Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие один и тот же заряд ядра, но разную массу, называются изотопами (от слов «изос» – одинаковый, «топос» – место).
Сведения об изотопах позволяют дать точное определение понятия «химический элемент». Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Изотоп – это вид атомов с одинаковым зарядом ядер и одинаковой массой.
Мы узнали, что атомы делимы и не вечны. Остается рассмотреть вопрос: действительно ли атомы одного и того же элемента одинаковы между собой во всех отношениях, в частности действительно ли они имеют одну и ту же массу?
Так как общая масса электронов, входящих в состав атома, незначительна по сравнению с массой его ядра, атомные веса элементов должны быть кратными по отношению к массе протона или нейтрона, т. е. кратными единице. Иначе говоря, атомные веса всех элементов должны выражаться целыми числами (точнее, близкими к целым числам). На некоторых элементах этот вывод оправдывается. Но существует много элементов, атомные веса которых выражаются дробными числами. Например, атомный вес хлора 35,45. В действительности в природе нет ни одного атома хлора, который имел бы такую массу. Элемент хлор представляет собой смесь двух видов атомов: одни атомы хлора имеют атомную массу 35, а другие 37. Найденная химическими способами атомная масса хлора 35,45 – это лишь средний вес его атомов. Более легких атомов в хлоре содержится больше, чем более тяжелых; поэтому средняя масса атомов хлора 35,45 ближе к атомному весу легкой разновидности – атомов хлора.
Подобно хлору, большинство химических элементов представляют собой смеси атомов, отличающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же заряд ядра.
Под химическим знаком хлора Cl подразумевают природную смесь обоих изотопов хлора. Когда же приходится говорить о каждом изотопе в отдельности, к знаку хлора приписывают численное значение массы атома изотопа, о котором идет речь 35 Cl, 37 Cl.
Подобно хлору, большинство химических элементов представляет смеси изотопов. Ядра изотопов каждого элемента содержа г одно и то же число протонов, но различное число нейтронов. Так, ядра изотопов 35 Cl и 37 Cl содержат по 17 протонов (порядковый номер хлора 17) и различное число нейтронов: ядра 35 Cl содержат 18 нейтронов, а ядра 37 Cl – 20 нейтронов.
Атомная масса элемента тем меньше, чем больше в состав элемента входит легких изотопов его. Если в состав элемента с меньшим порядковым номером входят преимущественно атомы тяжелых его изотопов, а в состав следующего за ним элемента – атомы более легких его изотопов, то окажется, что средняя масса атома элемента с большим порядковым номером будет не больше, а меньше среднего веса атома элемента с меньшим порядковым номером. Это, например, наблюдается у аргона Ar и калия К.
Чрезвычайное сходство химических свойств изотопов одного и того же элемента, несмотря на разную массу их атомов, подтверждает уже сделанный ранее вывод: свойства химических элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда атомного ядра.
А, следовательно, разную атомную массу .
Изотопы обозначают теми же символами, что и химический элемент , добавляя сверху слева символа массовое число , например, изотопы хлора обозначают: 35 Cl и 37 Cl, или массовое число следует за названием или символом элемента, например: уран-233 или Pu-239.
Изотопы данного химического элемента имеют одинаковый заряд атомного ядра , то есть один порядковый номер, и занимают то же место в периодической системе , имеют одинаковое количество протонов в ядре атома, но отличаются друг от друга количеством нейтронов . Так, в атомном ядре изотопа хлора 35 Cl содержится 17 протонов, поскольку порядковый номер хлора 17, и 18 нейтронов (35-17 = 18), а в ядре изотопа хлора 37 Cl - 17 протонов и 20 нейтронов (37-17 = 20) .
Некоторые химические элементы имеют небольшое количество стабильных изотопов. Так, для Кислорода известно три стабильных изотопа: 16 O (ядро состоит из 8 протонов и 8 нейтронов), 17 O (ядро состоит из 8 протонов и 9 нейтронов) и 18 В (ядро состоит из 8 протонов и 10 нейтронов). Для водорода известно тоже три изотопа: 1 H (ядро состоит только из одного протона), 2 H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона), 3 H (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Некоторые же химические элементы состоят из достаточно большого количества изотопов. Например, ксенон имеет 9 изотопов, олово - 10 и т. д.
Подавляющее большинство изотопов не имеет специальных названий, но для изотопов некоторых элементов, в частности для изотопов водорода, существуют специальные названия и даже специальные символы. Так, изотоп водорода 1 H называют протий , изотоп 2 H - дейтерий и обозначают символом D а изотоп 3 Н - тритий (символ T). Некоторые изотопы в природе достаточно распространены, как, например, изотоп кислорода 16 O и изотоп водорода 1 Н, а другие изотопы встречаются в очень мизерных количествах, как изотопы кислорода 17 O и 18 O и изотопы водорода 2 H и 3 H.
