое подтверждение существования стабильных изотопов химических элементов было затем получено в экспериментах Дж. Дж. Томсона и Астона в 1912–1920 с пучками положительно заряженных частиц (или так называемых каналовых лучей) , выходящих из разрядной трубки.

В 1919 Астон сконструировал прибор, названный масс-спектрографом (или масс-спектрометром). В качестве источника ионов по-прежнему использовалась разрядная трубка, однако Астон нашел способ, при котором последовательное отклонение пучка частиц в электрическом и магнитном полях приводило к фокусировке частиц с одинаковым значением отношения заряда к массе (независимо от их скорости) в одной и той же точке на экране. Наряду с Астоном масс-спектрометр несколько другой конструкции в те же годы был создан американцем Демпстером. В результате последующего использования и усовершенствования масс-спектрометров усилиями многих исследователей к 1935 году была составлена почти полная таблица изотопных составов всех известных к тому времени химических элементов.

Методы разделения изотопов.

Для изучения свойств изотопов и особенно для их применения в научных и прикладных целях требуется их получение в более или менее заметных количествах. В обычных масс-спектрометрах достигается практически полное разделение изотопов, однако количество их ничтожно мало. Поэтому усилия ученых и инженеров были направлены на поиски других возможных методов разделения изотопов. В первую очередь были освоены физико-химические методы разделения, основанные на различиях в таких свойствах изотопов одного итого же элемента, как скорости испарения, константы равновесия, скорости химических реакций и т.п. Наиболее эффективными среди них оказались методы ректификации и изотопного обмена, которые нашли широкое применение в промышленном производстве изотопов легких элементов: водорода, лития, бора, углерода, кислорода и азота.

Другую группу методов образуют так называемые молекулярно-кинетические методы: газовая диффузия, термодиффузия, масс-диффузия (диффузия в потоке пара), центрифугирование. Методы газовой диффузии, основанные на различной скорости диффузии изотопных компонентов в высокодисперсных пористых средах, были использованы в годы второй мировой войны при организации промышленного производства разделения изотопов урана в США в рамках так называемого Манхэттенского проекта по созданию атомной бомбы. Для получения необходимых количеств урана, обогащенного до 90% легким изотопом 235 U – главной «горючей» составляющей атомной бомбы, были построены заводы, занимавшие площади около четырех тысяч гектар. На создание атомного центра с заводами для получения обогащенного урана было ассигновано более 2-х млрд. долл. После войны в СССР были разработать и построены заводы по производству обогащенного урана для военных целей, также основанные на диффузионном методе разделения. В последние годы этот метод уступил место более эффективному и менее затратному методу центрифугирования. В этом методе эффект разделения изотопной смеси достигается за счет различного действия центробежных сил на компоненты изотопной смеси, заполняющей ротор центрифуги, который представляет собой тонкостенный и ограниченный сверху и снизу цилиндр, вращающийся с очень высокой скоростью в вакуумной камере. Сотни тысяч соединенных в каскады центрифуг, ротор каждой из которых совершает более тысячи оборотов в секунду, используются в настоящее время на современных разделительных производствах как в России, так и в других развитых странах мира. Центрифуги используются не только для получения обогащенного урана, необходимого для обеспечения работы ядерных реакторов атомных электростанций, но и для производства изотопов примерно тридцати химических элементов средней части периодической системы. Для разделения различных изотопов используются также установки электромагнитного разделения с мощными источниками ионов, в последние годы получили распространение также лазерные методы разделения.

Применение изотопов.

Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны. Так, в связи с использованием тяжелой воды D 2 O в ядерных реакторах ее общемировое производство к началу 1990-х прошлого века составляло около 5000 т в год. Входящий в состав тяжелой воды изотоп водорода дейтерий, концентрация которого в природной смеси водорода составляет всего 0,015%, наряду с тритием станет в будущем, по мнению ученых, основным компонентом топлива энергетических термоядерных реакторов, работающих на основе реакций ядерного синтеза. В этом случае потребность в производстве изотопов водорода окажется огромной.

В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.

В сельском хозяйстве изотопы («меченые» атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.

