Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 10. Нуклід. Ізотопи. Сучасне формулювання періодичного закону

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • зрозуміти фізичну суть наявних у періодичній системі перестановок хімічних елементів;
  • зрозуміти поняття «ізотопи», «нуклід»;
  • з'ясувати фізичний зміст порядкового номера елемента в періодичній системі хімічних елементів;
  • формулювати сучасне визначення періодичного закону.

На час створення Д. І. Менделєєвим періодичної системи порядкові номери хімічних елементів не пов'язували з будовою атома. Їх наявність у таблиці була потрібна, щоб засвідчити послідовність розташування хімічних елементів за принципом зростання їхньої атомної маси. Та чи для всіх хімічних елементів порядок їх розміщення в періодичній системі відповідає збільшенню відносної атомної маси?

ПЕРЕСТАНОВКИ В ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ. Звернемося до періодичної системи й побачимо, що в ній є декілька невідповідностей у розміщенні елементів за зростанням атомної маси. Наприклад, це стосується пар елементів із порядковими номерами:

  • а) 18 і 19;
  • б) 27 і 28;
  • в) 52 і 53;
  • г) 90 і 91.

Попрацюйте групами

Знайдіть ці елементи в періодичній системі та переконайтеся в тому, що в цих випадках елемент із меншою відносною атомною масою поступився місцем елементу, у якого вона є більшою. Поміркуйте, як виглядала б періодична система без цих перестановок та яким чином це відобразилося б на періодичності зміни властивостей елементів та їх розташуванні у природних родинах.

Другу та третю перестановки Д. І. Менделєєв зробив сам для того, щоб установлену ним періодичність не було порушено. Першу перестановку зроблено за згодою вченого (пригадайте, що відкриття інертних елементів відбулося через 30 років після створення періодичної таблиці). Четверта з'явилася значно пізніше.

І справді, якби у випадку з Аргоном і Калієм першу перестановку не було зроблено, то інертний неметалічний елемент Аргон опинився б у підгрупі найактивніших лужних металічних елементів. Подібні невідповідності з'явилися б і в деяких інших місцях.

Спершу наукових пояснень перестановки не мали. Отже, на вчених чекали подальші дослідження.

ФІЗИЧНИЙ ЗМІСТ ПОРЯДКОВОГО НОМЕРА І СУЧАСНЕ ФОРМУЛЮВАННЯ ПЕРІОДИЧНОГО ЗАКОНУ. Наукове пояснення перестановки елементів у періодичній системі отримали після того, як у 1913-1914 рр. англійський фізик Генрі Мозлі (1887-1915) експериментально підтвердив періодичний закон. Завдяки його дослідженням було встановлено, що всі хімічні елементи (без винятку!) розміщено в періодичній системі за зростанням заряду ядер їхніх атомів. Тобто порядковий номер (протонне число) елемента в періодичній системі вказує на таку його важливу характеристику, як величина заряду ядра атома. Отже, перша перестановка була необхідною, щоб елемент Аргон, заряд ядра атома якого дорівнює +18, зайняв належне йому місце після елемента із зарядом ядра атома +17, тобто Хлору, незважаючи на те, що його атомна маса більша, ніж у Калію. Це ж саме стосується інших перестановок.

Оскільки позитивний заряд ядра врівноважується негативним зарядом електронів, що утворюють електронну оболонку атома, то протонне число (порядковий номер) елемента вказує також на загальне число електронів в атомі.

Це відкриття вчених дозволило сформулювати сучасне визначення періодичного закону.

Властивості елементів, а також утворених ними сполук перебувають у періодичній залежності від величини зарядів ядер їхніх атомів.

У цьому полягає фізична суть періодичного закону, яка аніскільки не зменшує значення геніального відкриття Д. І. Менделєєва, зробленого ним задовго до встановлення фізиками складної будови атома.

Застосуймо набуті знання у виконанні вправ.

Вправа 1. Скільки електронів містить атом елемента з протонним числом 15? До якого періоду та групи він належить? Який сусідній з ним по періоду елемент має на 2 електрони більше?

Вправа 2. Який заряд ядра та скільки електронів має атом, електронна оболонка якого складається з 11 електронів?

ПОНЯТТЯ ПРО НУКЛІД. Ядро кожного атома одного й того самого хімічного елемента містить однакову кількість протонів, що дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Оскільки атоми — нейтральні частинки, то й кількість електронів у них однакова з протонами, чого не можна сказати про нейтрони. Число нейтронів у ядрах таких атомів може бути різним. Для розрізнення таких атомів уведено поняття нуклід.

Нуклід — це сукупність атомів з певним числом протонів і нейтронів у ядрі.