По химическим свойствам все изотопы отдельного элемента очень близки, поэтому значительной разницы между ними химических реакций не наблюдается. Исключение составляют изотопы водорода, которые по своим свойствам заметно отличаются друг от друга.
Период полураспада нестабильных изотопов может быть очень разным, от 1 ? 10 -24 до значений, превышающих возраст Вселенной. В последнем случае слабой радиоативнисть можно зарегистрировать точными измерениями, однако изотоп можно считать практически стабильным.
Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы.
Пример. Хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых содержит 18, а другой – 20 нейтронов в ядре.
Каждый вид атомов независимо от принадлежности к конкретному элементу однозначно описывается числом нуклонов (суммой протонов и нейтронов). Поэтому число видов атомов превышает число элементов.
Каждый вид атомов (вид ядер) называется нуклидом.
Нуклид – это вид атомов и ядер, отвечающий определенным числам протонов и нейтронов.
Нуклиды, принадлежащие одному элементу и однозначно определяемые
числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, называются изотопными нуклидами, или просто изотопами.
Изотопы элемента – это нуклиды, обладающие равным зарядом ядра (числом протонов).
Изотопы элемента различаются только числом нейтронов и, следовательно, общим числом нуклонов.
Например: Ядра двух природных изотопов хлора содержат по 17 протонов, но 18 и 20 нейтронов, т. е. 35 и 37 нуклонов соответственно.
Вследствие того, что именно числом протонов в ядре определяется число электронов в оболочке атома и химические свойства элемента, следует, что атомы всех изотопов одного и того же элемента имеют одинаковое электронное строение, а сами изотопы – близкие химические свойства, из-за чего их не удается разделить химическими методами.
В природе встречаются элементы, имеющие только один изотоп. Такиё элементы называются изотопно-чистыми. В современной Периодической системе насчитывается 21 изотопно-чистый элемент (ниже они перечислены по возрастанию порядкового номера): Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th.
Остальные природные элементы представляют собой смесь двух или более изотопов, атомы которых различаются по числу нуклонов. Такие элементы называются изотропно-смешанными, их в Периодической системе большинство. Значения относительных атомных масс таких элементов отвечают природной смеси изотопов и являются усредненными по содержанию изотопов, поэтому значения А г многих элементов сильно отклоняются от целочисленных значений. Даже углерод, который принят за точку отсчета относительных атомных масс других элементов, является изотопно-смешанным, элементом (два изотопа с А, = 12 и А, = 13), и мерой определения относительной атомной массы служит один из природных изотопов углерода, а именно углерод –12. Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово.
Для нуклидов точные значения относительных атомных масс всегда близки к целочисленным значениям, поэтому массы нуклидов можно сравнивать по этим значениям А г, называемым массовыми числами.
Массовое число нуклида равно числу содержащихся в нем нуклонов (сумме протонов и нейтронов).
Для обозначения конкретного нуклида применяется специальная символика, Слева от символа химического элемента верхним индексом указывается массовое число, а нижним индексом – заряд ядра. Например: 6 12 С, 17 35 Cl и.т.д.
Малюгина 8. Изменения в составе ядер. Изотопы. Химический элемент.
Положение химического элемента в периодической системе зависит от величины заряда атомного ядра, т. е. от числа протонов в нем.
Ядерные реакторы" href="/text/category/yadernie_reaktori/" rel="bookmark">ядерном реакторе атомной электростанции .
Рис 1. Ядерные реакции на Солнце
Что будет, если изменить количество нейтронов в атоме , не изменяя количество протонов? Заряд ядра, а значит положение элемента в периодической системе, не изменится. Значит, новый элемент не образуется. Это будет все тот же химический элемент , но атомы его будут отличаться от исходного своей массой .
Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов называют изотопами .
12С – углерод-12 13С – углерод-12 14С – углерод-14
Слово изотоп от греческих слов: изос - «один», топос – «место», обозначает «занимающий одно место» т. е. клетку в периодической системе химических элементов.
: Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа.
Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева вверху от которых записывают массовое число изотопа, а внизу – порядковый номер (заряд ядра атома) элемента, например,
126С – изотоп углерода с массовым числом 12
188О – изотоп кислорода с массовым числом 18
Иногда в символах изотопов записывают только массовые числа: 12С, 18О, 27Аl. В названии указывают его массовое число: углерод-12, кислород -18 и т. п.
В природе различные химические элементы имеют разное число изотопов с разным процентным содержанием каждого из них. Изотопы элемента с меньшим массовым числом называют легкими, изотопы с большим массовым числом называют тяжелыми.
