Учебник по Химии. 8 класс. Григорович - Новая программа

§ 10. Нуклиды. Изотопы

Вспомните:

• характеристики частиц, из которых состоят атомы (табл. 5);

• атомная единица массы — единица измерения масс атомов, она равна 1/12 массы атома Карбона.

Понятие о нуклидах

Как вы уже знаете, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.

Ядра разных атомов могут содержать разное или одинаковое число протонов и нейтронов. Например, на рисунке 10.1 на с. 50 изображены модели четырех атомов. В ядрах этих атомов содержится по три или четыре протона и нейтрона. Но мы видим, что ядра атомов А и В имеют одинаковый состав: они содержат по три протона и три нейтрона. Ядро атома Б также содержит три протона, но в нем четыре нейтрона. Хотя в ядре атома Г также семь частиц, как у атома Б, но распределение по протонам и нейтронам иное.

Рис. 10.1. Модели некоторых атомов

Итак, на рисунке 10.1 изображены три разновидности атомов. Каждую такую разновидность атомов называют нуклидом. Вы видите, что атомы А и В — это атомы одного нуклида, атомы Б — второго, а атомы Г — третьего.

Нуклид — это разновидность атомов с определенным числом протонов и нейтронов в ядре.

Каждый нуклид характеризуют определенными числами:

протонное число Z указывает число протонов в ядре атома данного нуклида;

нейтронное число N указывает число нейтронов;

массовое число, или нуклонное число, А — это число нуклонов, оно равно сумме протонного и нейтронного чисел:

Поскольку массы протона и нейтрона равны приблизительно 1 а. е. м., а масса электрона мизерная, то массовое число атома приблизительно равно его относительной атомной массе, округленной до целого числа.

Обозначение нуклидов

В науке используют специальные обозначения нуклидов: заряд ядра, т. е. протонное число, пишут слева внизу от символа химического элемента, а массовое число — слева вверху (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Нуклиды некоторых элементов

Например, для нуклида Оксигена:

Иногда протонное число опускают и пишут просто 15O, поскольку и так известно, что у всех нуклидов Оксигена протонное число равно 8. Нуклиды можно обозначать как химическими символами, так и с использованием названий химических элементов, например: Оксиген-15, Оксиген-18.

Рис. 10.3. Нуклиды Гидрогена: а — Протий; б — Дейтерий; в — Тритий

• На Земле встречается только два нуклида Гидрогена: Протий и Дейтерий, доля последнего составляет лишь 0,07 % от всех атомов Гидрогена. Тритий в мизерном количестве образуется в атмосфере под действием космического излучения.

• При перегонке большого количества воды на дне перегонного куба собирается немного тяжелой воды, образованной тяжелым нуклидом Гидрогена — Дейтерием. Такая вода D2O внешне похожа на обычную воду, но отличается от нее рядом свойств. Она замерзает не при 0 °С, а при 3,8 °С, превращаясь в лед, который, в отличие от обычного льда, не плавает на поверхности воды, а тонет. Тяжелая вода не ядовита, но большинство живых организмов погибнет, если половину воды в их организме заменить на тяжелую. В тяжелой воде химические реакции протекают медленнее, что влияет на жизнедеятельность организма.

Определение состава атомов

Зная порядковый номер элемента и массовое число нуклида, легко вычислить, сколько электронов, протонов и нейтронов содержит этот атом:

• число электронов равно числу протонов Z, которое совпадает с порядковым номером (зарядом ядра);

• число нейтронов N равно разности между массовым числом А и зарядом ядра: N = А - Z.

Пример. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в нуклиде Плюмбум-210?

Решение:

Массовое число этого нуклида Плюмбума равно 210. Так как порядковый номер Плюмбума — 82, то в атоме нуклида Плюмбума-210 содержится 82 протона и 82 электрона. Число нейтронов вычислим как разность между массовым числом и числом протонов:

N = 210 - 82 = 128.

Ответ: 82 протона, 128 нейтронов, 82 электрона.

Понятие об изотопах

Мы уже выяснили, что ядра атомов одного химического элемента содержат одинаковое число протонов, которое равно порядковому номеру этого элемента в Периодической системе. Но если протонов в ядрах данного элемента должно содержаться строго определенное число, то число нейтронов в ядре может быть разным, поскольку это не влияет на заряд ядра, а только на его массу.

На рисунке 10.1 на с. 50 изображены модели некоторых атомов. И хотя атомы А и Б являются атомами разных нуклидов, в их ядрах одинаковое число протонов (по три). Таким образом, эти нуклиды представляют один и тот же химический элемент: они проявляют одинаковые химические свойства, но обладают разной массой.

Все нуклиды, имеющие одинаковый заряд (протонное число) и разное нейтронное число, называют изотопами (рис. 10.4). Поскольку нуклиды с одинаковым протонным числом относятся к одному химическому элементу, то:

Изотопы — это разные нуклиды одного химического элемента.

Рис. 10.4. Изотопы некоторых элементов

Нуклиды в природе

Всего известно более 2000 нуклидов. Поскольку химических элементов в настоящее время насчитывается 118, то большинство этих нуклидов являются изотопами, и можно предположить, что в среднем на каждый элемент приходится около 10 нуклидов. Но, безусловно, каждый химический элемент имеет разное число нуклидов.

Рекордсмены по числу нуклидов — Ксенон и Цезий: каждый из них существует в виде 36 нуклидов, большинство из которых нестабильны.

