Ядро атома и изотопы
Протоны, нейтроны, электроны
Почти весь объём атома приходится на электронную оболочку, а ядро занимает ничтожную его часть. Диаметр атома составляет около \(10^{-10}\) м, а диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше — около \(10^{-15}\) м. Если увеличить атом до размеров стадиона, ядро будет размером с горошину в центре поля. Несмотря на малые размеры, в ядре сосредоточено больше 99,9 % массы атома.
history_eduОпыт Резерфорда с золотой фольгой
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден по заданию Эрнеста Резерфорда обстреливали тонкую золотую фольгу α-частицами. Почти все частицы пролетали сквозь неё, но примерно одна из восьми тысяч отскакивала назад. «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в папиросную бумагу, а он вернулся и попал в вас», — вспоминал Резерфорд. В 1911 году он объяснил результаты опыта: положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в крошечном ядре.
Ядро состоит из протонов, имеющих заряд +1, и нейтронов, не имеющих заряда. Вместе протоны и нейтроны называют нуклонами. В записи \(\ce{^{A}_{Z}X}\) число \(Z\) показывает, сколько протонов содержит ядро. Его называют порядковым номером элемента. Число \(A\) — это массовое число, равное общему числу протонов и нейтронов. Поэтому число нейтронов находят по формуле \(N = A - Z\).
Чтобы определить число электронов, нужно также знать заряд частицы. В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов. У катиона электронов меньше на величину его положительного заряда, а у аниона — больше на величину отрицательного заряда.
Частицы можно сравнивать по числу протонов, нейтронов, нуклонов или электронов. В зависимости от того, какое из этих чисел совпадает, используют разные названия:
| Термин | Что общего | Пример |
|---|---|---|
| Изотопы | У атомов одного элемента совпадает \(Z\), но различается число нейтронов. | \(\ce{^{12}C}\) и \(\ce{^{13}C}\) |
| Изобары | У атомов разных элементов совпадает \(A\). | \(\ce{^{40}Ar}\), \(\ce{^{40}K}\), \(\ce{^{40}Ca}\) |
| Изотоны | У атомов разных элементов совпадает \(N\). | \(\ce{^{14}C}\) и \(\ce{^{16}O}\) содержат по 8 нейтронов. |
| Изоэлектронные частицы | У атомов или ионов совпадает число электронов. | \(\ce{O^2-}\), \(\ce{F-}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^2+}\) |
Порядковый номер обозначает не только место элемента в таблице: он равен заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона. В 1913 году Генри Мозли измерил рентгеновские спектры элементов и показал, что частота спектральной линии растёт как квадрат заряда ядра. Это позволило выстроить элементы строго по \(Z\) и обнаружить пропуски на местах 43, 61, 72 и 75. Гафний нашли в 1923 году, рений — в 1925-м, а технеций и прометий получили искусственно. Сам Мозли погиб в 1915 году под Галлиполи, в 27 лет.
Состав ядра помогает читать и записывать ядерные реакции. В приведённых ниже уравнениях сумма массовых чисел и сумма зарядов ядер одинаковы в левой и правой частях.
scienceЯдерные реакции, связанные с открытиями
- \(\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}\) — в 1919 году Резерфорд осуществил первое искусственное превращение элемента.
- \(\ce{^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n}\) — в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон.
- \(\ce{^{27}_{13}Al + ^{4}_{2}He -> ^{30}_{15}P + ^{1}_{0}n}\) — в 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри получили первый искусственный радиоактивный изотоп.
- \(\ce{^{96}_{42}Mo + ^{2}_{1}H -> ^{97}_{43}Tc + ^{1}_{0}n}\) — в 1937 году был получен технеций, первый элемент, полученный искусственно.
- \(\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n}\) — это уравнение реакции деления урана, открытого Ганом и Штрасманом в 1938 году.
- \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{48}_{20}Ca -> ^{294}_{118}Og + 3^{1}_{0}n}\) — в 2002–2006 годах в Дубне был синтезирован оганесон.
auto_awesomeНазвания элементов в честь живших на момент присвоения имени учёных
Элемент 118 назван в честь Юрия Цолаковича Оганесяна, руководителя синтеза сверхтяжёлых элементов в Дубне. Это второй случай, когда элемент назвали именем ещё живущего учёного. Первым был сиборгий (106), названный в честь Гленна Сиборга.