Изотопы так же делятся на стабильные и нестабильные (радиоактивные). Некоторые нестабильные изотопы используют как «меченые атомы» в научных исследованиях.
Изотопы одного химического элемента не отличаются химическими свойствами. Исключение составляет водород . Из-за кратного увеличения его массы при изменении в составе ядра числа протонов, свойства изотопов значительно разнятся.
Элемент водород имеет три изотопа, каждому из которых присвоено свое название и обозначение:
11Н - протий | 21Н (D) – дейтерий | 31Н (Т) - тритий |
1 протон, нейтронов нет | 1 протон, 1 нейтрон | 1 протон, 2 нейтрона |
Типовая задача 1.
Чему равно число нейтронов в атомах следующих изотопов: 15N, 119Sn, 235U
Решение
Число нейтронов - это разность между массовым числом и числом протонов (N = A – Z, где N –число нейтронов, A – массовое число, Z - число протонов).
Число протонов = порядковому номеру.
Для решения задачи найдем в ПСХЭ порядковые номера элементов и вычислим количество нейтронов, как разность между массовым числом и количеством протонов:
157N: N =15-7 =8; 8 нейтронов
11950Sn: N =119-50 =69; 69 нейтронов
23592U: N =235-92 =143; 143 нейтрона
Вопросы для самоконтроля:
1. От чего зависит положение химического элемента в периодической системе?
2. Почему атом магния занимает клетку ПСХЭ под номером 12?
3. Что произойдет с атомом, если в его ядре изменить (увеличить или уменьшить) количество протонов?
4. Как называются процессы, протекающие с изменением состава ядер?
5. Что произойдет с атомом, если в его ядре изменить количество нейтронов?
6. Что называют изотопами?
7. Чем отличаются атомы изотопов одного элемента?
8. Сколько изотопов может иметь атом?
9. Как называются изотопы водорода? Каков состав ядер этих изотопов?
10. Как обозначают и как называют изотопы элементов?
11. Почему изотопы хлора имеют одинаковые свойства, а изотопы водорода – разные?
12. Как классифицируют изотопы?
13. Почему проявляют разные химические свойства частицы 4019К и 4018Ar?
Посмотреть ответ
1. От величины заряда атомного ядра.
2. Заряд ядра атома магния равен 12, в ядре содержится 12 протонов.
3. Изменится заряд ядра, значит получится другой химический элемент.
4. Ядерными реакциями.
5. Изменится масса атома, химический элемент останется тем же.
6. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов называют изотопами.
7. Числом нейтронов.
8. В природе элементы имеют разное число изотопов с разным процентным содержанием каждого из них.
9. У водорода три изотопа:
11Н - протий | 21Н (D) – дейтерий | 31Н (Т) - тритий |
1 протон, нейтронов нет | 1 протон, 1 нейтрон | 1 протон, 2 нейтрона |
10. Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева вверху от которых записывают массовое число изотопа 12С и указывают его в названии: углерод-12.
11. Изотопы химических элементов имеют, как правило, одинаковые свойства. Однако, у водорода при изменении числа нейтронов кратно увеличивается масса. Поэтому свойства изотопов водорода существенно отличаются. В связи с этим изотопы водорода получили индивидуальные названия: протий, дейтерий, тритий.
12. На легкие и тяжелые, на стабильные и нестабильные (радиоактивные).
13. Потому, что это разные химические элементы, они отличаются зарядом атомного ядра.
Задачи для самостоятельного решения
1. Напишите символы изотопов олова, атомы которых содержат 66, 68, 69, 71 ,72 нейтрона
2. Определите относительную молекулярную массу воды, молекулы которой содержат тяжелый изотоп водорода – дейтерий.
3. Чему равен порядковый номер элемента, массовое число одного из изотопов которого равно 31, а число нейтронов равно 16
Посмотреть ответ
1. Изотопы – атомы с одинаковым зарядом атомного ядра, но разным массовым числом. Заряд ядра атома = порядковому номеру. Находим в ПСХЭ порядковый номер химического элемента олова (равен 50), вычисляем массовое число (столбец 3).
Число нейтронов | Число протонов = порядковому номеру =50 | Массовое число: сумма нейтронов и протонов | |
11650Sn или 116Sn |
|||
11850Sn или 118Sn |
|||
11950Sn или 119Sn |
|||
12150Sn или 121Sn |
|||
12250Sn или 122Sn |
2. Mr (D2О) = 2·2 +16 = 20
3. Массовое число – это сумма протонов и нейтронов. Число протонов в атоме равно 31-16 =15. Число протонов = порядковому номеру, следовательно это элемент №15 – фосфор Р