§ 26. Ізотопи

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Який зміст термінів «ізотопи» і «нукліди»?

«Ізотопи» — це атоми одного хімічного елемента з різною кількістю нейтронів у ядрі (отже, з різним нуклонним числом). «Нуклід» — загальна назва для будь-якого виду атомів із визначеним протонним (заряд ядра) та нуклонним (маса) числами.

Як обчислюють відносну атомну масу за ізотопним складом хімічного елемента?

Її визначають як середнє арифметичне зважене мас усіх природних ізотопів елемента. Для розрахунку знаходять суму добутків нуклонних чисел ізотопів ($A_i$) та їхніх атомних часток ($\chi_i$) у природі:
$$A_r = \chi_1 \cdot A_1 + \chi_2 \cdot A_2 + \dots + \chi_n \cdot A_n$$

Чому поняття «відносна атомна маса» і «відносна молекулярна маса» потребують уточнення?

Більшість хімічних елементів мають ізотопи. У періодичній таблиці подано усереднені значення відносних атомних мас, які враховують поширеність нуклідів у природі. Атомна одиниця маси — це $1/12$ маси конкретного нукліда Карбону-12 ($^{12}C$), а не суміші його ізотопів.

За відомостями з інтернету з’ясуйте походження назв ізотопів Гідрогену.

Назви трьох ізотопів Гідрогену походять із грецької мови і вказують на їхній порядковий номер за масою:

• Протій ($^1H$) — від грецького protos (перший);
• Дейтерій ($^2H$) — від грецького deuteros (другий);
• Тритій ($^3H$) — від грецького tritos (третій).

Запишіть повні позначення нуклідів Нітроген-14 і Ферум-56.

Повне позначення для Нітрогену-14: $^{14}_{7}\text{N}$.
Повне позначення для Феруму-56: $^{56}_{26}\text{Fe}$.

Обчисліть відносну атомну масу Бору з точністю до десятих, якщо цей елемент має ізотопи $^{10}\text{B}$ і $^{11}\text{B}$, а важких атомів Бору вчетверо більше, ніж легких.

Нехай частка легких атомів ($^{10}\text{B}$) — це $x$, тоді важких ($^{11}\text{B}$) — $4x$.
Загальна кількість: $x + 4x = 5x = 1$ (або $100\%$).
Частка $^{10}\text{B}$ становить $1/5 = 0,2$ ($20\%$), а $^{11}\text{B}$ — $4/5 = 0,8$ ($80\%$).
Обчислення:
$$A_r(\text{B}) = 10 \cdot 0,2 + 11 \cdot 0,8 = 2 + 8,8 = 10,8$$

За відомостями з інтернету дізнайтеся, які ізотопи має Літій.

У природі Літій має два стабільні ізотопи: Літій-6 ($^{6}\text{Li}$) та Літій-7 ($^{7}\text{Li}$).

Узявши до уваги значення відносної атомної маси цього елемента, визначте, якого ізотопу Літію більше в природі — важкого чи легкого.

У періодичній таблиці відносна атомна маса Літію — $A_r(\text{Li}) \approx 6,94$. Оскільки це значення ближче до 7, у природі переважає важкий ізотоп $^{7}\text{Li}$.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про ізотопи та їх урахування в обчисленнях і означеннях фізичних величин.

Ізотопи — нукліди одного елемента з однаковою кількістю протонів ($Z$), але різною кількістю нейтронів ($N$). Їхні маси та фізичні властивості відрізняються, хоча хімічні властивості майже ідентичні. Відносна атомна маса ($A_r$) у періодичній системі — це усереднена маса всіх природних ізотопів елемента з урахуванням їхньої поширеності.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям.

Приклад запитання: «Відомо, що важка вода ($D_2O$), де замість Протію міститься Дейтерій, замерзає при $+3,8^\circ\text{C}$, а не при $0^\circ\text{C}$. Як ви думаєте, чи змінилася б кліматична карта Землі, якби вся вода в океанах складалася з важких ізотопів Гідрогену?»

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Моя відповідь базувалася на різниці між протонним і нуклонним числами. Відповіді однокласників здебільшого були правильними, проте дехто плутав «ізотоп» із «атомною масою» і не враховував кількість нейтронів.

Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Оцінка спирається на точність: ізотопи відрізняються кількістю нейтронів. Це впливає на масу, але не змінює заряд ядра чи хімічний символ елемента.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

279. Які види атомів називають ізотопами і нуклідами? Наведіть приклади позначень цих видів атомів.

Нуклід — атоми з конкретними протонним ($Z$) і нуклонним ($A$) числами. Ізотопи — нукліди одного хімічного елемента (однакове $Z$, різне $A$).
Приклади:

• Нукліди (ізотопи) Гідрогену: $^1\text{H}$ (Протій), $^2\text{H}$ (Дейтерій), $^3\text{H}$ (Тритій).
• Ізотопи Хлору: $^{35}\text{Cl}$, $^{37}\text{Cl}$.

280. Укажіть пропущене словосполучення в реченні «Нуклідів хімічного елемента … його ізотопів»:

Правильна відповідь: б) стільки, скільки.
Пояснення: Усі нукліди одного хімічного елемента автоматично є його ізотопами.

281. Скільки протонів, нейтронів і електронів міститься в нуклідах $^{20}\text{Ne}$, $^{21}\text{Ne}$, $^{40}\text{K}$, $^{40}\text{Ca}$, $^{192}\text{Pt}$?

