Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович

§ 7. Хімічний елемент: нукліди

Пригадайте:

• характеристики частинок, із яких складаються атоми (за табл. 3);
• атомна одиниця маси — одиниця вимірювання мас атомів, вона дорівнює 1/12 масі атома Карбону.

Поняття про нукліди

Як ви вже знаєте, ядра атомів складаються з протонів та нейтронів.

Ядра різних атомів можуть містити різну або однакову кількість протонів та нейтронів. Наприклад, на малюнку 7.1 на с. 32 зображені моделі чотирьох атомів. У ядрах цих атомів міститься по три або чотири протони та нейтрони. Але бачимо, що ядра атомів А та В мають однаковий склад: вони містять по три протони та три нейтрони. Ядро атома Б подібне до них, воно містить також три протони, але в ньому нейтронів чотири. Хоча в ядрі атома Г також сім частинок, як в атома Б, але розподіл по протонах та нейтронах інший.

Отже, на малюнку 7.1 на с. 32 зображено три різновиди атомів. Кожний такий різновид атомів називають нуклідом. Ви бачите, що атоми А та В — це атоми одного нукліда, атоми Б — другого, а атоми Г — третього.

Нуклід — це різновид атомів із певною кількістю протонів і нейтронів у ядрі.

Мал. 7.1. Моделі деяких атомів

Кожний нуклід характеризують певними числами:

протонне число Z указує кількість протонів у ядрі атома даного нукліда;

нейтронне число N указує кількість нейтронів;

масове число, або нуклонне число, А — це кількість нуклонів, що дорівнює сумі протонів й нейтронів.

Масове число = протонне число + нейтронне число

A = Z + N

Оскільки маси протона й нейтрона дорівнюють приблизно 1 а. о. м., а маса електрона мізерна, то масове число атома приблизно дорівнює його відносній атомній масі, округленій до цілого числа.

Позначення нуклідів

У науці використовують спеціальні позначення нуклідів: заряд ядра, тобто протонне число, пишуть ліворуч унизу від символу хімічного елемента, а масове число — ліворуч угорі (мал. 7.2).

Мал. 7.2. Нукліди деяких елементів

Наприклад, для нукліда Оксигену:

Іноді протонне число опускають і пишуть просто ¹⁶О, оскільки й так відомо, що в усіх нуклідів Оксигену протонне число має бути 8. Нукліди можна позначати як хімічними символами, так і з використанням назв хімічних елементів, наприклад: Оксиген-16, Оксиген-18.

Нукліди єдиного елемента — Гідрогену, — крім таких позначень, іще мають власні назви: звичайний Гідроген Н (¹₁Н) — Протій, ядра його атомів містять лише один протон (мал. 7.3а); важкий Гідроген D (²₁Η) — Дейтерій, у ядрах його атомів, окрім одного протона, міститься ще один нейтрон (мал. 7.3б); надважкий Гідроген Т (³₁Н) — Тритій, у ядрах атомів якого, крім одного протона, містяться два нейтрони (мал. 7.3в). Науковцям удалося добути ще супернадважкий Гідроген ⁴₁Н, але власної назви він іще не має.

Мал. 7.3. Нукліди Гідрогену: а — Протій; б — Дейтерій; в — Тритій

• На Землі трапляються лише два нукліди Гідрогену: Протій та Дейтерій, частка останнього становить 0,08% від усіх атомів Гідрогену. Тритій у мізерній кількості утворюється в атмосфері під дією космічного випромінювання.

• Під час перегонки великої кількості води на дні перегінного куба збирається небагато важкої води, утвореної важким нуклідом Гідрогену — Дейтерієм. Така вода D₂O зовні схожа на звичайну воду, але відрізняється від неї низкою властивостей. Вона замерзає не за 0 °С, а за 3,8 °С, перетворюючись на лід, який, на відміну від звичайного льоду, не плаває на поверхні води, а тоне.

Важка вода не отруйна, але більшість тварин загине, якщо половину води в їхньому організмі замінити на важку. У важкій воді хімічні реакції відбуваються повільніше, що впливає на життєдіяльність організму.

Обчислення складу атомів

Знаючи порядковий номер елемента й масове число нукліда, легко обчислити, скільки електронів, протонів і нейтронів містить цей атом:

• кількість електронів дорівнює кількості протонів Z, яка збігається з порядковим номером (зарядом ядра);
• кількість нейтронів N дорівнює різниці між масовим числом А і зарядом ядра: N = А - Z.

