Ядро атома и изотопы
Протоны, нейтроны, электроны
Атом почти пуст. Его диаметр — около \(10^{-10}\) м, а ядро в сто тысяч раз меньше, около \(10^{-15}\) м: если увеличить атом до размеров стадиона, ядро окажется горошиной в центре поля. При этом в ядре сосредоточено больше 99,9 % массы атома.
history_eduОпыт, который удивил Резерфорда
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден по заданию Эрнеста Резерфорда обстреливали тонкую золотую фольгу α-частицами. Почти все частицы пролетали насквозь, 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 опыт: положительный заряд и почти вся масса атома собраны в крошечном ядре.
Ядро состоит из протонов (заряд +1) и нейтронов (заряд 0); вместе их называют нуклонами. Запись \(\ce{^{A}_{Z}X}\) содержит всё нужное: \(Z\) — число протонов, порядковый номер элемента; \(A\) — массовое число, сумма протонов и нейтронов; число нейтронов \(N = A - Z\). В нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов; у иона — на величину заряда меньше (катион) или больше (анион).
| Термин | Что общее | Пример |
|---|---|---|
| изотопы | \(Z\) (один элемент) | \(\ce{^{12}C}\) и \(\ce{^{13}C}\) |
| изобары | \(A\) | \(\ce{^{40}Ar}\), \(\ce{^{40}K}\), \(\ce{^{40}Ca}\) |
| изотоны | \(N\) | \(\ce{^{14}C}\) и \(\ce{^{16}O}\) (по 8 нейтронов) |
| изоэлектронные частицы | число электронов | \(\ce{O^2-}\), \(\ce{F-}\), \(\ce{Ne}\), \(\ce{Na+}\), \(\ce{Mg^2+}\) |
Порядковый номер — не просто номер места в таблице, а физическая величина. В 1913 году Генри Мозли измерил рентгеновские спектры элементов и показал, что частота линии растёт как квадрат заряда ядра. Так впервые выстроили элементы строго по \(Z\) и увидели пропуски на местах 43, 61, 72 и 75: гафний нашли в 1923 году, рений — в 1925-м, технеций и прометий получили искусственно. Сам Мозли погиб в 1915 году под Галлиполи, в 27 лет.
scienceЯдерные реакции, которые стали открытиями
- \(\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}\) — Резерфорд, 1919: первое искусственное превращение элемента.
- \(\ce{^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n}\) — Джеймс Чедвик, 1932: открытие нейтрона.
- \(\ce{^{27}_{13}Al + ^{4}_{2}He -> ^{30}_{15}P + ^{1}_{0}n}\) — Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, 1934: первый искусственный радиоактивный изотоп.
- \(\ce{^{96}_{42}Mo + ^{2}_{1}H -> ^{97}_{43}Tc + ^{1}_{0}n}\) — технеций, 1937: первый элемент, полученный искусственно.
- \(\ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n}\) — деление урана (Ган и Штрасман, 1938).
- \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{48}_{20}Ca -> ^{294}_{118}Og + 3^{1}_{0}n}\) — синтез оганесона в Дубне (2002–2006).
auto_awesomeЭлементы в честь живых
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) в честь Гленна Сиборга.
Средняя атомная масса
Почти все элементы — смеси изотопов, поэтому относительная атомная масса в таблице — среднее, взвешенное по распространённости изотопов:
| Элемент | Изотопы и их доли | \(A_r\) |
|---|---|---|
| хлор | \(\ce{^{35}Cl}\) 75,76 %, \(\ce{^{37}Cl}\) 24,24 % | 35,45 |
| бром | \(\ce{^{79}Br}\) 50,69 %, \(\ce{^{81}Br}\) 49,31 % | 79,90 |
| магний | \(\ce{^{24}Mg}\) 78,99 %, \(\ce{^{25}Mg}\) 10,00 %, \(\ce{^{26}Mg}\) 11,01 % | 24,31 |
| литий | \(\ce{^{6}Li}\) 7,59 %, \(\ce{^{7}Li}\) 92,41 % | 6,94 |
Если изотопов два, по средней массе находят их доли — тем же правилом креста, что и для смесей (урок 5): \(x_1 = \dfrac{A_2 - A_r}{A_2 - A_1}\).
Изотопный состав объясняет «перестановки» в таблице. Аргон (39,95) тяжелее калия (39,10), хотя стоит раньше: почти весь аргон атмосферы — это \(\ce{^{40}Ar}\), накопившийся за миллиарды лет из радиоактивного калия-40. Так же Te (127,6) тяжелее I (126,9), Co (58,93) тяжелее Ni (58,69). Менделеев ставил эти пары по свойствам, вопреки массам, — и оказался прав: порядок задаёт заряд ядра.
scienceРаспад калия-40 — источник аргона и «часы» для горных пород
- \(\ce{^{40}_{19}K -> ^{40}_{20}Ca + e-} + \bar\nu_e\) — 89 % распадов.
- \(\ce{^{40}_{19}K + e- -> ^{40}_{18}Ar} + \nu_e\) — захват электрона, 11 % распадов.
