В уроке 2 «Изотопы элементов» из курса «Химия для чайников» рассмотрим что такое изотопы элементов и как правильно их обозначают; кроме того мы научимся определять массовое число, дефект массы и энергию связи ядра. Данный урок полностью опирается на основы химии, изложенные в первом уроке, в котором мы рассмотрели строение атома и атомного ядра, поэтому настоятельно вам рекомендую его изучить от корки до корки.
Что такое изотоп?
Хотя все атомы одного элемента имеют одинаковое число протонов, эти атомы могут отличаться числом имеющихся у них нейтронов. Такие различные атомы одного и того же элемента называются изотопами. Количество протонов, а также количество электронов у изотопа и исходного элемента совпадает. По этой причине в природе существует гораздо больше химических элементов, чем указано в таблице Менделеева, которая систематизирует элементы по числу протонов (порядковый номер).
Например, все атомы Li имеют 3 протона, но в природе существуют изотопы, содержащие от 3 до 5 нейтронов. Для обозначения изотопа, слева от символа элемента подписывают нижним индексом его порядковый номер, а верхним — массовое число. Массовое число — это суммарное число нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре, численно близкое к атомной массе элемента. Нижний индекс, обозначающий порядковый номер элемента, указывать не обязательно, так как все атомы лития имеют в своем ядре по 3 протона. Также, обсуждая эти изотопы, можно пользоваться записью «литий-6» и «литий-8».
На рисунке выше изображен состав четырех изотопов гелия (Не). Все атомы гелия содержат два протона (и, следовательно, два электрона), но число нейтронов у них может быть разным. В природе большинство атомов гелия имеет два нейтрона (гелий-4) и реже одного раза на миллион встречаются атомы гелия с одним нейтроном (гелий-3). Другие изотопы гелия — гелий-5 , гелий-6 и гелий-8 (не показанный на рисунке) — неустойчивы и обнаруживаются лишь на очень непродолжительное время в ядерных реакциях (подробнее об этом будем говорить еще не скоро). Размеры ядер на рисунке очень сильно увеличены. Если бы они были такими, как это показано на рисунке, диаметр атома должен был достигать примерно 0,5 км.
Пример 1. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме урана-238? Запишите символ этого изотопа.
Решение: Порядковый номер урана (см. таблицу Менделеева) равен 92, а массовое число изотопа равно 238 (по условию). Следовательно, он содержит 92 протона, 92 электрона и 238 — 92 = 146 нейтронов. Его символ 238U.
Дефект массы и энергия связи ядра
Затронув тему изотопов, нельзя пройти мимо феномена дефект массы ядра. Когда из отдельных нуклонов образуется атомное ядро, часть их массы превращается в энергию. Другими словами, вот взяли вы щепотку протонов и нейтронов, хорошенько их смяли вместе, и получили ядро, но его масса будет меньше массы исходных компонентов. Это и есть дефект масс. Формула для расчета дефекта массы ядра:
- ∆m=(Zmp+Nmn)-Mя
где Mя – масса ядра, Z – число протонов в ядре, N – число нейтронов в ядре, mp – масса протона, mn – масса нейтрона.
Если к атому подвести энергию (которая эквивалентна дефекту масс), то можно разделить его ядро обратно на нуклоны. Эта энергия носит название энергия связи ядра. Формула для расчета энергии связи ядра:
- ∆Eсв=∆mc2
где с — скорость света, ∆m — дефект массы ядра
Проверьте себя, как вы усвоили понятия дефект массы и энергия связи ядра, самостоятельно решив задачу пользуясь формулами выше.
Пример 2. Если образовать атом углерода-12 из субатомных частиц, какое значение будет иметь дефект масс?
Показать
Ответ: 0,0990 а.е.м.
[свернуть]
Теперь нам известно, что каждый изотоп элемента характеризуется порядковым номером (суммарным числом протонов), массовым числом (суммарным числом протонов и нейтронов) и атомной массой (массой атома, выраженной в атомных единицах массы). Поскольку дефект массы при образовании атома очень мал, массовое число обычно совпадает с атомной массой изотопа, округленной до ближайшего целого числа. (Например, атомная масса хлора-37 равна 36,966, что после округления дает 37.) Если в природе встречается несколько изотопов одного элемента, то экспериментально наблюдаемая атомная масса (естественная атомная масса) равна средневзвешенному значению атомных масс отдельных изотопов. Это средневзвешенное значение определяется соответственно относительному содержанию изотопов в природе. Хлор существует в природе в виде смеси из 75,53% хлора-35 (атомная масса 34,97 а.е.м.) и 24,47% хлора-37 (36,97 а.е.м.), поэтому средневзвешенное значение масс этих изотопов равно
- (0,7553·34,97 а.е.м.) + (0,2447·36,97 а.е.м.) = 35,46 а.е.м.
