§ 26. Ізотопи

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Який зміст термінів «ізотопи» і «нукліди»?

Термін «ізотопи» означає види атомів одного й того самого хімічного елемента, які мають різну кількість нейтронів у ядрі (і, відповідно, різне нуклонне число). «Нуклід» — це загальне поняття, яким називають будь-який вид атомів із певним значенням протонного числа (заряду ядра) та певним значенням нуклонного числа (маси).

Як обчислюють відносну атомну масу за ізотопним складом хімічного елемента?

Відносну атомну масу елемента обчислюють як середнє арифметичне зважене мас його природних ізотопів. Для цього сумують добутки нуклонних чисел кожного ізотопу ($A_i$) на їхні атомні частки ($\chi_i$) у природній суміші:
$A_r = \chi_1 \cdot A_1 + \chi_2 \cdot A_2 + \dots + \chi_n \cdot A_n$

Чому поняття «відносна атомна маса» і «відносна молекулярна маса» потребують уточнення?

Ці поняття потребують уточнення через існування ізотопів у більшості хімічних елементів. У періодичній системі наводяться усереднені значення відносних атомних мас, розраховані з урахуванням поширеності нуклідів у природі. Також важливо зазначити, що атомною одиницею маси є $1/12$ маси саме нукліда Карбону-12 ($^{12}C$), а не природної суміші ізотопів Карбону.

За відомостями з інтернету з’ясуйте походження назв ізотопів Гідрогену.

Назви трьох ізотопів Гідрогену походять із грецької мови та відповідають їхньому порядковому номеру за масою:

• Протій ($^1H$) — від грец. protos (перший);
• Дейтерій ($^2H$) — від грец. deuteros (другий);
• Тритій ($^3H$) — від грец. tritos (третій).

Запишіть повні позначення нуклідів Нітроген-14 і Ферум-56.

Повне позначення нукліда Нітрогену-14: $^{14}_{7}\text{N}$.
Повне позначення нукліда Феруму-56: $^{56}_{26}\text{Fe}$.

Обчисліть відносну атомну масу Бору з точністю до десятих, якщо цей елемент має ізотопи $^{10}\text{B}$ і $^{11}\text{B}$, а важких атомів Бору вчетверо більше, ніж легких.

Нехай частка легких атомів ($^{10}\text{B}$) становить $x$, тоді частка важких ($^{11}\text{B}$) дорівнює $4x$.
Загальна кількість частин: $x + 4x = 5x = 1$ (або $100\%$).
Звідси частка $^{10}\text{B}$ становить $1/5 = 0,2$ ($20\%$), а частка $^{11}\text{B}$ становить $4/5 = 0,8$ ($80\%$).
Обчислюємо відносну атомну масу:
$A_r(\text{B}) = 10 \cdot 0,2 + 11 \cdot 0,8 = 2 + 8,8 = 10,8$

За відомостями з інтернету дізнайтеся, які ізотопи має Літій.

Природний Літій складається з двох стабільних ізотопів: Літію-6 ($^{6}\text{Li}$) та Літію-7 ($^{7}\text{Li}$).

Узявши до уваги значення відносної атомної маси цього елемента, визначте, якого ізотопу Літію більше в природі — важкого чи легкого.

У періодичній системі відносна атомна маса Літію становить $A_r(\text{Li}) \approx 6,94$. Це число значно ближче до 7, ніж до 6. Отже, у природі переважає важкий ізотоп — $^{7}\text{Li}$.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про ізотопи та їх урахування в обчисленнях і означеннях фізичних величин.

Ізотопи — це нукліди одного хімічного елемента, що мають однакову кількість протонів ($Z$), але різну кількість нейтронів ($N$), і тому різняться за масою. Хімічні властивості ізотопів майже однакові, а фізичні можуть відрізнятися. Значення відносної атомної маси ($A_r$), наведене в періодичній системі, є середнім значенням мас усіх природних ізотопів елемента з урахуванням їхніх атомних часток.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям.

Приклад запитання: «Відомо, що важка вода ($D_2O$), де замість Протію міститься Дейтерій, замерзає при $+3,8^\circ\text{C}$, а не при $0^\circ\text{C}$. Як ви думаєте, чи змінилася б кліматична карта Землі, якби вся вода в океанах складалася з важких ізотопів Гідрогену?»

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Моя відповідь ґрунтувалася на чіткому розмежуванні понять «протонне число» та «нуклонне число». Відповіді однокласників були переважно правильними, але дехто ототожнював поняття «ізотоп» і «атомна маса», не враховуючи роль нейтронів.

Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Оцінка базується на точності визначень: ізотопи відрізняються саме кількістю нейтронів у ядрі, що безпосередньо впливає на їхню масу, але не змінює заряд ядра і, відповідно, хімічний символ елемента.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

279. Які види атомів називають ізотопами і нуклідами? Наведіть приклади позначень цих видів атомів.

Нуклід — це загальна назва атомів із певними значеннями протонного ($Z$) і нуклонного ($A$) чисел. Ізотопи — це нукліди одного й того ж хімічного елемента (мають однакове $Z$, але різне $A$).
Приклади:

• Нукліди Гідрогену (вони ж — ізотопи Гідрогену): $^1\text{H}$ (Протій), $^2\text{H}$ (Дейтерій), $^3\text{H}$ (Тритій).
• Ізотопи Хлору: $^{35}\text{Cl}$, $^{37}\text{Cl}$.

280. Укажіть пропущене словосполучення в реченні «Нуклідів хімічного елемента … його ізотопів»:

Правильна відповідь: б) стільки, скільки.
Пояснення: Усі нукліди, що належать певному хімічному елементу, є його ізотопами.