Средняя атомная масса
Массовое число характеризует отдельный изотоп, но большинство элементов в природе представлено смесью изотопов. Поэтому относительная атомная масса элемента в таблице учитывает и массы его изотопов, и их распространённость. Такую величину называют средней атомной массой, взвешенной по долям изотопов:
Здесь \(x_i\) — доля изотопа, а \(A_i\) — его относительная атомная масса. Массовые числа изотопов служат приближением к их массам; для получения табличных значений используют более точные массы.
| Элемент | Изотопы и их доли | \(A_r\) |
|---|---|---|
| хлор | Доли \(\ce{^{35}Cl}\) и \(\ce{^{37}Cl}\) составляют 75,76 % и 24,24 %. | 35,45 |
| бром | Доли \(\ce{^{79}Br}\) и \(\ce{^{81}Br}\) составляют 50,69 % и 49,31 %. | 79,90 |
| магний | Доли \(\ce{^{24}Mg}\), \(\ce{^{25}Mg}\) и \(\ce{^{26}Mg}\) составляют 78,99 %, 10,00 % и 11,01 %. | 24,31 |
| литий | Доли \(\ce{^{6}Li}\) и \(\ce{^{7}Li}\) составляют 7,59 % и 92,41 %. | 6,94 |
Возможна и обратная задача: по средней атомной массе определить доли изотопов. Если изотопов два, долю первого находят тем же правилом креста, которое применяют к смесям (урок 5): \(x_1 = \dfrac{A_2 - A_r}{A_2 - A_1}\).
Изотопный состав объясняет, почему порядок некоторых соседних элементов не совпадает с порядком возрастания их масс. Аргон (39,95) тяжелее калия (39,10), хотя стоит в таблице раньше. Почти весь аргон атмосферы — это \(\ce{^{40}Ar}\), накопившийся за миллиарды лет из радиоактивного калия-40. Подобным образом Te (127,6) тяжелее I (126,9), а Co (58,93) тяжелее Ni (58,69). Менделеев располагал эти пары в соответствии с их свойствами, вопреки порядку масс. Позднее выяснилось, почему такой порядок верен: положение элемента задаёт заряд его ядра.
scienceРаспад калия-40 как источник аргона и способ датировки пород
- \(\ce{^{40}_{19}K -> ^{40}_{20}Ca + e-} + \bar\nu_e\) — при этом превращении образуется кальций; на него приходится 89 % распадов.
- \(\ce{^{40}_{19}K + e- -> ^{40}_{18}Ar} + \nu_e\) — при захвате электрона образуется аргон; на этот путь приходится 11 % распадов.
Период полураспада калия-40 составляет 1,25 млрд лет. По отношению \(\ce{^{40}Ar}:\ce{^{40}K}\) в минерале определяют время, прошедшее с его кристаллизации. Так датируют вулканические породы.
auto_awesomeПеременная атомная масса лития
С 2009 года IUPAC указывает для лития не одно значение атомной массы, а интервал 6,938–6,997. Причина состоит в том, что изотопный состав природного лития немного различается. Кроме того, из многих промышленных препаратов литий-6 извлечён для ядерной техники, поэтому атомная масса оставшегося лития заметно выше табличной. Интервалы указаны также для водорода, бора, углерода, кислорода, хлора и серы.
Изотопы в масс-спектре
Изотопный состав можно определить с помощью масс-спектрометра. Этот прибор превращает молекулы в ионы и разделяет их по отношению массы к заряду \(m/z\). Ионы с разными сочетаниями изотопов образуют разные пики. Распределение таких пиков называют изотопным рисунком масс-спектра; высота каждого пика пропорциональна вероятности соответствующего сочетания.
history_eduПервые наблюдения изотопов
В 1913 году Джозеф Джон Томсон пропускал пучок ионов неона через электрическое и магнитное поля. На фотопластинке он получил две параболы — для масс 20 и 22. Так были впервые обнаружены стабильные изотопы. Его ученик Фрэнсис Астон построил в 1919 году масс-спектрограф и нашёл изотопы у десятков элементов; в 1922 году он получил Нобелевскую премию. Слово «изотоп», означающее «занимающий то же место», ввёл в научный оборот в 1913 году Фредерик Содди.
Рассмотрим молекулу, содержащую атомы элемента с двумя изотопами. Если доли изотопов равны \(p\) и \(q\), а число таких атомов в молекуле равно \(n\), вероятности разных изотопных сочетаний определяются разложением бинома \((p + q)^n\). За \(M\) принимают массу молекулы, содержащей более лёгкие изотопы. Тогда расположение и относительные высоты пиков можно предсказать:
- Если молекула содержит один атом хлора, как \(\ce{HCl}\), пики \(M\) и \(M + 2\) имеют отношение высот \(p:q = 3:1\).
- Если молекула содержит два атома хлора, как \(\ce{Cl2}\), высоты пиков \(M\), \(M + 2\) и \(M + 4\) относятся как \(p^2 : 2pq : q^2 \approx 9:6:1\).