Кількість протонів ($p$) дорівнює кількості електронів ($e$) і відповідає порядковому номеру ($Z$). Кількість нейтронів ($n$) обчислюється як різниця нуклонного ($A$) і протонного ($Z$) чисел.

• $^{20}\text{Ne}$ ($Z=10$): $p=10$, $e=10$, $n = 10$.
• $^{21}\text{Ne}$ ($Z=10$): $p=10$, $e=10$, $n = 11$.
• $^{40}\text{K}$ ($Z=19$): $p=19$, $e=19$, $n = 21$.
• $^{40}\text{Ca}$ ($Z=20$): $p=20$, $e=20$, $n = 20$.
• $^{192}\text{Pt}$ ($Z=78$): $p=78$, $e=78$, $n = 114$.

АНАЛІЗУЙМО

282. У природі існують два нукліди Гідрогену ($^1\text{H}$, $^2\text{H}$) і три нукліди Оксигену ($^{16}\text{O}$, $^{17}\text{O}$, $^{18}\text{O}$). Визначте, скільки є різновидів молекули води. Напишіть їхні хімічні формули з позначенням нуклідів. Скільки значень маси можуть мати молекули води?

Може утворитися 9 різновидів молекул води.

Їхні формули: $^1\text{H}_2^{16}\text{O}$, $^1\text{H}^2\text{H}^{16}\text{O}$, $^2\text{H}_2^{16}\text{O}$, $^1\text{H}_2^{17}\text{O}$, $^1\text{H}^2\text{H}^{17}\text{O}$, $^2\text{H}_2^{17}\text{O}$, $^1\text{H}_2^{18}\text{O}$, $^1\text{H}^2\text{H}^{18}\text{O}$, $^2\text{H}_2^{18}\text{O}$.

Ці молекули мають 5 різних значень відносної молекулярної маси: 18, 19, 20, 21 та 22.

283. Узявши до уваги розміщену в інтернеті інформацію про ізотопи Аргону і Калію та їх поширеність у природі, поясніть, чому відносна атомна маса Аргону (елемент № 18) більша, ніж Калію (елемент № 19).

Хоча порядковий номер Аргону (18) менший за номер Калію (19), його атомна маса більша ($39,95$ проти $39,10$). Причина у поширеності ізотопів:

• У природному Аргоні домінує важкий ізотоп $^{40}\text{Ar}$ (понад 99 %).
• У природному Калії переважає легкий ізотоп $^{39}\text{K}$ (близько 93 %).

Відносна атомна маса є усередненим значенням, тому домінування важкого ізотопу робить масу Аргону більшою.

284. Учень з огляду на значення $A_r(\text{Br}) = 79,9$ стверджував, що Бром повинен мати лише один природний нуклід $^{80}\text{Br}$. З чиєю думкою ви погоджуєтеся?

Бром складається з кількох ізотопів. Значення $A_r \approx 80$ не означає наявність виключно $^{80}\text{Br}$. Природний Бром містить два ізотопи: $^{79}\text{Br}$ ($\approx 50,7\%$) та $^{81}\text{Br}$ ($\approx 49,3\%$). Їхнє середнє значення дає $79,9$:
$$0,507 \cdot 79 + 0,493 \cdot 81 \approx 79,9$$
Ізотоп $^{80}\text{Br}$ у природі не зустрічається, оскільки є радіоактивним.

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

285. Ізотопи Магнію, які є в природі, — $^{24}\text{Mg}$, $^{25}\text{Mg}$ та $^{26}\text{Mg}$. Атомна частка першого нукліда становить 78,7 %, а другого — 10,1 %. Обчисліть відносну атомну масу Магнію з точністю до десятих.

Знаходимо частку третього ізотопу ($^{26}\text{Mg}$):
$\chi(^{26}\text{Mg}) = 100\% – 78,7\% – 10,1\% = 11,2\%$ ($0,112$).

Розраховуємо середню атомну масу:
$$A_r(\text{Mg}) = 24 \cdot 0,787 + 25 \cdot 0,101 + 26 \cdot 0,112 = 18,888 + 2,525 + 2,912 = 24,325 \approx 24,3$$

Відповідь: 24,3.

286. Галій має два природних нукліди. Атомна частка нукліда $^{69}\text{Ga}$ становить 60,4 %. Використавши точне значення відносної атомної маси Галію, наведене в періодичній таблиці, визначте другий нуклід цього хімічного елемента.

Дано:
$\chi(^{69}\text{Ga}) = 60,4\% = 0,604$
$A_r(\text{Ga}) = 69,72$

Знайти:
$^{x}\text{Ga}$

Розв’язання:

Атомна частка другого нукліда: $1 – 0,604 = 0,396$. Нехай $x$ — нуклонне число другого нукліда. Складаємо рівняння:

$$69,72 = 69 \cdot 0,604 + x \cdot 0,396$$
$$69,72 = 41,676 + 0,396x$$
$$0,396x = 28,044$$
$$x \approx 70,82$$

Округлюємо нуклонне число до цілого — 71.

Відповідь: Другий нуклід — $^{71}\text{Ga}$.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

287. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Хімічний елемент — Chemical element
• Ізотопи — Isotopes
• Нуклід — Nuclide
• Протонне число — Proton number / Atomic number
• Нуклонне число — Nucleon number / Mass number
• Нейтрон — Neutron
• Атомна частка — Atomic fraction / Abundance
• Відносна атомна маса — Relative atomic mass

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

288. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.