Приклад. Скільки протонів, нейтронів і електронів міститься в нукліді Плюмбум-210?

Розв’язання:

Масове число цього нукліда Плюмбуму дорівнює 210. Оскільки Плюмбум має порядковий номер 82, то в атомі нукліда Плюмбуму-210 міститься 82 протони і 82 електрони. Кількість нейтронів обчислимо як різницю між масовим числом і кількістю протонів:

N = 210 - 82 = 128.

Відповідь: 82 протони, 128 нейтронів, 82 електрони.

Нукліди в природі

Усього відомо понад 2000 нуклідів. Оскільки хімічних елементів сьогодні налічують 118, то можна припустити, що в середньому на кожний елемент припадає близько 10 нуклідів. Але, звичайно, кожний хімічний елемент має різну кількість нуклідів.

Рекордсменами за кількістю нуклідів є Ксенон і Цезій: кожен із них існує у вигляді 36 нуклідів, але більшість із них є нестабільними.

У більшості хімічних елементів є природні нукліди, тобто ті, що трапляються в природних тілах. Таких нуклідів існує близько 300. Усі інші нукліди добуто штучно.

У природі елементи зазвичай існують у вигляді суміші декількох нуклідів, наприклад Карбон (¹²С, ¹³С і ¹⁴С), Нітроген (¹⁴N і ¹⁵N), Оксиген (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О). Рекордсменом за кількістю природних нуклідів (10) є Станум. А деякі хімічні елементи мають лише один природний нуклід, наприклад Флуор (¹⁹F), Натрій (²³Na), Алюміній (²⁷Аl), Фосфор (³¹Р).

Ви, напевно, помітили, що значення відносних атомних мас елементів, наведені в Періодичній системі, не є цілими: A_r(С) = 12,011, А_r(Сl) = 35,453. А масові числа всіх нуклідів є цілими числами. Це пов’язано з тим, що більшість елементів трапляються в природі у вигляді декількох нуклідів, і значення, наведене в таблиці, є середнім, обчисленим з урахуванням умісту кожного нукліда в природі. Так, природний Хлор на 75% складається з атомів ³⁵Сl і на 25% — з ³⁷Сl, тому його відносна атомна маса дорівнює 35,5.

Поняття про ізотопи

Ми вже з'ясували, що ядра атомів одного хімічного елемента містять однакову кількість протонів, що дорівнює порядковому номеру цього елемента в Періодичній системі. Але якщо протонів в атомних ядрах певного хімічного елемента має міститися чітко визначена кількість, то кількість нейтронів у ядрі таких атомів може бути різною, оскільки це не впливає на заряд ядра, а лише на його масу.

За малюнком 7.1 на с. 32 ми розглянули моделі деяких атомів. І хоча атоми А та Б є атомами різних нуклідів, у їхніх ядрах міститься однакова кількість протонів (по три). Отже, ці нукліди являють собою один і той самий хімічний елемент: вони виявляють однакові хімічні властивості, але мають різну масу.

Усі нукліди, що мають однаковий заряд (протонне число) і різне нейтронне число, називають ізотопами (див. мал.). Оскільки нукліди з однаковим протонним числом належать до одного хімічного елемента, то:

ізотопи — це різні нукліди одного хімічного елемента.

Наприклад, у ядрі атомів Оксигену міститься 8 протонів (порядковий номер Оксигену в Періодичній системі — 8). А кількість нейтронів може бути 7, 8, 9 і навіть 10. Отже, серед атомів Оксигену можна виділити чотири різні нукліди: ¹⁵₈O, ¹⁶₈O, ¹⁷₈O, ¹⁸₈O. Але всі ці нукліди є ізотопами.

Ізотопи деяких елементів

• Усі нукліди поділяють на стабільні та нестабільні. Стабільні нукліди існують протягом нескінченно тривалого часу. Більшість атомів, що нас оточують, належать саме до стабільних нуклідів.