281. Скільки протонів, нейтронів і електронів міститься в нуклідах $^{20}\text{Ne}$, $^{21}\text{Ne}$, $^{40}\text{K}$, $^{40}\text{Ca}$, $^{192}\text{Pt}$?

Кількість протонів ($p$) = кількості електронів ($e$) = порядковий номер ($Z$).
Кількість нейтронів ($n$) = нуклонне число ($A$) – протонне число ($Z$).

• $^{20}\text{Ne}$ ($Z=10$): $p=10$, $e=10$, $n = 20 - 10 = 10$.
• $^{21}\text{Ne}$ ($Z=10$): $p=10$, $e=10$, $n = 21 - 10 = 11$.
• $^{40}\text{K}$ ($Z=19$): $p=19$, $e=19$, $n = 40 - 19 = 21$.
• $^{40}\text{Ca}$ ($Z=20$): $p=20$, $e=20$, $n = 40 - 20 = 20$.
• $^{192}\text{Pt}$ ($Z=78$): $p=78$, $e=78$, $n = 192 - 78 = 114$.

АНАЛІЗУЙМО

282. У природі існують два нукліди Гідрогену ($^1\text{H}$, $^2\text{H}$) і три нукліди Оксигену ($^{16}\text{O}$, $^{17}\text{O}$, $^{18}\text{O}$). Визначте, скільки є різновидів молекули води. Напишіть їхні хімічні формули з позначенням нуклідів. Скільки значень маси можуть мати молекули води?

Існує 9 різновидів молекул води.

Їхні хімічні формули: $^1H_2^{16}O$, $^1H^2H^{16}O$, $^2H_2^{16}O$, $^1H_2^{17}O$, $^1H^2H^{17}O$, $^2H_2^{17}O$, $^1H_2^{18}O$, $^1H^2H^{18}O$, $^2H_2^{18}O$.

Молекули води можуть мати 5 різних значень відносної молекулярної маси: 18, 19, 20, 21 та 22.

283. Узявши до уваги розміщену в інтернеті інформацію про ізотопи Аргону і Калію та їх поширеність у природі, поясніть, чому відносна атомна маса Аргону (елемент № 18) більша, ніж Калію (елемент № 19).

Порядковий номер Аргону ($18$) менший, ніж у Калію ($19$), але $A_r(\text{Ar}) \approx 39,95$, а $A_r(\text{K}) \approx 39,10$. Це пов’язано з поширеністю їхніх ізотопів:

• У природного Аргону переважає важкий ізотоп $^{40}\text{Ar}$ (понад 99 %).
• У природного Калію переважає легкий ізотоп $^{39}\text{K}$ (близько 93 %).
  Оскільки відносна атомна маса є середнім значенням, домінування важкого ізотопу в Аргону робить його атомну масу більшою.

284. Учень з огляду на значення $A_r(\text{Br}) = 79,9$ стверджував, що Бром повинен мати лише один природний нуклід $^{80}\text{Br}$. З чиєю думкою ви погоджуєтеся?

Я погоджуюся з думкою, що Бром має кілька ізотопів. Якщо $A_r \approx 80$, це не означає існування лише $^{80}\text{Br}$. Насправді природний Бром складається з двох ізотопів: $^{79}\text{Br}$ ($\approx 50,7\%$) та $^{81}\text{Br}$ ($\approx 49,3\%$). Їхнє середнє значення дає число, дуже близьке до 80:
$0,507 \cdot 79 + 0,493 \cdot 81 \approx 79,9$
Ізотопу $^{80}\text{Br}$ у природі не існує (він радіоактивний).

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

285. Ізотопи Магнію, які є в природі, — $^{24}\text{Mg}$, $^{25}\text{Mg}$ та $^{26}\text{Mg}$. Атомна частка першого нукліда становить 78,7 %, а другого — 10,1 %. Обчисліть відносну атомну масу Магнію з точністю до десятих.

1. Обчислюємо частку третього ізотопу ($^{26}\text{Mg}$):
   $\chi(^{26}\text{Mg}) = 100\% - 78,7\% - 10,1\% = 11,2\%$ (або $0,112$).
2. Використовуємо формулу для середньої атомної маси:
   $A_r(\text{Mg}) = 24 \cdot 0,787 + 25 \cdot 0,101 + 26 \cdot 0,112$
   $A_r(\text{Mg}) = 18,888 + 2,525 + 2,912 = 24,325$
3. Округлюємо до десятих:
   $A_r(\text{Mg}) \approx 24,3$

Відповідь: 24,3.

286. Галій має два природних нукліди. Атомна частка нукліда $^{69}\text{Ga}$ становить 60,4 %. Використавши точне значення відносної атомної маси Галію, наведене в періодичній таблиці, визначте другий нуклід цього хімічного елемента.

1. За періодичною системою $A_r(\text{Ga}) = 69,723$.
2. Атомна частка першого нукліда: $\chi_1 = 0,604$.
3. Атомна частка другого нукліда: $\chi_2 = 1 - 0,604 = 0,396$.
4. Нехай нуклонне число другого нукліда дорівнює $x$. Складаємо рівняння:
   $69,723 = 69 \cdot 0,604 + x \cdot 0,396$
   $69,723 = 41,676 + 0,396x$
   $0,396x = 69,723 - 41,676$
   $0,396x = 28,047$
   $x \approx 70,82$
5. Нуклонне число має бути цілим, отже, округлюємо до 71.

Відповідь: Другий нуклід — $^{71}\text{Ga}$.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

287. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Хімічний елемент — Chemical element
• Ізотопи — Isotopes
• Нуклід — Nuclide
• Протонне число — Proton number (Atomic number)
• Нуклонне число — Nucleon number (Mass number)
• Нейтрон — Neutron
• Атомна частка — Atomic fraction (Abundance)
• Відносна атомна маса — Relative atomic mass

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

288. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.