Атомные массы, указанные в таблице Менделеева представляют собой во всех случаях средневзвешенные значения атомных масс изотопов, встречающихся в природе, и именно этими значениями мы будем пользоваться в дальнейшем, за исключением тех случаев, когда будет обсуждаться какой-нибудь конкретный изотоп. Все изотопы одного элемента в химическом отношении ведут себя практически одинаково. На рисунке ниже изображены состав и свойства некоторые атомов, ионов и изотопов элементов.
Пример 3. Магний (Mg) в основном состоит из трех естественных изотопов: 78,70% всех атомов магния имеют атомную массу 23,985 а.е.м., 10,13% — 24,986 а.е.м. и 11,17% — 25,983 а.е.м. Сколько протонов и нейтронов содержится в каждом из этих трех изотопов? Чему равно средневзвешенное значение их атомных масс?
Решение: Все изотопы магния содержат по 12 протонов. Изотоп с атомной массой 23,985 а.е.м. имеет массовое число 24 (суммарное число протонов и нейтронов), следовательно, он имеет 24 — 12 = 12 нейтронов. Символ этого изотопа 24Mg. Аналогично находим, что изотоп с атомным весом 24,986 а.е.м. имеет массовое число 25, содержит 13 нейтронов и имеет символ 25Mg. Третий изотоп (25,983 а.е.м.) имеет массовое число 26, содержит 14 нейтронов и имеет символ 26Mg. Средняя атомная масса магния находится следующим образом:
- (0,7870·23,985 а.е.м.) + (0,1013·24,986 а.е.м.) + (0,1117·25,983 а.е.м.) = 24,31 а.е.м.
Надеюсь урок 2 «Изотопы элементов» помог вам понять что из себя представляют изотопы. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Химический элемент
Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов
в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.
Изучая подобную карточку химического элемента, можно узнать о нем многое:
- Обозначение химического элемента
- Русское наименование
- Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов
- Атомная масса
- Распределение электронов по энергетическим уровням
- Электронная конфигурация внешнего уровня
Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего
уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную
конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))
Протоны, нейтроны и электроны
Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов
равно числу электронов.
Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:
27 — 13 = 14
Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия,
кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.
Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.
Изотопы
Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента,
имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.
Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные
на земле изотопы.
Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.
В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У
дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.
Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.
Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который
включен в таблицу Д.И. Менделеева.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Every atom has a certain number of protons, electrons and neutrons. Protons carry a positive charge, electrons carry a negative charge and neutrons do not carry a charge. Protons and neutrons make up the nucleus or central part of the atom. Electrons orbit around the nucleus. Most atoms have isotopes that occur naturally. An isotope is an atom with a different number of neutrons, but the same number of protons and electrons. Each element has a standard number of neutrons that can be found by looking at a periodic table. From the periodic table, you will get the atomic number on the top left corner of the box. This is the number of protons. The atomic weight of the element can be found on the bottom of the box on the periodic table.
How to Find the Most Common Isotope
-
It is helpful to write out each step and clearly label each value so that if you find you have made an error, it will be easier to check your work.
-
Finding the most common isotope is a fairly simple calculation. It is also possible to reverse the process and use the isotope values to find the atomic weight.
••• Michael Gann/Demand Media
Find the element on the periodic table. Record the atomic weight (on the bottom) and the atomic number (top left).
••• Michael Gann/Demand Media
Round the atomic weight to the nearest whole number. If the decimal is .5 or higher, round up, if it is .49 or lower, round down.
••• Michael Gann/Demand Media
Subtract the atomic number (the number of protons) from the rounded atomic weight. This gives you the number of neutrons in the most common isotope.
••• Michael Gann/Demand Media
Use the interactive periodic table at The Berkeley Laboratory Isotopes Project to find what other isotopes of that element exist.
Tips
Warnings
Для того чтобы это сделать вам нужно знать 3 вещи:
- Как определить число протонов и нейтронов в атоме?
- Как определить общее число электронов в атоме?
- Что такое изотоп.
Вкратце напомню.
Число протонов и электронов в атоме одинаково и равно порядковому номеру элемента в периодической таблице.