Период полураспада калия-40 — 1,25 млрд лет. Отношение \(\ce{^{40}Ar}:\ce{^{40}K}\) в минерале показывает, сколько времени прошло с его кристаллизации: так датируют вулканические породы.
auto_awesomeАтомная масса, которая «плавает»
С 2009 года IUPAC даёт для лития не одно число, а интервал 6,938–6,997. Изотопный состав природного лития немного различается, а из многих промышленных препаратов литий-6 извлечён для ядерной техники — в них атомная масса лития заметно выше табличной. Интервалы указаны и для водорода, бора, углерода, кислорода, хлора, серы.
Изотопы в масс-спектре
Масс-спектрометр превращает молекулы в ионы и разделяет их по отношению массы к заряду \(m/z\). Каждой изотопной комбинации соответствует свой пик, а его высота пропорциональна вероятности такой комбинации.
history_eduКак увидели изотопы
В 1913 году Джозеф Джон Томсон пропускал пучок ионов неона через электрическое и магнитное поля и получил на фотопластинке две параболы — для масс 20 и 22. Это были первые обнаруженные 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. Само слово «изотоп» — «занимающий то же место» — предложил в 1913 году Фредерик Содди.
Для атомов с двумя изотопами (доли \(p\) и \(q\)) распределение пиков молекулы с \(n\) такими атомами даёт бином \((p + q)^n\):
- один атом хлора (\(\ce{HCl}\)): пики \(M\) и \(M + 2\) в отношении \(p:q = 3:1\);
- два атома хлора (\(\ce{Cl2}\)): \(M\), \(M + 2\), \(M + 4\) — \(p^2 : 2pq : q^2 \approx 9:6:1\);
- один атом брома: \(M\) и \(M + 2\) почти поровну, 1 : 1; два атома (\(\ce{Br2}\)) — 1 : 2 : 1.
boltХлор и бром видно с первого взгляда
Пара пиков через две единицы массы с отношением 3 : 1 — в частице один атом хлора; 1 : 1 — один атом брома; 9 : 6 : 1 — два хлора; 1 : 2 : 1 — два брома. Это первое, на что смотрят в масс-спектре неизвестного вещества, и первое, что проверяют составители олимпиадных задач.
Изотопные эффекты и разделение изотопов
Химические свойства определяются электронами, поэтому изотопы одного элемента реагируют почти одинаково. «Почти» — потому что от массы зависят частоты колебаний и скорости движения молекул. Сильнее всего эффект у водорода, где масса удваивается: связь O–D прочнее связи O–H, и при электролизе воды протий выделяется в несколько раз быстрее дейтерия. Остаток электролита постепенно обогащается тяжёлой водой — так её и получали первые десятилетия.
history_eduТяжёлая вода и война
Первый завод тяжёлой воды построила компания Norsk Hydro в норвежском Веморке: при электролитическом производстве водорода для удобрений тяжёлая вода копилась в электролизёрах. Во время Второй мировой войны её вывозили в Германию для урановых экспериментов, и в феврале 1943 года норвежские диверсанты взорвали цех концентрирования; в 1944 году паром с последним запасом тяжёлой воды был потоплен.
Для тяжёлых элементов изотопный эффект в химии ничтожен, и их разделяют физически. Закон Грэма (1848): скорость диффузии (эффузии) газа обратно пропорциональна корню из молярной массы, \(v_1/v_2 = \sqrt{M_2/M_1}\). Уран для этого переводят в летучий гексафторид; молекулы \(\ce{^{235}UF6}\) и \(\ce{^{238}UF6}\) различаются по массе меньше чем на 1 %, и выигрыш одной ступени диффузии — лишь 0,43 %. Поэтому каскады содержат сотни ступеней, а современные заводы используют газовые центрифуги.
scienceРеакции с изотопами
- \(\ce{UO2 + 4HF -> UF4 + 2H2O}\), затем \(\ce{UF4 + F2 -> UF6}\) — гексафторид урана возгоняется уже при 56,5 °C.
- \(\ce{CaC2 + 2D2O -> Ca(OD)2 + C2D2}\) — дейтероацетилен.
- \(\ce{Mg3N2 + 6D2O -> 3Mg(OD)2 + 2ND3}\) — дейтероаммиак.
- \(\ce{Al4C3 + 12D2O -> 4Al(OD)3 + 3CD4}\) — дейтерометан.
- \(\ce{2H2O ->[\text{эл. ток}] 2H2 + O2}\) — электролиз, при котором в растворе накапливается \(\ce{D2O}\).
Тяжёлая вода — удобный источник дейтерия для «меченых» соединений: в реакциях 2–4 все атомы водорода продукта берутся из воды. Метод меченых атомов разработал Дьёрдь Хевеши, получивший за него Нобелевскую премию в 1943 году.
push_pinГлавное
Заряд ядра \(Z\) задаёт элемент, массовое число \(A = Z + N\) — изотоп. Средняя атомная масса — взвешенное среднее по распространённости изотопов; по ней и массам двух изотопов находят их доли. В масс-спектре атомы хлора и брома дают узнаваемые «семейства» пиков: 3 : 1 и 9 : 6 : 1 у хлора, 1 : 1 и 1 : 2 : 1 у брома. Изотопы почти одинаковы химически, но различаются скоростью реакций и диффузии — на этом основано получение тяжёлой воды и обогащение урана.
Закрепите теорию: 14 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.