Что такое изотопы в химии. Стабильно-изотопная диагностика – это не больно! Возникновение в природе

Изучая явление радиоактивности, ученые в первое десятилетие XX в. открыли большое количество радиоактивных веществ - около 40. Их было значительно больше, чем свободных мест в периодической системе элементов в промежутке между висмутом и ураном. Природа этих веществ вызывала споры. Одни исследователи считали их самостоятельными химическими элементами, но в таком случае оказывался неразрешимым вопрос об их размещении в таблице Менделеева. Другие вообще отказывали им в праве называться элементами в классическом понимании. В 1902 г. английский физик Д. Мартин назвал такие вещества радиоэлементами. По мере их изучения выяснилось, что некоторые радиоэлементы имеют совершенно одинаковые химические свойства, но различаются по величинам атомных масс. Это обстоятельство противоречило основным положениям периодического закона. Разрешил противоречие английский ученый Ф. Содди. В 1913 г. он назвал химически сходные радиоэлементы изотопами (от греческих слов, означающих «одинаковый» и «место»), т. е. занимающими одно и то же место в периодической системе. Радиоэлементы оказались изотопами естественных радиоактивных элементов. Все они объединяются в три радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются изотопы тория и урана.

Изотопы кислорода. Изобары калия и аргона (изобары - атомы различных элементов с одинаковым массовым числом).

Число стабильных изотопов для четных и нечетных элементов.

Вскоре выяснилось, что и у остальных стабильных химических элементов тоже есть изотопы. Основная заслуга в их открытии принадлежит английскому физику Ф. Астону. Он обнаружил стабильные изотопы у многих элементов.

С современной точки зрения изотопы - это разновидности атомов химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра.

Их ядра, таким образом, содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Например, природные изотопы кислорода с Z = 8 содержат в ядрах соответственно 8, 9 и 10 нейтронов. Сумма чисел протонов и нейтронов в ядре изотопа называется массовым числом A. Следовательно, массовые числа указанных изотопов кислорода 16, 17 и 18. Ныне принято такое обозначение изотопов: слева внизу от символа элемента дается величина Z, слева вверху - величина A. Например: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

После открытия явления искусственной радиоактивности с помощью ядерных реакций было получено около 1800 искусственных радиоактивных изотопов для элементов с Z от 1 до 110. У подавляющего большинства искусственных радиоизотопов очень малые периоды полураспада, измеряемые секундами и долями секунд; лишь немногие имеют сравнительно большую продолжительность жизни (например, 10 Ве - 2,7 10 6 лет, 26 Al - 8 10 5 лет и т. д.).

Стабильные элементы представлены в природе примерно 280 изотопами. Однако некоторые из них оказались в слабой степени радиоактивными, с огромными периодами полураспада (например, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). Продолжительность жизни этих изотопов столь велика, что позволяет рассматривать их как стабильные.

В мире стабильных изотопов еще немало проблем. Так, неясно, почему их количество у разных элементов столь сильно различается. Около 25% стабильных элементов (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) представлены в природе лишь одним видом атомов. Это так называемые элементы-одиночки. Интересно, что все они (кроме Be) имеют нечетные значения Z. И вообще для нечетных элементов число стабильных изотопов не превышает двух. Напротив, некоторые элементы с четными Z состоят из большого числа изотопов (например, Xe имеет 9, Sn - 10 стабильных изотопов).

Совокупность стабильных изотопов у данного элемента называют плеядой. Содержание их в плеяде нередко сильно колеблется. Интересно отметить, что больше всего содержание изотопов с величинами массовых чисел, кратными четырем (12 C, 16 O, 20 Ca и т. д.), хотя есть и исключения из этого правила.

Отрытие стабильных изотопов позволило разгадать многолетнюю загадку атомных масс - их отклонение от целых чисел, объясняющееся различным процентным содержанием стабильных изотопов элементов в плеяде.