Число нейтронов вычисляется по формуле:
N = A — Z
Где N — число нейтронов, A — атомная масса элемента (в целых числах), Z — заряд ядра атома (число протонов) или порядковый номер атома в периодической таблице Менделеева.
Что такое изотоп?
Изотопы это разновидности атомов химического элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра (порядковый номер в таблице), но разные массовые числа.
Проще говоря, у изотопов в ядре атома одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Таким образом, число протонов и электронов у изотопов такое же, как и у обычных атомов, разница лишь в количестве нейтронов.
Примеры
Сколько электронов, протонов и нейтронов содержит атом изотопа титана 50Ti?
Титан имеет порядковый номер 22. Значит в ядре содержится 22 протона, а в атоме 22 электрона.
Число нейтронов: N = 50 – 22 = 28 нейтронов.
Сколько электронов содержит нейтральный атом изотопа полония?
В данном случае нам даже не нужно знать массовое число изотопа, т.к. речь идет только об электронах. Порядковый номер полония 84, значит в ядре атома 84 протона, а в атоме 84 электрона.
Определите число протнов, нейтронов и электронов для изотопа 55Mn.
Порядковый номер марганца 25. Значит в ядре атома 25 протонов, а в атоме 25 электронов.
Найдем число нейтронов: N = 55 – 25 = 30 нейтронов.
Определите число протонов изотопа калия.
В этом случае массовое число изотопа не имеет значения, т.к. речь идет о протонах, число которых у изотопов одинаково. Калий имеет порядковый номер в таблице 19, значит у любого изотопа калия будет 19 протонов.
Похожие вопросы:
– Какие атомы имеют одинаковое число нейтронов?
– Как определить общее число электронов в атоме?
|
Имеется в виду периодическая таблица элементов, в которой есть только символы элементов, их названия и самые точные на сегодня атомные массы. А распространенности элементов и других данных нет. Вот по такой таблице нужно найти те элементы, которые представлены в природе только одним стабильным нуклидом.
Моя идея была такая. Обычно в периодических таблицах помещают округленные значения относительных атомных масс — просто для экономии места. Но бывают таблицы, в которых приводят и более точные значения. Посмотреть последние значения можно, например, на сайте Комиссии по атомным весам ИЮПАК. И обнаруживаются интересные вещи. Например, для фосфора значение очень точное, на пределе современных инструментальных возможностей: 30,973761998 — 11 значащих цифр! Такая же точность для атомных масс фтора и цезия. А вот, например, для цинка приводится намного менее точное значение: 65,38 — всего лишь четыре значащие цифры. Такая же пониженная точность — для стронция, молибдена и свинца. Всего пять значащих цифр приводятся для атомных масс аргона, кальция, титана, железа, меди, галлия, германия, селена, криптона, циркония, рутения, палладия, теллура, самария, гадолиния, гафния, вольфрама и осмия. Почему такое «разное отношение» к разным элементам? Дело в том, что если элемент представлен в природе единственным не радиоактивным нуклидом, то его атомную массу (в углеродных единицах) можно определить с максимальной точностью, доступной современной науке. Такие элементы иногда называют «одиночками», всего их 19. Если же у элемента есть несколько стабильных изотопов, то из-за разницы в их массах возможно природное разделение изотопов, потому что более легкие немного быстрее перемещаются в земной коре. Поэтому в разных образцах минералов и горных пород точные анализы дадут разные результаты. Например, для серы атомные массы будут различаться уже во втором знаке после запятой (от 32,059 до 32,076), для водорода — в третьем знаке и т.д. Таким образом, элементы-одиночки можно выявить по очень точным атомным массам — восемь и более значащих цифр. Исключения есть: это лантан и тантал (по 8 цифр). Связано это тем, что у каждого всего по два изотопа, причем один из них значительно преобладает. Например, лантана-130 99,91%, а тантала-181 — 99,998%! Поэтому второй изотоп почти не вносит вклада в атомную массу. модератор выбрал этот ответ лучшим
Руслан Кипер 8 лет назад В случае, если значения атомных масс элемента близки к целому числу и не заключены в скобки, с большой долей уверенности можно предположить, что у данного элемента всего один стабильный природный изотоп. Это связано с тем, что в этом случае нет мешающего явления вариации изотопного состава в зависимости от источника элемента.
Михаил Белодедов 8 лет назад Пользуясь только таблицей Менделеева, это, увы, сделать невозможно. Таблица Менделеева учитывает только электронные оболочки. А стабильность изотопов — это уже оболочечная модель атомных ядер. Это уже совсем другая опера. Знаете ответ? |