Изотопные технологии находят широкое применение в медицине. Так в США, согласно статистическим данным, проводится более 36 тыс. медицинских процедур в день и около 100 млн. лабораторных тестов с использованием изотопов. Наиболее распространены процедуры, связанные с компьютерной томографией. Изотоп углерода C 13 , обогащенный до 99% (природное содержание около 1%), активно используется в так называемом «диагностическом контроле дыхания». Суть теста очень проста. Обогащенный изотоп вводится в пищу пациента и после участия в процессе обмена веществ в различных органах тела выделяется в виде выдыхаемого пациентом углекислого газа СО 2 , который собирается и анализируется с помощью спектрометра. Различие в скоростях процессов, связанных с выделением различных количеств углекислого газа, помеченных изотопом С 13 , позволяют судить о состоянии различных органов пациента. В США число пациентов, которые будут проходить этот тест, оценивается в 5 млн. человек в год. Сейчас для производства высоко обогащенного изотопа С 13 в промышленных масштабах используются лазерные методы разделения.

Владимир Жданов

Ещё древние философы высказывали предположение, что материя строится из атомов. Однако о том, что сами «кирпичики» мироздания состоят из мельчайших частиц, учёные начали догадываться лишь на стыке XIX и XX веков. Опыты, доказывающие это, произвели в науке в своё время настоящую революцию. Именно количественное соотношение составных частей отличает один химический элемент от другого. Каждому из них отведено своё место в согласно порядковому номеру. Но существуют разновидности атомов, занимающие в таблице одни и те же клетки, несмотря на различие в массе и свойствах. Почему это так и о том, что такое изотопы в химии, будет рассказано далее.

Атом и его частицы

Исследуя структуру материи посредством бомбардировки альфа-частицами, Э. Резерфорд доказал в 1910 году, что основное пространство атома заполнено пустотой. И только в центре находится ядро. Вокруг него по орбиталям двигаются отрицательные электроны, составляя оболочку этой системы. Так была создана планетарная модель «кирпичиков» материи.

Что такое изотопы? Вспомните из курса химии, что ядро тоже имеет сложное строение. Оно состоит из положительных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Количество первых определяет качественные характеристики химического элемента. Именно число протонов отличает вещества друг от друга, наделяя их ядра определённым зарядом. И по этому признаку им присваивается порядковый номер в таблице Менделеева. Но количество нейтронов у одного и того же химического элемента дифференцирует их на изотопы. Определение в химии данному понятию поэтому можно дать следующее. Это разновидности атомов, отличающиеся по составу ядра, обладающие одинаковым зарядом и порядковым номеров, но имеющие разные массовые числа, ввиду различий в количестве нейтронов.

Обозначения

Изучая химию в 9 классе и изотопы, школьники узнают о принятых условных обозначениях. Буквой Z отмечается заряд ядра. Это цифра совпадает с количеством протонов и поэтому является их показателем. Сумма этих элементов с нейтронами, отмечаемыми значком N, составляет А - массовое число. Семейство изотопов одного вещества, как правило, обозначается значком того химического элемента, которых в таблице Менделеева наделяется порядковым номером, совпадающим с числом протонов в нём. Левый верхний индекс, добавляемый к указанному значку соответствует массовому числу. К примеру, 238 U. Заряд элемента (в данном случае урана, отмеченного порядковым номером 92) обозначается похожим индексом снизу.

Зная эти данные, легко можно подсчитать количество нейтронов у данного изотопа. Оно равно массовому числу за вычетом порядкового номера: 238 - 92 = 146. Количество нейтронов могло бы быть меньше, от этого данный химический элемент не перестал бы оставаться ураном. Следует заметить, что чаще всего у других, более простых, веществ число протонов и нейтронов приблизительно совпадает. Подобные сведения помогают понять, что такое изотоп в химии.

Нуклоны

Индивидуальностью определённый элемент наделяет именно число протонов, а количество нейтронов на неё никаким образом не влияет. Но атомная масса составляется из этих двух указанных элементов, имеющих общее наименование «нуклоны», представляя собой их сумму. Однако этот показатель не зависит от формирующих отрицательно заряженную оболочку атома. Почему? Стоит только сравнить.