Хімічні елементи можуть мати як стабільні, так і нестабільні нукліди. Хімічні елементи, що не мають стабільних нуклідів, називають радіоактивними. До них належать усі елементи, розміщені в Періодичній системі за Вісмутом, а також Технецій і Прометій. Більшість радіоактивних елементів добуті штучно й у природі не трапляються. У Періодичній системі замість відносної атомної маси таких радіоактивних елементів зазначені масові числа найстабільніших із їхніх нуклідів.

• Хоча про складну будову ядра атома дізналися на початку XX століття, але вперше штучно розщепити ядро вдалося лише 1932 року науковцям А. К. Вальтеру, Г. Д. Латишеву, О. І. Лейпунському, К. Д. Синельникову з Харківського фізико-технічного інституту. 2016 року на базі цього інституту було відкрито ядерну установку «Джерело нейтронів», яка дозволить одержувати до 50 радіоактивних нуклідів для діагностики багатьох захворювань, зокрема раку. Сьогодні українські науковці з наукових установ Києва, Львова та Харкова є членами міжнародної наукової групи, що вивчає теорію будови елементарних частинок за результатами експериментів на Великому адронному колайдері.

Лінгвістична задача

Латиною nucleos означає «ядро», a eidos — «різновид». Знаючи це, поясніть визначення терміна «нуклід».

• Радіоактивний хімічний елемент Астат — найрідкісніший елемент з усіх, що трапляються в природі. Якщо зібрати весь Астат у земній корі, то отримаємо не більше за один грам.

• Радіоактивний радон використовують у медичній практиці, зокрема для лікування злоякісних пухлин.

Висновки

• 1. Різновид атомів із певною кількістю протонів та нейтронів називають нуклідом. Різні нукліди позначають, указуючи масове число поряд із символом елемента, а нукліди Гідрогену мають власні назви: Протій, Дейтерій, Тритій.
• 2. Кожний нуклід описують певними числами: протонне число Z — кількість протонів у ядрі, нейтронне число N — кількість нейтронів у ядрі, масове число А — нуклонне число, яке дорівнює сумі протонного й нейтронного чисел.
• 3. Кожний елемент може існувати у вигляді кількох нуклідів. Нукліди, що трапляються в природі, називають природними. Нукліди, що можуть існувати нескінченно довго, називають стабільними, а нукліди, які з часом зазнають радіоактивного розпаду, — радіоактивними.

Контрольні запитання

• 1. Дайте визначення поняття «нуклід».
• 2. Чим відрізняються стабільні й нестабільні нукліди? Наведіть приклади стабільних і нестабільних нуклідів.
• 3. Як визначити кількість протонів, нейтронів та електронів у атомі?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Ядро атома хімічного елемента містить два протони й один нейтрон. Запишіть позначення цього атома: укажіть хімічний символ, порядковий номер і масове число.

2. Скільки протонів і нейтронів містять ядра ¹⁷O, ¹⁴С, ¹³⁷Cs?

3. Чим відрізняються за своїм складом ядра атомів нуклідів: а) Літію ⁶Li та ⁷Li; б) Урану ²³⁵U та ²³⁹U?

4. Який нуклід Натрію містить таку саме кількість нейтронів, що й нуклід ²⁴Мg?

5. Назвіть елементи, ядра атомів яких містять: а) 2 протони і 2 нейтрони; б) 15 протонів і 16 нейтронів; в) 35 протонів і 45 нейтронів. Напишіть позначення цих нуклідів.

6. Із наведеного переліку виберіть: а) нукліди з однаковим нейтронним числом; б) нукліди одного хімічного елемента; в) нукліди з однаковим нуклонним числом; ¹⁶₈O, ¹⁴₆C, ¹⁴₇N, ¹²₆С, ¹⁵₇N.

7. Скільки різних видів молекул води може бути утворено з трьох різних нуклідів Гідрогену і трьох різних нуклідів Оксигену, про які згадано в тексті параграфа?

8. Відносна атомна маса Бору становить 10,81. Як ви вважаєте, які нукліди Бору трапляються у природі?

9*. Нестабільні нукліди зазнають радіоактивного розпаду, унаслідок чого виникає радіоактивне випромінювання. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про види радіоактивного випромінювання та їх уплив на живі організми.

10*. У додаткових джерелах інформації знайдіть приклади використання ядерних реакцій у різних галузях людської діяльності. На яких процесах вони ґрунтуються? Як впливають на довкілля? У який спосіб можна забезпечити захист від радіоактивного опромінення?