Назвами й символами нуклідів є назви та символи відповідних хімічних елементів. Виняток становлять нукліди Гідрогену, що дістали назви Протій, Дейтерій, Тритій (мал. 21).

Мал. 21

Позначають нукліди одного атома таким чином: зліва від символу хімічного елемента знизу пишуть порядковий номер (протонне число), а зверху — нуклонне число (схема 6).

Схема 6. Позначення нуклідів хімічного елемента Хлору

Уживають і такі записи нуклідів: Хлор-35, Хлор-37.

Нукліди Гідрогену позначають різними символами, кожний з яких має власну назву: Н (11H ) — Протій, D (21H) — Дейтерій, Т (31H) — Тритій.

До характеристики нуклідів застосовують три числа: протонне, нейтронне і нуклонне.

Протонне, або атомне, число (Z) — це число протонів у ядрі атома певного нукліда.

Нейтронне число (N) указує на кількість нейтронів у ядрі певного нукліда.

Нуклонне число (А) є сумою протонного та нейтронного чисел.

Ці числа пов'язані між собою такою залежністю:

A = Z + N.

Знаючи це, можна завжди встановити, скільки нейтронів містить конкретний нуклід.

Приклад 1. Обчисліть, скільки нейтронів має кожний з нуклідів Гідрогену: Протій Н (11H), Дейтерій D (21H), Тритій Т (31H).

Застосовуємо формулу N = А - Z.

N1 = 1 - 1 = 0,

N2 = 2 - 1 = 1,

N3 = 3 - 1 = 2.

Відповідь: ядро Протію не містить нейтронів, у Дейтерію один нейтрон, у Тритію — два. Ця інформація відображена на малюнку 20.

ПОНЯТТЯ ПРО ІЗОТОПИ. Англійський хімік Фредерик Содді в 1910 р. запропонував називати нукліди одного хімічного елемента ізотопами. У перекладі з грецької ізо означає «однаковий», топос — «місце».

Про яке місце йдеться? Мається на увазі розміщення хімічного елемента в періодичній системі.

Щоб не плутати поняття «нукліди» та «ізотопи», у 1950 р. була прийнята міжнародна домовленість про розмежування цих термінів.

Ізотопи — це нукліди, що належать одному хімічному елементу, мають однакове число протонів, але відрізняються за кількістю нейтронів.

Наприклад, нукліди Протій, Дейтерій і Тритій — ізотопи Гідрогену.

Ізотопами Хлору є два нукліди — 3517Cl і 3717Cl (схема 7).

Схема 7. Ізотопи Хлору

Серед наявних у природі елементів більшість існують у вигляді ізотопів. Найбільше — десять ізотопів — має Станум Sn. На сьогодні відомо понад 2000 різновидів атомів, що є ізотопами різних елементів. До кожного з них в однині застосовують загальну назву нуклід, наприклад, нуклід Карбону 13С, нуклід Алюмінію 27Al.

Скільки б нуклідів не мав хімічний елемент у періодичній системі, їм відведена одна клітинка, адже заряд ядра атома в них однаковий. На цій підставі прийнято сучасне визначення хімічного елемента.

Хімічний елемент — це вид атомів з однаковим зарядом ядра.

Тобто в ізотопів одного елемента — одна клітинка в періодичній системі (звідси й походження назви ізотопів). Слід зазначити, що й хімічні властивості ізотопів одного елемента теж однакові.

Розрізняють природні та штучні ізотопи. Природні ізотопи — це ізотопи, наявні у природі. Штучних ізотопів у природі немає, вони утворюються під час ядерних реакцій.

Ядерні реакції — реакції, що супроводжуються перетворенням ядер атомів й утворенням атомів інших хімічних елементів.

ІЗОТОПИ І ВІДНОСНА АТОМНА МАСА ЕЛЕМЕНТІВ У ПЕРІОДИЧНІЙ СИСТЕМІ. Отже, для ізотопів одного хімічного елемента в періодичній системі відведено одну клітинку. Тоді яку відносну атомну масу вказують у періодичній системі — найпоширенішого, малопоширеного нукліда чи їх середнє значення?

Відповідь знайдемо, розглянувши поданий приклад.

Приклад. У періодичній системі відносна атомна маса Хлору зазначена 35,45. Насправді, у природі не існує жодного його атома з таким значенням відносної атомної маси, тоді як є два природні ізотопи — з нуклонними числами 35 та 37. За поширенням у природі на перший припадає 75,4 % усіх атомів Хлору, на другий — 24,6 %. Проведемо обчислення і дізнаємося про середнє значення відносної атомної маси Хлору Arср.(Cl). Для цього частку атомів кожного нукліду помножимо на його нуклонне число та знайдемо суму двох добутків:

Arср.(Cl) = 35 · 0,754 + 37 · 0,246 = 35,453, або заокруглено 35,5.