Доля массы протона в атоме велика и составляет приблизительно 1 а. е. м. или 1,672 621 898(21)·10 -27 кг. Нейтрон близок к показателям этой частицы (1,674 927 471(21)·10 -27 кг). А вот масса электрона в тысячи раз меньше, считается ничтожной и не учитывается. Вот почему, зная верхний индекс элемента в химии, состав ядра изотопов узнать несложно.

Изотопы водорода

Изотопы некоторых элементов настолько известны и распространены в природе, что получили собственные наименования. Ярким и наиболее простым примером тому может служить водород. В естественных условиях он содержится в своей самой распространённой разновидности протия. Этот элемент имеет массовое число 1, а ядро его состоит из одного протона.

Так что такое изотопы водорода в химии? Как известно, атомы этого вещества имеют первый номер в таблице Менделеева и соответственно наделены в природе зарядовым числом 1. Но количество нейтронов в ядре атома у них различно. Дейтерий, являясь тяжёлым водородом, помимо протона имеет в составе ядра ещё одну частицу, то есть нейтрон. В результате это вещество проявляет собственные физические свойства, в отличие от протия, обладая собственным весом, температурой плавления и кипения.

Тритий

Сложнее всех устроен тритий. Это сверхтяжёлый водород. В соответствии с определением изотопов в химии, он имеет зарядовое число 1, но массовое число 3. Его часто называют тритоном, потому что помимо одного протона, он имеет в составе ядра два нейтрона, то есть состоит из трёх элементов. Наименование этого элемента, открытого в 1934 году Резерфордом, Олифантом и Хартеком, было предложено ещё до его выявления.

Это неустойчивое вещество, проявляющее радиоактивные свойства. Ядро его обладает способностью расщепляться с выделение бета-частицы и электронного антинейтрино. Энергия распада данного вещества не очень велика и составляет 18,59 кэВ. Поэтому подобная радиация не является для человека слишком опасной. От неё способна защитить обыкновенная одежда и хирургические перчатки. А получаемый с пищей этот радиоактивный элемент быстро выводится из организма.

Изотопы урана

Гораздо опаснее оказываются различные типы урана, которых на сегодняшний день науке известно 26. Поэтому, рассказывая о том, что такое изотопы в химии, невозможно не упомянуть об этом элементе. Несмотря на разнообразие видов урана, в природе его изотопов встречается всего три. К ним относятся 234 U, 235 U, 238 U. Первый из них, обладая подходящими свойствами, активно применяется как топливо в ядерных реакторах. А последний - для производства плутония-239, который сам, в свою очередь, незаменим как ценнейшее топливо.

Каждый из радиоактивных элементов характеризуется собственным Это отрезок времени, в течение которого вещество расщепляется в отношении ½. То есть в результате этого процесса количество сохранившейся части вещества вдвое уменьшается. Этот отрезок времени для урана огромен. К примеру, для изотопа-234 он исчисляется в 270 тысячелетий, а для двух других указанных разновидностей он гораздо значительнее. Рекордный период полураспада - у урана-238, продолжающийся миллиарды лет.

Нуклиды

Не каждый из видов атома, характеризующихся собственным и строго определённым числом протонов и электронов, настолько стабилен, чтобы существовать хоть сколько-нибудь продолжительный период, достаточный для его изучения. Те из них, которые обладают относительной устойчивостью, называются нуклидами. Стабильные образования такого рода радиоактивному распаду не подвергаются. Нестабильные называются радионуклидами и тоже, в свою очередь, делятся на короткоживущие и долгожители. Как известно из уроков химии 11 класса о строении атомов изотопов, наибольшим числом радионуклидов обладают осмий и платина. По одному стабильному имеют кобальт и золото, а наибольшее количество устойчивых нуклидов у олова.

Вычисление порядкового номера изотопа

Теперь постараемся обобщить сведения, описанные ранее. Поняв, что такое изотопы в химии, пришло время выяснить, как можно использовать полученные знания. Рассмотрим это на конкретном примере. Допустим, известно, что некоторый химический элемент обладает массовым числом 181. При этом оболочка атома данного вещества содержит в себе 73 электрона. Как можно, воспользовавшись таблицей Менделеева, узнать название данного элемента, а также число протонов и нейтронов в составе его ядра?