У большинства химических элементов имеются природные нуклиды, т. е. те, что встречаются в природных телах. Таких нуклидов существует около 300. Остальные нуклиды получены искусственно.

В природе элементы обычно существуют в виде смеси нескольких нуклидов, например Карбон (12С, 13С и 14С), Нитроген (14N и 15N). Рекордсменом по числу природных нуклидов (10) является Станнум. А некоторые химические элементы имеют лишь один природный нуклид, например Флуор (19F), Натрий (23Na), Фосфор (31Р).

Вы, наверное, заметили, что значения относительных атомных масс элементов, приведенные в Периодической системе, не целые числа: Аr(С) = 12,011, Аr(Сl) = 35,453, а массовые числа всех нуклидов — целые числа. Это связано с тем, что большинство элементов встречается в природе в виде нескольких нуклидов, и значение, приведенное в таблице, является средним, вычисленным с учетом содержания каждого нуклида. Так, природный Хлор на 75 % состоит из атомов 35Сl и на 25 % — из 37Сl, поэтому его относительная атомная масса равна 35,5.

• Все нуклиды разделяют на стабильные и нестабильные. Стабильные нуклиды существуют бесконечно долго. Большинство окружающих нас атомов относятся именно к стабильным нуклидам.

• Химические элементы, не имеющие стабильных нуклидов, называют радиоактивными. К ним относятся все элементы, расположенные в Периодической системе за Висмутом, а также Технеций и Прометий. Большинство радиоактивных элементов получено искусственно и в природе не встречаются. В Периодической системе вместо относительной атомной массы для радиоактивных элементов указывают массовые числа самых стабильных из их нуклидов.

• О сложном строении ядра атома узнали в начале XX в., но впервые искусственно расщепить ядро атома удалось только в 1932 г. ученым А. К. Вальтеру, Г. Д. Латышеву, А. И. Лейпунскому, К. Д. Синельникову из Харьковского физико-технического института. В 2016 г. на базе этого института была открыта ядерная установка «Источник нейтронов», которая позволит получать до 50 радиоактивных нуклидов для диагностики многих заболеваний, в частности рака. Сегодня украинские ученые из научных учреждений Киева, Львова и Харькова являются членами международной научной группы, изучающей теорию строения элементарных частиц на Большом адронном коллайдере.

Лингвистическая задача

На греческом языке изос означает «равный, одинаковый, подобный», а топос — «место». Что, по вашему мнению, означает термин «изотоп»?

На латыни nucleos означает «ядро», a eidos — «разновидность». Зная это, объясните определение термина «нуклид».

• Радиоактивный химический элемент Астат — самый редкий элемент из всех, что встречаются в природе. Если собрать весь Астат в земной коре, то получим не больше одного грамма.

• Радиоактивный радон используют в медицинской практике, в частности для лечения злокачественных опухолей.

Выводы

1. Разновидность атомов с определенным числом протонов и нейтронов называют нуклидом. Если нуклиды содержат одинаковое число протонов, т. е. являются нуклидами одного химического элемента, то такие нуклиды называют изотопами. Разные нуклиды обозначают, указывая массовое число рядом с символом элемента, а нуклиды Гидрогена имеют собственные названия: Протий, Дейтерий, Тритий.

2. Каждый нуклид описывают определенными числами: протонное число Z — число протонов в ядре, нейтронное число N — число нейтронов в ядре, массовое число А — нуклонное число, равное сумме протонного и нейтронного чисел.

3. Каждый элемент может существовать в виде нескольких нуклидов. Нуклиды, встречающиеся в природе, называют природными. Нуклиды, которые могут существовать бесконечно долго, называют стабильными, а нуклиды, которые со временем подвергаются радиоактивному распаду, — радиоактивными.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятий «нуклид» и «изотоп».

2. Чем отличаются стабильные и нестабильные нуклиды? Приведите примеры стабильных и нестабильных нуклидов.

3. Изотопы отличаются друг от друга: а) числом протонов; б) числом нейтронов; в) числом электронов.

4. Как определить число протонов, нейтронов и электронов в атоме?

5. Назовите изотопы Гидрогена. Чем они отличаются?

Задания для усвоения материала

1. Ядро атома химического элемента содержит два протона и один нейтрон. Запишите обозначение этого атома: укажите химический символ, порядковый номер и массовое число.

2. Сколько протонов и нейтронов содержат ядра 7O, 14С, 137Cs?

3. Чем отличается состав ядер атомов нуклидов: а) Лития 6Li и 7Li; б) Урана 235U и 239U?

4. Какой нуклид Натрия содержит такое же число нейтронов, что и нуклид 24Мg?

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

6. Из данного перечня выберите: а) изотопы; б) нуклиды с одинаковым нейтронным числом; в) нуклиды с одинаковым нуклонным числом.

7. Сколько разных видов молекул воды может быть образовано из трех нуклидов Гидрогена и трех нуклидов Оксигена?

8. Относительная атомная масса Бора составляет 10,81. Как вы считаете, в виде каких нуклидов существует Бор в природе?

9*. Нестабильные нуклиды подвержены радиоактивному распаду, вследствие чего возникает радиоактивное излучение. В дополнительных источниках найдите информацию о видах радиоактивного излучения и их влиянии на живые организмы.

10*. В дополнительных источниках информации найдите примеры использования ядерных реакций в разных областях человеческой деятельности. На каких процессах они основываются? Как влияют на окружающую среду? Каким образом можно обеспечить защиту от радиоактивного облучения?