Хімія. 8 клас. Дячук

§ 8. Ізотопи

Опрацювавши параграф, ви дізнаєтеся, що таке:

• протонне і нуклонне число;
• ізотопи;
• нуклід.

1. Протонне число

У 1913 році учень Е. Резерфорда англійський фізик Г. Мозлі у дослідах з рентгенівськими променями визначив заряди атомних ядер багатьох хімічних елементів і довів, що заряд ядра атома завжди чисельно дорівнює порядковому (атомному) номеру елемента в періодичній системі:

Кількість протонів у ядрі атома називають протонним числом (Z).

Мал. 3. Три ізотопи Гідрогену

• Знайдіть у періодичній системі Кальцій і Сульфур, запишіть у зошиті їхні протонні числа.

2. Нуклонне число

Оскільки порядковий номер Гідрогену дорівнює 1, то ядра усіх атомів Гідрогену мають заряд +1, тобто містять 1 протон (Z = 1). У той же час атоми Гідрогену можуть відрізнятися за числом нейтронів у ядрі (а, отже, за масою): ядра атомів звичайного Гідрогену зовсім не містять нейтронів (N = 0), ядра тяжкого Гідрогену (Дейтерію) містять один нейтрон (N = 1), а ядра надтяжкого Гідрогену (Тритію) — 2 нейтрони (N = 2) (мал. 3). Тому для характеристики атома використовують ще одну величину — нуклонне число А, яке дорівнює сумі протонів та нейтронів у ядрі атома:

A = Z + N

Оскільки маса кожного протона і нейтрона приблизно дорівнює 1 а. о. м., а маса електрона дуже мала, то нуклонне число атома приблизно дорівнює числовому значенню його відносної атомної маси.

У ядерній хімії використовують спеціальні позначення атомів: протонне число записують зліва внизу від символу хімічного елемента, а нуклонне число — зліва зверху, наприклад:

Інколи нижній індекс не записують: ¹⁶О.

• Знайдіть у періодичній системі Фосфор і Алюміній, запишіть у зошиті їхні символи з позначенням нуклонного і протонного числа.

3. Ізотопи

Різновидності атомів одного і того ж хімічного елемента, які мають різну кількість нейтронів у ядрі, називають ізотопами.

У назвах ізотопів, крім назви хімічного елемента, вказують і нуклонне число:

Усього відомо близько 2000 ізотопів, з яких близько 300 існують у природі, а решта отримані штучно. Наприклад, у природі зустрічаються три ізотопи Оксигену: Оксиген-16 (¹⁶О), Оксиген-17 (¹⁷О) і Оксиген-18 (¹⁸О). Хімічні властивості ізотопів однакові, а деякі фізичні властивості дещо відрізняються.

Знаючи порядковий номер елемента і нуклонне число ізотопу, легко розрахувати, скільки електронів, протонів та нейтронів містить даний атом.

Число електронів дорівнює числу протонів (протонному числу), а число нейтронів дорівнює різниці між нуклонним і протонним числом:

N = A - Z

ЗАДАЧА. Скільки електронів, протонів та нейтронів міститься в ядрі Урану-238?

Розв'язання

Уран має порядковий номер 92. Отже, атом Урану містить 92 протони і 92 електрони. Знайдемо число нейтронів у ядрі атома:

N = A - Z = 238 - 92 = 146.

Відповідь: 92 електрони, 92 протони, 146 нейтронів.

Усі хімічні елементи мають по кілька ізотопів, причому чим вищий заряд ядра атома елемента, тим більше ізотопів він має. Так, Гідроген утворює всього три ізотопи, а Плюмбум (Z = 82) — 32 з нуклонними числами від 183 до 214. З них лише 4 знайдені в природі, а решта отримані штучно.

Багато хімічних елементів зустрічаються в природі у вигляді суміші декількох ізотопів, наприклад Карбон (¹²С, ¹³С і ¹⁴С), Нітроген (¹⁴N і ¹⁵N) тощо. Рекордсменом за числом природних ізотопів (10) є Станум. У той же час деякі хімічні елементи мають лише один природний ізотоп, наприклад Флуор (¹⁹F), Натрій (²³Na), Алюміній (²⁷Al), Фосфор (³¹P).