Приступим к решению задачи. Определить наименование вещества можно, зная его порядковый номер, который соответствует количеству протонов. Так как число положительных и отрицательных зарядов в атоме равны, то оно составляет 73. Значит, это тантал. При том, общее количество нуклонов в сумме составляет 181, а значит, протонов у данного элемента 181 - 73 = 108. Достаточно просто.

Изотопы галлия

Элемент галлий в имеет порядковый номер 71. В природе у этого вещества есть два изотопа - 69 Ga и 71 Ga. Как определить процентное соотношение разновидностей галлия?

Решение задач на изотопы по химии почти всегда связано с информаций, которую можно получить из таблицы Менделеева. В этот раз следует поступить аналогичным образом. Определим из указанного источника среднюю атомную массу. Она равна 69,72. Обозначив за x и y количественное соотношение первого и второго изотопа, примем сумму их равной 1. А значит, в виде уравнения это запишется: x + y = 1. Отсюда следует, что 69x + 71y = 69,72. Выразив y через x и подставив первое уравнение во второе, получаем, что x = 0,64, а y = 0,36. Это значит, что 69 Ga содержится в природе 64 %, а процентное соотношение 71 Ga составляет 34 %.

Превращения изотопов

Радиоактивное расщепление изотопов с трансформацией их в другие элементы разделяется на три основных типа. Первым из них является альфа-распад. Он происходит с испусканием частицы, представляющей собой ядро атома гелия. То есть это образование, состоящие из совокупности пар нейтронов и протонов. Поскольку количество последних определяет зарядовое число и номер атома вещества в периодической системе, то в результате этого процесса происходит качественное превращение одного элемента в другой, а в таблице он сдвигается влево на две клетки. При этом массовое число элемента уменьшается на 4 единицы. Это мы знаем из о строении атомов изотопов.

При потере ядром атома бета-частицы, по сути представляющей собой электрон, меняется его состав. Один из нейтронов трансформируется в протон. Это значит, что качественные характеристики вещества вновь меняются, а элемент сдвигается в таблице на одну клетку вправо, практически не теряя при этом в массе. Обычно подобное превращение сопряжено с электромагнитным гамма-излучением.

Превращение изотопа радия

Вышеизложенные сведения и знания из химии 11 класса об изотопах снова помогают решать практические задачи. К примеру, следующие: 226 Ra при распаде превращается в химический элемент IV группы, обладающий массовым числом 206. Сколько альфа- и бета-частиц при этом он должен потерять?

Учитывая изменения в массе и группу дочернего элемента, воспользовавшись таблицей Менделеева, легко определить, что образовавшимся при расщеплении изотопом будет свинец с зарядом 82 и массовым числом 206. А учитывая зарядовое число этого элемента и исходного радия, следует предположить, что ядро его потеряло пять альфа-частиц и четыре бета-частицы.

Использование радиоактивных изотопов

Всем прекрасно известно, какой вред живым организмам может нанести радиоактивное излучение. Однако свойства радиоактивных изотопов бывают для человека полезны. Они с успехом применяются во многих отраслях промышленности. С их помощью возможно обнаружить утечку в инженерных и строительных сооружениях, подземных трубопроводах и нефтепроводах, накопительных баках, теплообменниках на электростанциях.

Указанные свойства активно используются также в научных экспериментах. К примеру, муха цеце является переносчиком многих серьёзных заболеваний для человека, скота и домашних животных. В целях предотвращения подобного самцов этих насекомых стерилизуют посредством слабого радиоактивного излучения. Изотопы также бывают незаменимы при изучении механизмов некоторых химических реакций, ведь атомами данных элементов можно метить воду и другие вещества.

При биологических исследованиях часто также используются меченые изотопы. К примеру, именно таким образом было установлено, как фосфор влияет на почву, рост и развитие культурных растений. С успехом свойства изотопов применяются и в медицине, что позволило лечить раковые опухоли и другие тяжёлые заболевания, определять возраст биологических организмов.