Как найти порядковый номер изотопа

В 1913 г. ученик Э. Резерфорда английский физик Г. Мозли в опытах с рентгеновскими лучами определил заряды атомных ядер многих химических элементов и доказал, что заряд ядра всегда численно равен порядковому (атомному) номеру элемента в Периодической системе:

Так, порядковый номер водорода равен единице, ядра всех атомов водорода имеют заряд +1, т. е. содержат один протон (Z = 1). В то же время атомы водорода могут различаться числом нейтронов в ядре (и, следовательно, массой): ядра атомов обычного водорода совсем не содержат нейтронов (N = 0), ядра тяжёлого водорода (дейтерия) содержат один нейтрон (N = 1), а ядра сверхтяжёлого водорода (трития) — два нейтрона (N = 2) (рис. 85).

Общее число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом атома A:

A = Z + N.

Так как масса каждого протона и нейтрона примерно равна 1 а. е. м., а масса электрона очень мала, то массовое число атома приблизительно равно его относительной атомной массе.

В ядерной химии используют специальные обозначения атомов: заряд ядра, т. е. порядковый (атомный) номер пишут слева внизу от символа химического элемента, а массовое число — слева вверху, например:

Иногда нижний индекс опускают: ¹⁶O. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра, но разную массу (массовое число), называют изотопами. Изотопы одного и того же элемента различаются числом нейтронов в ядре. В названиях изотопов кроме названия химического элемента указывают и массовое число атома:

Всего известно более 2000 изотопов, из которых около 300 существуют в природе, а остальные получены искусственным путём. Например, в природе встречаются три изотопа кислорода: кислород-16 (¹⁶O), кислород-17 (¹⁷O) и кислород-18 (¹⁸O). Химические свойства изотопов одинаковы, а некоторые физические свойства незначительно различаются.

Зная порядковый номер элемента и массовое число изотопа, легко рассчитать, сколько электронов, протонов и нейтронов содержит данный атом. Число электронов равно числу протонов Z, которое совпадает с порядковым номером (зарядом ядра), а число нейтронов N равно разности между массовым числом A и зарядом ядра:

N = A – Z.

Большинство видов атомов существует вечно, т. е. их ядра не распадаются. Однако некоторые изотопы обладают способностью самопроизвольно превращаться в атомы других элементов, испуская электроны или ядра гелия (рис. 86). Способность ядер атомов самопроизвольно распадаться называют радиоактивностью, а элементы, все изотопы которых неустойчивы и самопроизвольно распадаются, называют радиоактивными. Так, радиоактивными являются все элементы, следующие за висмутом в Периодической системе. Для многих из них в периодической таблице приведена не средняя атомная масса, а массовое число наиболее долгоживущего изотопа (оно заключено в квадратные скобки).

Задача. Сколько электронов, протонов и нейтронов содержится в атоме урана-238?

Р е ш е н и е.

Уран имеет порядковый номер 92, следовательно, атом урана содержит 92 протона и 92 электрона. Найдём число нейтронов в ядре атома урана-238:

N = A – Z;           N = 238 – 92 = 146.

О т в е т. 92 электрона, 92 протона, 146 нейтронов.

Все химические элементы имеют по несколько изотопов, причём чем выше заряд ядра элемента, тем больше изотопов он имеет. Так, водород образует всего три изотопа, а свинец (Z = 82) — 32, с массовыми числами от 183 до 214. Из них только четыре найдены в природе, а остальные получены искусственно.

Многие химические элементы встречаются в природе в виде смеси нескольких изотопов, например углерод (¹²C, ¹³C и ¹⁴C), азот (¹⁴N и ¹⁵N), кислород (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O). Рекордсменом по числу природных изотопов (10) является олово. В то же время некоторые химические элементы имеют лишь один природный изотоп, например фтор (¹⁹F), натрий (²³Na), алюминий (²⁷Al), фосфор (³¹P).

Вы, наверное, заметили, что значения относительных атомных масс элементов, приведённые в периодической таблице, не являются целочисленными: A_r(C) = 12,011, A_r(Cl) = 35,453. В первую очередь это связано с тем, что большинство элементов встречается в природе в виде нескольких изотопов, и значение, приведённое в таблице, является средним, рассчитанным с учётом процентного содержания каждого изотопа в земной коре. Так, природный хлор примерно на 75% состоит из атомов ³⁵Cl и на 25% из ³⁷Cl, поэтому его атомная масса равна 35,5.

1.Ядро атома химического элемента содержит два протона и один нейтрон. Запишите обозначение этого атома с указанием химического символа, порядкового номера и массового числа.

2.Протон представляет собой ядро некоторого атома. Запишите обозначение этого атома.

3.Сколько протонов и электронов содержится: а) в атоме кислорода; б) в молекуле воды?

4.Сколько электронов в молекуле оксида углерода(II)? Назовите простое вещество, молекула которого содержит столько же электронов.

5.Чем отличаются атомы двух изотопов одного и того же химического элемента?

6.Сколько протонов и нейтронов содержат ядра кислорода-17, углерода-14, цезия-137?

7.Какой изотоп натрия содержит такое же число нейтронов, что и изотоп ²⁴Mg?

8.Напишите обозначения атомов, ядра которых содержат: а) 2 протона и 2 нейтрона; б) 15 протонов и 16 нейтронов; в) 35 протонов и 45 нейтронов.

9.Из приведённого ниже списка выберите: а) изотопы; б) атомы с одинаковым числом нейтронов в ядре; в) атомы с одинаковым массовым числом: , , , .

10.Сколько разных видов молекул воды может быть образовано из трёх изотопов водорода и трёх изотопов кислорода?

* 11.Природная медь состоит из двух изотопов: ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. Рассчитайте процентное содержание каждого изотопа в земной коре, если относительная атомная масса меди равна 63,5.

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.

Положение
химического элемента зависит от заряда ядра атома, или от числа протонов.
И, если изменить число протонов в ядре, то будет образовываться совсем другой
химический элемент. Эти процессы называются ядерными.

Ядерные
процессы протекают с выделением большого количества энергии, как,
например, на Солнце, когда ядра атомов водорода соединяются и образуют ядра
атомов гелия. Но если не изменять число протонов, т.е. заряд ядра, а только
число нейтронов, то  другого химического элемента не образуется, образуется тот
же элемент, но с другой массой. Эти разновидности элементов с разной массой
называют изотопами.

Изотопы
– разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие
одинаковый заряд ядра, но разное массовое число. Слово изотоп состоит из
двух греческих слов: изос – «одинаковый» и топос – «место».

Химические
элементы, встречающиеся в природе, являются смесью изотопов.  Например, у
водорода есть три изотопа, каждый из которых отличается не только массовым
числом, но и имеет свое название. Первый изотоп – это протий, с массовым
числом равным единице, второй изотоп – это дейтерий, у которое массовое
число равно двум, третий называется тритием и массовое число его
равно трем. Но число протонов одинаково, т.е. в ядре каждого из них содержится
один протон.

Относительная
атомная масса имеет дробное значение. В природе один и тот же
химический элемент представляет собой смесь изотопов, тогда
относительная атомная масса является средним значением атомных масс
природной смеси изотопов данного химического элемента с учетом содержания
их в природе.

Разберём
это на примере. Атомы хлора состоят из смеси двух изотопов с
массовым числом 35, их в природе 75% и с массовым числом 37, которых в природе
встречается 25%. Следовательно, относительная атомная масса хлора вычисляется
таким образом:

На
основании знаний о строении атома, существования изотопов, можно дать более
точное определение химического элемента – это совокупность атомов с
одинаковым зарядом ядра.