В ядерной физике известно понятие «изобары». Изобарами называют изотопы различных элементов (т. е. с разными значениями Z), имеющие одинаковые массовые числа. Изучение изобаров способствовало установлению многих важных закономерностей поведения и свойств атомных ядер. Одну из таких закономерностей выражает правило, сформулированное советским химиком С. А. Щукаревым и иемецким физиком И. Маттаухом. Оно гласит: если лва изобара различаются по значениям Z на 1, то один из них обязательно будет радиоактивным. Классический пример пары изобаров - 40 18 Ar - 40 19 K. В ней изотоп калия радиоактивен. Правило Щукарева - Маттауха позволило объяснить, почему отсутствуют стабильные изотопы у элементов технеция (Z = 43) и прометия (Z = 61). Поскольку они имеют нечетные значения Z, то нельзя было для них ожидать более двух стабильных изотопов. Но оказалось, что изобары технеция и прометия, соответственно изотопы молибдена (Z = 42) и рутения (Z = 44), неодима (Z = 60) и самария (Z = 62), представлены в природе стабильными разновидностями атомов в большом диапазоне массовых чисел. Тем самым физические закономерности накладывают запрет на существование стабильных изотопов технеция и прометия. Вот почему эти элементы фактически не существуют в природе и их пришлось синтезировать искусственно.

Ученые уже давно пытаются разработать периодическую систему изотопов. Конечно, в её основе лежат другие принципы, нежели в основе периодической системы элементов. Но эти попытки пока не привели к удовлетворительным результатам. Правда, физики доказали, что последовательность заполнения протонных и нейтронных оболочек в атомных ядрах в принципе подобна построению электронных оболочек и подоболочек в атомах (см. Атом).

Электронные оболочки у изотопов данного элемента построены совершенно одинаково. Поэтому практически тождественны их химические и физические свойства. Только изотопы водорода (протий и дейтерий) и их соединения обнаруживают заметные различия в свойствах. Например, тяжелая вода (D 2 O) замерзает при +3,8, кипит при 101,4 °C, имеет плотность 1,1059 г/см 3 , не поддерживает жизни животных и растительных организмов. При электролизе воды на водород и кислород разлагаются преимущественно молекулы H 2 0, тогда как молекулы тяжелой воды остаются в электролизере.

Разделение изотопов других элементов - задача чрезвычайно сложная. Тем не менее во многих случаях необходимы изотопы отдельных элементов со значительно измененным по сравнению с природным содержанием. Например, при решении проблемы атомной энергии возникла необходимость разделения изотопов 235 U и 238 U. Для этой цели сначала был применен метод масс-спектрометрии, с помощью которого в 1944 г. в США были получены первые килограммы урана‑235. Однако этот метод оказался слишком дорогим и был заменен методом газовой диффузии, в котором использовался UF 6 . Сейчас существует несколько методов разделения изотопов, однако все они достаточно сложны и дороги. И всё‑таки проблема «разделения неразделимого» успешно решается.

Появилась новая научная дисциплина - химия изотопов. Она изучает поведение различных изотопов химических элементов в химических реакциях и процессы изотопного обмена. В результате этих процессов происходит перераспределение изотопов данного элемента между реагирующими веществами. Вот простейший пример: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (молекула воды обменивает атом протия на атом дейтерия). Развивается и геохимия изотопов. Она исследует колебания изотопного состава разных элементов в земной коре.

Широчайшее применение находят так называемые меченые атомы - искусственные радиоактивные изотопы стабильных элементов или стабильные изотопы. С помощью изотопных индикаторов - меченых атомов - изучают пути перемещения элементов в неживой и живой природе, характер распределения веществ и элементов в различных объектах. Изотопы применяются в ядерной технике: как материалы конструкций ядерных реакторов; в качестве ядерного горючего (изотопы тория, урана, плутония); в термоядерном синтезе (дейтерий, 6 Li, 3 He). Радиоактивные изотопы также широко используются в качестве источников излучений.

Например, в качестве терапии Базедовой болезни щитовидной железы используется радиоактивный йод-131. В данном случае рекомендуется вводить большие дозы этого элементы, так как они способствуют разрушению аномальных тканей, вследствие чего структура органа восстанавливается, а с ним и функция. Йод широко применяется и для диагностики состояния щитовидной железы. При введении его в организм на экране монитора оценивается скорость отложения в клетках, на основании чего ставится диагноз.

Для диагностики нарушений кровообращения большую роль играют изотопы натрия.