Ви, напевно, помітили, що значення відносних атомних мас елементів, наведені в періодичній системі, не є цілочисельними: A_r(C) = 12,011, A_r(Cl) = 35,453. Насамперед це пов'язано з тим, що більшість елементів трапляються у природі у вигляді декількох ізотопів, і наведене в таблиці значення є середнім, яке розраховане на основі атомної частки кожного з ізотопів у земній корі. Так, природний Хлор приблизно на 75% складається з атомів ³⁵Cl і на 25% із ³⁷Cl, тому його середня відносна атомна маса дорівнює 35,5: A_r(Cl) = 0,75 · 35 + 0,25 · 37 = 35,5.

4. Нуклід

Нуклід — це будь-який вид атомів з певним протонним і нуклонним числом.

Нуклідами є атоми будь-якого елемента, наприклад: ³¹Р, ²³Na, ⁶³Cu та інші.

Тому можна інакше сформулювати поняття «ізотопи».

Ізотопи — це нукліди певного хімічного елемента.

Наприклад, ізотопи Магнію: ²⁴Mg, ²⁵Mg і ²⁶Mg.

• ...більшість видів атомів є стійкими, тобто їхні ядра залишаються незмінними довгий час. Проте деякі ізотопи мають здатність спонтанно перетворюватись на атоми інших елементів, випромінюючи електрони або ядра Гелію. Здатність ядер атомів спонтанно розпадатися називають радіоактивністю. А елементи, усі ізотопи яких нестійкі і спонтанно розпадаються, називають радіоактивними. Радіоактивними є усі елементи після Бісмуту у періодичній системі. Для багатьох із них наведена не середня відносна атомна маса, а нуклонне число ізотопу з найдовшою тривалістю «життя» (воно записане в квадратних дужках).

• ...явище радіоактивності досліджували А. А. Беккерель, Г. Шмідт, П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі.

СКЛОДОВСЬКА-КЮРІ Марія (1867-1934)

Французька вчена, єдина в історії жінка, котра двічі отримала Нобелівську премію — з фізики (1903 р.) та хімії (1911) за відкриття і дослідження Полонію та Радію.

ВИСНОВКИ

• Кількість електронів і протонів в атомі однакова і дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі.

• Протонне число — це кількість протонів у ядрі атома.

• Нуклонне число — сума протонів і нейтронів у ядрі атома.

• Ізотопи — це різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента з різною кількістю нейтронів у ядрі.

• Нуклід — це будь-який вид атомів з певним нуклонним числом.

Початковий рівень

1. Укажіть протонні числа Карбону, Хлору, Силіцію, Купруму.

2. Чим відрізняються між собою ізотопи?

Середній рівень

3. Напишіть символи хімічних елементів, ядра атомів яких містять: а) 2 протони і 2 нейтрони; б) 15 протонів і 16 нейтронів; в) 35 протонів і 45 нейтронів.

4. Ядро атома хімічного елемента містить 2 протони і 1 нейтрон. Запишіть позначення цього атома, вказавши хімічний символ, протонне і нуклонне число.

5. Протон є ядром деякого атома. Запишіть позначення цього атома.

Достатній рівень

6. Із наведеного переліку виберіть а) ізотопи; б) атоми з однаковим числом нейтронів у ядрі; в) атоми з однаковими нуклонними числами: ¹⁶₈O, ¹⁴₆C, ¹⁴₇N, ¹³₆C.

7. Скільки протонів і нейтронів містять ядра Оксигену-17, Карбону-14, Цезію-137?

8. Скільки протонів та електронів міститься в: а) атомі Оксигену; б) молекулі води?

Високий рівень

9. Який нуклід Натрію містить таке ж число нейтронів, що й нуклід ²⁴Mg?

10. Скільки різних видів молекул води може бути утворено із трьох ізотопів Гідрогену і трьох ізотопів Оксигену?

11. Скільки електронів у молекулі карбон(ІІ) оксиду? Назвіть просту речовину, молекула якої містить стільки ж електронів.

12.* У природі Купрум зустрічається у вигляді двох ізотопів: ⁶³Сu і ⁶⁵Сu. Розрахуйте атомну частку кожного з них у земній корі, якщо відносна атомна маса Купруму дорівнює 63,5. (Атомна частка — це відношення кількості атомів ізотопу до загальної кількості атомів елемента).