Изотопи — определение и обяснение: масово число, видове и примери
Научете какво са изотопите, масовото число, разликите между стабилни и радиоактивни и примери като въглерод-12 и въглерод-14 — ясно и лесно обяснено.
Атомите на даден химичен елемент могат да съществуват в различни форми, които имат почти еднакво химично поведение, но различна маса. Тези форми се наричат изотопи на елемента. Всички атоми на един и същи елемент притежават един и същи брой протони (това е атомният номер), но различните изотопи се различават по броя на неутроните. Поради това различните изотопи имат и различна маса — неутроните допринасят за общата маса на ядрото.
Масово число и нотация
Масовото число (обикновено отбелязвано с A) е сборът от протони и неутрони в ядрото. За всеки изотоп важи равенството:
брой неутрони N = масово число A − брой протони Z.
Изотопът се означава по два често използвани начина: с името на елемента и масовия номер (напр. въглерод-12) или чрез супрескрипт пред символа на елемента (напр. 12C). Съответно изотопът с 8 неутрона се изписва като въглерод-14 или 14C.
Стабилни и радиоактивни изотопи
Някои изотопи са стабилни и не се променят с времето. Други са нестабилни и се превръщат в други ядра чрез радиоактивен разпад; тези се наричат радиоактивни изотопи. При разпада ядрата могат да емитират частици или гама-лъчение (напр. алфа-, бета- и гама-разпад). Важна характеристика на радиоизотопите е техният период на полуразпад — времето, за което половината от първоначалното количество се разпада.
Средна атомна маса и изотопно изобилие
Елементите в природата обикновено се срещат като смеси от изотопи. Поради това отчетът в периодичната таблица — относителната атомна маса — е среднопретеглена стойност, която зависи от естественото изобилие на всеки изотоп и от неговата маса (т.е. не е цяло число). Масата се измерва в атомни масови единици (u), като приблизително 1 u е равна на 1/12 от масата на атом на въглерод-12.
Примери
- Водород: 1H (протий, няма неутрон), 2H (деутерий, 1 неутрон), 3H (тритий, 2 неутрона, радиоактивен).
- Въглерод: въглерод-12 (стабилен), 13C (стабилен, ~1.1% в природата), въглерод-14 (14C, радиоактивен, използва се за радиовъглеродно датиране).
- Уран: 238U (най-разпространеният, нестабилен с много дълъг период), 235U (по-рядък, но фисилен — важен за ядрени реакции).
Приложения на изотопите
Изотопите имат широко приложение в наука и техника:
- Радиовъглеродно датиране (използва 14C) за определяне на възрастта на органични материали.
- Медицинска диагностика и терапия — радиофармацевтици и трасери (напр. 18F в PET-скенери).
- Ядрена енергетика — разграждане и делене на определени изотопи като 235U.
- Изотопно маркиране и трасиране в химията и биологията за изучаване на реакции и метаболитни пътища.
- Геохимия и климатология — съотношенията на стабилни изотопи (напр. O-16/O-18) дават информация за древни климатични условия.
Други термини, свързани с изотопите
- Изобари — ядра с еднакво масово число A, но различен атомен номер Z (т.е. различни елементи, но същ брой нуклони).
- Изотони — ядра с еднакъв брой неутрони N, но различен брой протони.
- Изомерни състояния — някои ядра имат възбудени, относително устойчиви състояния (ядрени изомери), които могат да се разглеждат като „изотопи“ с различна енергия и полуживот.
Думата "изотоп" буквално означава "на едно и също място" и идва от факта, че изотопите на един и същи елемент заемат едно и също място в периодичната таблица — същият атомен номер, различно масово число.
Изотопи на водорода
Химични свойства
Във всеки неутрален атом броят на електроните е равен на броя на протоните. В резултат на това изотопите на един и същ елемент имат същия брой електрони и същата електронна структура. Начинът, по който действа един атом, се определя от електронната му структура, така че изотопите на един и същ елемент имат почти еднакво химично поведение, например молекулите, които могат да образуват. Много е трудно да се отделят изотопите на даден елемент от смес от различни изотопи поради това колко сходно е това поведение.