Наиболее часто в повседневной жизни для лечения опухолевых заболеваний применяются изотопы кобальта, в частности кобальт-60. Он нашел применение в радиохирургии при создании“кобальтовых пушек, в дезинфектологии для стерилизации медицинского инструментария, материалов.

В целом все методы исследования внутренних органов с помощью подобных элементов принято называть радиоизотопными. Изотопы могут применяться и для получения полезных микроорганизмов. А те являются основой синтезирования антибактериальных средств.

Использование в промышленности и сельском хозяйстве

По ним можно определять скорость диффузии металлов в доменных печах.

Важное направление – это дефектоскопия. При помощи подобных химических элементов можно исследовать структуру деталей, в том числе металлических.

При помощи радиоактивных изотопов создают новые сорта сельскохозяйственных растений. Кроме того, научно доказано, что гамма-облучение способствует повышению урожайности культур, повышает их устойчивость к неблагоприятным факторам. Широкое применение эти вещества нашли в селекции. При удобрении растений используют способ, при котором их помечают радиоактивным фосфором и оценивают эффективность удобрений. В силу всего можно сделать вывод о том, что радиоактивные изотопы применяются вот многих сферах деятельности. Они обладают свойствами, которых нет у тех же элементов с нормальной атомной массой.

Чтобы лучше понять, что такое изотопы, можно поиграть. Представьте большие прозрачные шары. Их иногда можно увидеть в парке. Каждый шар – это ядро атома.

Каждое ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные частицы. Вместо протонов у вас будут игрушечные зайчики на батарейках. А вместо нейтронов - зайчики без батареек, ведь они не несут никакого заряда. В оба шара положите по 8 зайчиков с батарейками. Значит, в каждом шаре-ядре у вас по 8 положительно заряженных протонов. Теперь вот что надо сделать с зайцами без батареек – нейтронами. В один шар положите 8 зайцев-нейтронов, а в другой –7 зайцев-нейтронов.

Массовое число – это сумма протонов и нейтронов. Посчитайте зайцев в каждом шаре и узнайте массовое число. В одном шаре массовое число – 16, в другом шаре – 17. Вы видите два одинаковых ядра-шара с одним и тем же числом протонов. Число нейтронов у них отличается. Шары выступили в роли изотопов. Знаете, ? Потому что изотопы – это варианты одного элемента с разным числом нейтронов. Оказывается, эти шары на самом деле не просто ядра атомов, а самые настоящие химические элементы в таблице Менделеева. Вспомните, какой имеет заряд +8? Конечно, это кислород. Теперь понятно, что у кислорода несколько изотопов, и все они отличаются друг от друга числом нейтронов. Изотоп кислорода с массовым числом 16 имеет 8 нейтронов, а изотоп кислорода с массовым числом 17 имеет 9 нейтронов. Массовое число указывается сверху слева от химического символа элемента.

Представьте шары с зайцами, и будет легче понять изотопов. Итак, изотопы – это атомы химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным массовым числом. Или определение: изотопы - это варианты одного химического элемента, которые занимают одно место в периодической системе элементов Менделеева, но при этом отличаются массами атомов.

Зачем же нужны знания об изотопах? Изотопы разных элементов применяются

· Период полураспада · Массовое число · Цепная ядерная реакция

Терминология

История открытия изотопов

Первое доказательство того, что вещества, имеющие одинаковое химическое поведение, могут иметь различные физические свойства, было получено при исследовании радиоактивных превращений атомов тяжёлых элементов. В 1906-07 выяснилось, что продукт радиоактивного распада урана - ионий и продукт радиоактивного распада тория - радиоторий, имеют те же химические свойства, что и торий, но отличаются от него атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. Было обнаружено позднее, что у всех трёх продуктов одинаковы оптические и рентгеновские спектры. Такие вещества, идентичные по химическим свойствам, но различные по массе атомов и некоторым физическим свойствам, по предложению английского учёного Ф. Содди , стали называть изотопами.

Изотопы в природе

Считается, что изотопный состав элементов на Земле одинаков во всех материалах. Некоторые физические процессы в природе приводят к нарушению изотопного состава элементов (природное фракционирование изотопов, характерное для лёгких элементов, а также изотопные сдвиги при распаде природных долгоживущих изотопов). Постепенное накопление в минералах ядер - продуктов распада некоторых долгоживущих нуклидов используется в ядерной геохронологии.

