Как найти изотоп вещества

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

••• 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

• 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.

Warnings

• 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.

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=(Zm_p+Nm_n)-M_я

где M_я – масса ядра, Z – число протонов в ядре, N – число нейтронов в ядре, m_p – масса протона, m_n – 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:

• ∆E_св=∆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? 

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.

Каждый атом имеет определенное количество протонов, электронов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, электроны несут отрицательный заряд, а нейтроны не несут заряд. Протоны и нейтроны составляют ядро ​​или центральную часть атома. Электроны вращаются вокруг ядра. У большинства атомов есть изотопы, которые встречаются в природе. Изотоп – это атом с разным количеством нейтронов, но одинаковым количеством протонов и электронов. Каждый элемент имеет стандартное количество нейтронов, которое можно найти, просматривая периодическую таблицу. Из таблицы Менделеева вы получите атомный номер в верхнем левом углу окна. Это количество протонов. Атомный вес элемента можно найти в нижней части окна периодической таблицы.

Как найти самый распространенный изотоп

••• Майкл Ганн / Demand Media

Найдите элемент в периодической таблице. Запишите атомный вес (внизу) и атомный номер (вверху слева).



••• Майкл Ганн / Demand Media

Округлить атомный вес до ближайшего целого числа. Если десятичное число равно.5 или выше, округлите вверх, если оно составляет.49 или ниже, округлите вниз.



••• Майкл Ганн / Demand Media

Вычтите атомный номер (число протонов) из округленной атомной массы. Это дает вам количество нейтронов в наиболее распространенном изотопе.



••• Майкл Ганн / Demand Media

Используйте интерактивную периодическую таблицу в проекте «Изотопы лаборатории Беркли», чтобы найти, какие существуют другие изотопы этого элемента.

подсказки

• Полезно записать каждый шаг и четко обозначить каждое значение, чтобы, если вы обнаружите, что допустили ошибку, вам будет проще проверить свою работу.

Предупреждения

• Нахождение наиболее распространенного изотопа – довольно простой расчет. Также возможно обратить процесс вспять и использовать значения изотопов для определения атомного веса.

Все мы много раз слышали слово «изотоп», и у некоторых оно прочно ассоциируется с чем-то радиоактивным, применяемым в атомных бомбах. Между тем, довольно заумные объяснения во всяких научных изданиях ясности не добавляют. Поэтому попробуем объяснить что такое изотоп примитивным языком.

Ясное дело, химикам и физикам это лучше не читать. Объяснения в статье примитивные, со множеством допущений, рассчитанные на людей, далеких от науки.

Итак, изотоп. Лучше всего рассматривать его на примере водорода – самого распространенного во Вселенной элемента, занимающего первый атомный номер в периодической таблице.

Когда-то давно атом считался неделимым элементом (атом в переводе с греческого и есть «неделимый»). Однако в конце XIX века учеными были обнаружены субатомные частицы. К ним относятся протоны, электроны и нейтроны. Было определено, что атом состоит из ядра, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны (они, конечно, не вращаются, но мы объясняем просто). Атомный номер в периодической таблице показывает как раз число протонов. Выглядит атом вот так:

Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, а нейтроны – нейтральны. Поэтому атом электрически нейтрален тогда, когда число протонов и электронов совпадает. В противном случае этот атом будет называться ионом. Протоны и нейтроны в ядре связаны сильным взаимодействием – одним из самых сильных в природе.

Мы договорились рассматривать изотопы на примере водорода. Водород выглядит намного проще, чем верхний рисунок: он имеет один-единственный протон, вокруг которого по орбите движется электрон (даже нейтрона у него нет):

Изотопы – это те вещества, у которых атомы имеют одинаковое число протонов и электронов, а отличаются лишь числом нейтронов. Атомный номер элемента при этом не меняется, ведь число протонов остается то же самое. Но меняется массовое число – так как нейтроны добавляют массу атому.

Давайте добавим к нашему простейшему водороду один нейтрон. Теперь водород выглядит так:

С точки зрения химика ничего не изменилось, остался прежний водород с его химическими свойствами. И остался этот наш водород по-прежнему в первой ячейки периодической системы. А вот с физической точки зрения есть большая разница: это самый настоящий изотоп. С точки зрения изотопов простейший водород (без нейтрона) также является изотопом и называется протием. Водород с одним нейтроном называется дейтерием, а с двумя нейтронами – тритием:

Тритий нестабилен и распадается в течение 12,3 лет. Изотопы водорода с большим количеством нейтронов (квадий, пентий и пр.) в природе устойчиво не существуют, так как распадаются за мельчайшие доли секунды.

Кроме водорода множество других химических элементов имеют изотопы. Они бывают радиоактивные (в которых ядра атомов крайне нестабильны и распадаются с испусканием частиц), а бывают стабильные, которые распадаются миллионы лет. На сегодня известно более 2000 нестабильных изотопов и около 270 стабильных. Атомное ядро не может содержать произвольное количество нейтронов, делающих вещество изотопом, поэтому количество изотопов не бесконечно.

Для чего нам нужны изотопы? Для огромного количества самых разных задач, в том числе биологических, агрохимических, медицинских, научных. Так, например, наверняка все слышали про радиоуглеродный анализ, позволяющий определить возраст биологических останков. Дело в том, что один из изотопов углерода 14С содержится в большом количестве в атмосфере, имеет период полураспада 5600 лет и активно участвует в углеродном обмене со всеми живыми организмами. После гибели организма данный изотоп начинает постепенно распадаться. Зная примерное содержание изотопа в организме и измерив его активность можно с большой точностью определить время смерти организма.

Широко применяются изотопы и в медицинских средствах инструментальной диагностики.

Разумеется, изотопы применяются в ядерном оружии. Например, в водородной бомбе происходит практически мгновенная реакция синтеза уже упомянутых дейтерия и трития в более тяжелые элементы.

Итак, что необходимо запомнить? Что изотопы – это вещества, в атомном ядре которого находится различное количество нейтронов.