Відносна атомна маса хімічного елемента, яку записано в періодичній системі, — це середнє значення атомної маси всіх його нуклідів.

Тому для більшості хімічних елементів атомна маса в періодичній системі не має цілочислового значення.

Відтепер ви розумієте, що перестановки елементів у деяких місцях періодичної системи зумовлені тим, що серед поширених у природі їхніх ізотопів переважають нукліди з більшою атомною масою, хоча заряд ядра в них менший, ніж в елемента, з яким його поміняли місцями. Наприклад, Аргон має менший заряд ядра атома, ніж Калій. За цією ознакою його розміщено перед Калієм. Водночас в Аргону більший відсоток важких нуклідів, унаслідок чого середнє значення його відносної атомної маси більше, ніж у Калію.

Відкриття ізотопів дало змогу поглибити знання про хімічний елемент як вид атомів, що характеризується однаковим протонним числом, та з'ясувати, що більшість елементів мають ізотопи. Із цієї причини в періодичній системі зазначається не відносна атомна маса кожного з нуклідів, а їх середнє значення. Воно найбільш наближене до нуклонного числа найпоширенішого нукліда.

Стисло про основне

• У природі існує періодична залежність властивостей елементів та їхніх сполук від величини заряду ядра атома. У цьому полягає фізична суть періодичного закону.

• Нукліди одного хімічного елемента мають загальну назву — ізотопи.

• Одному нукліду відповідає один різновид атомів і ядер. Нукліди одного хімічного елемента (ізотопи) мають однакову кількість протонів, але відрізняються за кількістю нейтронів.

• Ізотопи одного елемента займають одну клітинку в періодичній системі.

• Зазначена в періодичній системі відносна атомна маса елемента є середньою величиною атомних мас його нуклідів з урахуванням поширення їх у природі.

Сторінка ерудита

Складні ядерні реакції, що відбуваються в надрах Сонця, забезпечують нашу планету світлом і теплом. На ядерному паливі працюють атомні електростанції, які нині задовольняють близько 10 % потреб людства в електроенергії. Вони працюють на урані або плутонії. Це високоефективне паливо. Так, 1 кг урану під час ядерної реакції виділяє стільки само тепла, як під час спалювання 2000 т вугілля.

Атомні станції є екологічно чистими, але аварії на них можуть мати катастрофічні наслідки, як це сталося на Чорнобильській атомній електростанції в 1986 р., коли в атмосферу потрапила велика кількість радіоактивних ізотопів Цезію, Стронцію, Йоду, Плутонію. Великі дози їх випромінювання (побутова назва «радіація») небезпечні для людини тим, що спричинюють ракові захворювання, захворювання крові тощо.

Радіоактивні ізотопи застосовують у наукових дослідженнях (як мічені атоми, що дають можливість стежити за перебігом хімічних та біологічних перетворень), у промисловості, сільському господарстві, медицині, археології тощо.

Знаємо, розуміємо

1. За рахунок чого ізотопи одного хімічного елемента мають різні нуклонні числа?

2. Зазначте, скільки протонів, нейтронів та електронів мають нукліди Калію: 39К, 40К, 41К.

3. Поясніть, чому в окремих клітинках періодичної системи хімічні елементи розташовано не за зростанням відносної атомної маси.

4. У «Хімічній енциклопедії» подано такі відомості про Магній: «складається з трьох стабільних ізотопів: 24Mg (78,6 %), 25Mg (10,11 %), 26Mg (11,29 %)». Обчисліть за цими даними середню відносну атомну масу Магнію та порівняйте її із зазначеною в періодичній системі хімічних елементів.

5. Проаналізуйте твердження та оберіть правильний варіант відповіді.

Твердження 1. У рядку: а) 4018Ar, б) 4019K, в) 4020Ca ізотопи відсутні.

Твердження 2. У рядку: а) 6430Zn, б) 6630Zn, в) 6730Zn записано ізотопи.

Застосовуємо

33. Обчисліть, скільки нейтронів має кожний з нуклідів Оксигену: 168О, 178О, 188O.

34. Прокоментуйте запис якомога більшою кількістю наукової інформації:

130Ва, 132Ва, 134Ва, 138Ва.

Працюємо з медійними, джерелами

35. Користуючись різними джерелами інформації, підготуйте повідомлення про корисний лікувальний вплив малих доз і згубний вплив великих доз радіонуклідів на людину, рослини, тварин.