Применение изотопов человеком

В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения каких-либо специфических свойств материалов. Например, 235 U способен к цепной реакции деления тепловыми нейтронами и может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов или ядерного оружия . Однако в природном уране лишь 0,72 % этого нуклида, тогда как цепная реакция практически осуществима лишь при содержании 235 U не менее 3 %. В связи с близостью физико-химических свойств изотопов тяжёлых элементов, процедура изотопного обогащения урана является крайне сложной технологической задачей, которая доступна лишь десятку государств в мире. Во многих отраслях науки и техники (например, в радиоиммунном анализе) используются изотопные метки.

См. также

• Изотопная геохимия

Нестабильные (менее суток): 8 C: Углерод-8, 9 C: Углерод-9, 10 C: Углерод-10, 11 C: Углерод-11

Стабильные: 12 C: Углерод-12, 13 C: Углерод-13

10-10 000 лет: 14 C: Углерод-14

Нестабильные (менее суток) : 15 C: Углерод-15, 16 C: Углерод-16, 17 C: Углерод-17, 18 C: Углерод-18, 19 C: Углерод-19, 20 C: Углерод-20, 21 C: Углерод-21, 22 C: Углерод-22

Определенного элемента, имеющие одинаковый , но разные . Обладают ядрами с одинаковым числом и разл. числом , имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов. Термин "изотопы" предложен в 1910 Ф. Содди для обозначения химически неразличимых разновидностей , отличающихся по своим физ. (прежде всего радиоактивным) св-вам. Стабильные изотопы впервые обнаружены в 1913 Дж. Томсоном с помощью разработанного им т. наз. метода парабол - прообраза совр. . Он установил, что у Ne имеется, по крайней мере, 2 разновидности с маc. ч. 20 и 22. Названиями и символами изотопов обычно служат названия и символы соответствующих хим. элементов; указывают сверху слева от символа. Напр., для обозначения прир. изотопов используют запись 35 Сl и 37 С1; иногда внизу слева указывают также элемента, т.е. пишут 35 17 Сl и 37 17 Cl. Только изотопы самого легкого элемента -водорода с маc. ч. 1, 2 и 3 имеют спец. названия и символы: (1 1 Н), (D, или 2 1 Н) и (Т, или 3 1 H) соответственно. Из-за большой разницы в массах поведение этих изотопов существенно различается (см. , ). Стабильные изотопы встречаются у всех четных и большинства нечетных элементов с [ 83. Число стабильных изотопов у элементов с четными номерами м. б. равно 10 (напр., у ); у элементов с нечетными номерами не более двух стабильных изотопов. Известно ок. 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных элементов. Для каждого элемента содержание отдельных изотопов в прир. смеси претерпевает небольшие колебания, к-рыми часто можно пренебречь. Более значит. колебания изотопного состава наблюдаются для метеоритов и др. небесных тел. Постоянство изотопного состава приводит к постоянству встречающихся на Земле элементов, представляющей собой среднее значение массы данного элемента, найденное с учетом распространенности изотопов в природе. Колебания изотопного состава легких элементов связаны, как правило, с изменением изотопного состава при разл. процессах, протекающих в природе ( , и т.п.). Для тяжелого элемента Рb колебания изотопного состава разных образцов объясняются разл. содержанием в , и др. источниках и - родоначальников естеств. . Различия св-в изотопов данного элемента наз. . Важной практич. задачей является получение из прир. смесей отдельных изотопов -

При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество.

Что такое и почему существуют изотопы

В периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Исходя из вышеперечисленного таким разновидностям одного и того же вещества было дано название «изотопы» (от греческого isos - одинаковый и topos - место). Итак, изотопы - это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.

По принятой нейтронно-п ротонной модели ядра объяснить существование изотопов удалось следующим образом: ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно, они содержат разное количество нейтронов.

Стабильные и нестабильные изотопы

Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы - это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.

Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путем. Нестабильные изотопы ради оактивны , их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд.

Сколько изотопов может содержать ядро

Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно, количество изотопов ограниченно. У четных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон - 9, ртуть - 7 и так далее.

Те элементы, количество протонов которых нечетно , могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связано со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.

Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.