По-тежките изотопи реагират химически по-бавно от по-леките изотопи на същия елемент. Този "масов ефект" е голям за протия (1 H) и деутерия (2 H), тъй като деутерият има два пъти по-голяма маса от протия. При по-тежките елементи относителното съотношение на атомните маси между изотопите е много по-малко, така че ефектът на масата обикновено е малък.
Стабилност
Някои изотопи не са стабилни, така че се превръщат в друг изотоп или елемент чрез радиоактивен разпад. Те се наричат нестабилни изотопи или радиоактивни изотопи. Средното време, което е необходимо на един изотоп да се разпадне, се нарича период на полуразпад. Други изотопи не се разпадат, така че не са радиоактивни. Те се наричат стабилни изотопи.
Всеки атом има атомно ядро, което е съставено от протони и неутрони, които са свързани помежду си с ядрената сила. Тъй като протоните имат положителен електрически заряд, те се отблъскват един от друг. Неутроните са неутрални и стабилизират ядрото. Неутроните държат протоните леко раздалечени един от друг. Това намалява електростатичното отблъскване между протоните, така че ядрената сила може да държи протоните и неутроните заедно. Един или повече неутрони са необходими, за да могат два или повече протона да се свържат в ядрото. С увеличаването на броя на протоните се увеличава и броят на неутроните, необходими за стабилно ядро.
Някои елементи имат само един стабилен изотоп. Например флуор-19 (19 F) е единственият стабилен изотоп на флуора. Другите изотопи на флуора се разпадат бързо, така че не се срещат в природата. Други елементи имат много стабилни изотопи. Например ксенонът има седем стабилни изотопа. Той има и два изотопа, които се разпадат много бавно и се срещат в природата. Най-големият брой стабилни изотопи за всеки елемент е десет - за елемента олово. Някои елементи нямат стабилни изотопи, като например кюрий. Те съществуват само на Земята, защото се създават в ядрени реактори, ядрени експлозии или ускорители на частици.
Някои нестабилни изотопи съществуват естествено на Земята, тъй като имат много дълъг период на полуразпад. Например периодът на полуразпад на уран-238 е 4468 милиона години. Периодът на полуразпад на радий-226 е само 1600 години и той се среща в природата, защото постоянно се образува от разпадането на уран-238.
Водородът има три често срещани изотопа. Най-разпространеният изотоп на водорода се нарича протий (1 H), който има един протон и няма неутрони. Атомът на водорода, който има един протон и един неутрон (атомна маса 2), се нарича деутерий (2 H). Водородът с един протон и два неутрона (атомна маса 3) се нарича тритий (3 H). Протият и деутерият са стабилни изотопи, докато тритият е радиоактивен изотоп.
Всички най-тежки елементи в периодичната таблица са радиоактивни. Всички изотопи на радон, торий и уран са радиоактивни, тъй като са много тежки. Това е така, защото ядрените сили в ядрото на атома не могат да задържат заедно всички протони и неутрони.
Свързани страници
- Изотопна електрохимия
- Радионуклиди
Въпроси и отговори
В: Какво представляват изотопите?
О: Изотопите са различни видове атоми на даден химичен елемент, които имат много сходно поведение, но тежат различно.
В: По какво се различават изотопите един от друг?
О: Атомите на един и същ елемент имат еднакъв брой протони, но различните изотопи имат различен брой неутрони. В резултат на това те имат и различно масово число, което е броят на протоните плюс броя на неутроните.
Въпрос: Всички изотопи ли са стабилни?
О: Не, някои изотопи не са стабилни, затова се превръщат в друг изотоп или елемент чрез радиоактивно разпадане. Те се наричат радиоактивни изотопи, докато други, които не са радиоактивни, се наричат стабилни изотопи.
Въпрос: Как може да се идентифицира даден изотоп?
О: Обикновено изотопът се назовава, като се посочва елементът и масовият му номер. Например въглерод-12 или 12C е атом с 6 протона и 6 неутрона, докато въглерод-14 или 14C има 8 неутрона.
В: Какво означава "изотоп"?
О: Думата "изотоп" означава "на едно и също място", което се отнася до това, че всички атоми на един и същ елемент се намират на едно и също място в периодичната таблица.
В: Защо атомите с повече неутрони тежат повече от тези с по-малко неутрони?
О: Атомите с повече неутрони тежат повече, защото съдържат допълнителни частици (неутрони), които увеличават общата им маса в сравнение с тези с по-малко неутрони.
обискирам