- Если частица содержит один атом брома, пики \(M\) и \(M + 2\) имеют почти одинаковую высоту — 1 : 1. Для двух атомов брома в \(\ce{Br2}\) отношение высот равно 1 : 2 : 1.
boltПризнаки хлора и брома в масс-спектре
По расположению и высоте пиков можно быстро предположить состав частицы. Пара пиков, разделённых двумя единицами массы, с отношением 3 : 1 указывает на один атом хлора, а отношение 1 : 1 — на один атом брома. Отношение 9 : 6 : 1 характерно для двух атомов хлора, а 1 : 2 : 1 — для двух атомов брома. Эти признаки прежде всего проверяют при разборе масс-спектра неизвестного вещества и в олимпиадных задачах.
Изотопные эффекты и разделение изотопов
Химические свойства атома определяются главным образом его электронами. У изотопов одного элемента одинаковое число электронов, поэтому они вступают почти в одни и те же химические реакции. Однако различие масс влияет на частоты колебаний связей и скорости движения молекул. Возникающие из-за этого различия в свойствах называют изотопным эффектом.
Сильнее всего изотопный эффект проявляется у водорода: при замене протия дейтерием масса атома удваивается. Связь O–D прочнее связи O–H, поэтому при электролизе воды протий выделяется в несколько раз быстрее дейтерия. Оставшийся электролит постепенно обогащается тяжёлой водой. Таким способом её получали в первые десятилетия.
history_eduТяжёлая вода во время войны
Первый завод тяжёлой воды построила компания Norsk Hydro в норвежском Веморке. При электролитическом производстве водорода для удобрений тяжёлая вода накапливалась в электролизёрах. Во время Второй мировой войны её вывозили в Германию для урановых экспериментов. В феврале 1943 года норвежские диверсанты взорвали цех концентрирования, а в 1944 году паром с последним запасом тяжёлой воды был потоплен.
У тяжёлых элементов изотопный эффект в химических реакциях ничтожен, поэтому для разделения их изотопов применяют физические методы. Один из них основан на законе Грэма (1848): скорость диффузии (эффузии) газа обратно пропорциональна корню из его молярной массы, \(v_1/v_2 = \sqrt{M_2/M_1}\).
Для такого разделения уран переводят в летучий гексафторид. Массы молекул \(\ce{^{235}UF6}\) и \(\ce{^{238}UF6}\) различаются меньше чем на 1 %, поэтому преимущество лёгких молекул на одной ступени диффузии составляет лишь 0,43 %. Для заметного разделения нужны каскады из сотен ступеней. Современные заводы используют газовые центрифуги.
scienceПолучение соединений с изотопами
- \(\ce{UO2 + 4HF -> UF4 + 2H2O}\), затем \(\ce{UF4 + F2 -> UF6}\) — в результате этих реакций получают гексафторид урана, который возгоняется уже при 56,5 °C.
- \(\ce{CaC2 + 2D2O -> Ca(OD)2 + C2D2}\) — при взаимодействии карбида кальция с тяжёлой водой образуется дейтероацетилен.
- \(\ce{Mg3N2 + 6D2O -> 3Mg(OD)2 + 2ND3}\) — при взаимодействии нитрида магния с тяжёлой водой образуется дейтероаммиак.
- \(\ce{Al4C3 + 12D2O -> 4Al(OD)3 + 3CD4}\) — при взаимодействии карбида алюминия с тяжёлой водой образуется дейтерометан.
- \(\ce{2H2O ->[\text{эл. ток}] 2H2 + O2}\) — при электролизе воды в оставшейся жидкости накапливается \(\ce{D2O}\).
Тяжёлая вода служит источником дейтерия при получении меченых соединений — веществ, в которых изотоп помогает проследить происхождение атомов. В реакциях 2–4 все атомы водорода продуктов поступают из воды. Метод меченых атомов разработал Дьёрдь Хевеши, получивший за него Нобелевскую премию в 1943 году.
push_pinГлавное
Заряд ядра \(Z\) определяет, к какому элементу относится атом, а массовое число \(A = Z + N\) позволяет различать его изотопы. Средняя атомная масса учитывает распространённость изотопов; если известны массы двух изотопов, по ней можно найти их доли. В масс-спектре одному атому хлора соответствует отношение высот пиков 3 : 1, двум — 9 : 6 : 1; для брома эти отношения составляют 1 : 1 и 1 : 2 : 1. Изотопы почти одинаковы по химическим свойствам, но различия их масс влияют на скорость реакций и диффузии. На этих различиях основаны получение тяжёлой воды и обогащение урана.
Закрепите теорию: 14 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.