§ 4. Хімічний елемент. Нукліди. Ізотопи. Відносна атомна маса

Якщо ми збільшимо або зменшимо число протонів у ядрі, то одержимо ядро іншого елемента, з іншим порядковим номером.

Виявляється, що, змінюючи кількість протонів у ядрі, ми можемо одержати нові хімічні елементи з певним числом протонів, а отже, і зарядом ядра.

Якщо забрати з ядра атома Карбону один протон, одержимо ядро атома. (Бору), а якщо додамо один протон, то одержимо ядро атома. (Нітрогену).

• Хімічний елемент — це різновид атомів з однаковим позитивним зарядом ядра (або інакше — з однаковою кількістю протонів у ядрі).

Чи можна практично добути нові елементи, додаючи або забираючи протони з ядер? Так, у природі цей процес відбувається весь час. Тому сумарна маса якихось елементів на Землі зменшується, а якихось — збільшується. Реакції, під час яких можливі такі зміни, називають ядерними реакціями. Вчені також проводять такі реакції. Для цього потрібне спеціальне обладнання. До речі, елементи, які було відкрито останнім часом, одержували штучно шляхом ядерних реакцій. Такі реакції ви будете вивчати в курсі фізики.

Щоб указати масове число конкретного атома елемента й заряд його ядра, використовують такий запис:

Виходить, що такий запис повністю характеризує ядро атома.

• Нуклід — це різновид атомів, у яких до складу ядра входить чітко визначене число протонів і нейтронів.

Назва нукліда включає його масове число. Наприклад, Кальцій-40: 40 ₂₀Ca, Кальцій-42: 42 ₂₀Ca.

Запишіть символами нукліди: Карбон-12, Стронцій-88. Визначте в них число протонів і нейтронів.

Відповідь. 12 ₆C, протонів — 6, нейтронів — 12 – 6 = 6; 88 ₃₈Sr, протонів — 38, нейтронів — 88 – 38 = 50.

Якщо ви правильно записали символами й цифрами нуклід, то порахувати число нейтронів дуже легко: просто відніміть від верхнього числа (нуклонного) нижнє (протонне). Вони вже написані у стовпчик! Для 42 ₂₀Ca це буде так: 42 – 20 = 22.

Зміна числа нейтронів у атомі не впливає на заряд ядра, тому атоми з різною кількістю нейтронів можуть належати до одного й того самого хімічного елемента. Однак при цьому атоми матимуть різну масу.

• Різновиди атомів одного й того самого елемента (тобто з однаковим числом протонів — зарядом ядра) з різним масовим числом (тобто з різним числом нейтронів) називають ізотопами.

Можна дати й таке визначення:

• Ізотопи — атоми одного й того самого елемента, які мають різні нуклонні числа (але заряд ядра атома однаковий).

Майже всі елементи, які поширені на земній кулі, представлені декількома ізотопами. Зазвичай ізотопи мають однакові назви (це ж один і той самий елемент!) із зазначенням масового числа. Наприклад, Хлор-35 або Хлор-37. Їх записують символами, із зазначенням нуклонного числа й числа протонів, наприклад: 35 ₁₇Cl, 37 ₁₇Cl.

Може трапитися таке позначення нукліда або ізотопу: 39 K. Тут немає протонного числа, тільки нуклонне. Але ми завжди можемо визначити протонне число за номером елемента в Періодичній системі та, в разі необхідності, дописати його.

— Я зрозуміла: 34 ₁₆S — це нуклід і 32 ₁₆S — теж нуклід. Але це ще й ізотопи, тому що це нукліди одного й того самого елемента, а от 34 ₁₆S і 17 ₈O — теж нукліди, але не ізотопи, бо це різні елементи!

Традиційно ізотопи Гідрогену можуть бути записані різними символами. Вони представлені в схемі.

У природі ізотопів одного й того самого елемента різна кількість. Наприклад, Гідроген трапляється у вигляді двох ізотопів — Протію й Дейтерію (Тритій отримано штучно). Визначено, що вміст його ізотопів у природі є таким (у % від загального числа атомів):

Оксиген у природі існує у вигляді трьох ізотопів:

Під час утворення хімічних речовин — простих і складних — різні ізотопи входять до їхнього складу випадковим чином.

Уявіть, що перед вами атоми 1 ₁H, 2 ₁H і 16 ₈O. Які молекули води можуть утворитися із двома різними ізотопами Гідрогену?

Формула води — H₂O. Значить, у молекулу можуть входити два будь-яких ізотопи атомів Гідрогену. Які з них конкретно будуть входити в молекулу — визначає випадковість. Розглянемо можливі варіанти молекул води, прийнявши, що в цьому випадку Оксиген буде представлений тільки 16 ₈O:

Усього три варіанти. У природі варіантів молекул води більше, тому що вони включають і різні ізотопи Оксигену.

Запишіть символами ізотопи Магнію: Магній-24, Магній-25, Магній-26.

Напишіть усі можливі варіанти молекул природної води. Природні ізотопи Гідрогену й Оксигену наведено в параграфі.

ВІДНОСНА АТОМНА МАСА

Із курсу 7 класу ви знаєте, що є таке поняття — відносна атомна маса. Це маса одного атома якого-небудь елемента, виражена в атомних одиницях маси (а.о.м).

А.о.м. — це 1/12 маси атома Карбону 12 C.

Як бути з ізотопами під час розрахунку відносної атомної маси? Адже треба врахувати, що в природному стані кожний хімічний елемент містить різні ізотопи. На сьогодні визначено масові частки ізотопів усіх елементів на планеті Земля. Цим займається наука геохімія. Тому внесемо уточнення у визначення.

• Відносна атомна маса хімічного елемента (A_r) — величина, що дорівнює відношенню середнього значення мас усіх його природних ізотопів, з урахуванням їх поширеності, до 1/12 маси атома Карбону 12 C.

Ми пам’ятаємо, що A_r зазначена в Періодичній системі Д. І. Менделєєва. Як правило, це дробова величина. Щоб її обчислити, треба масу кожного ізотопу певного елемента помножити на його вміст на Землі (у %), потім добутки скласти й розділити на 100 %.

Обчислити середню відносну атомну масу природного літію (Li), якщо вміст у земній корі його ізотопів у відсотках: 6 Li — 7,42 %, 7 Li — 92,58 %.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

• 1. Число яких частинок є головною характеристикою атома елемента?
• 2. Що таке хімічний елемент?
• 3. Дайте визначення нукліду.
• 4. Що таке ізотопи? Яких частинок у ізотопах однакова кількість? Число яких частинок у ізотопах відрізняється?
• 5. «В атомах протонне число однакове, а нуклонне число відрізняється» — прочитав учень у підручнику хімії. Про що йдеться? Відповідь обґрунтуйте.
• 6. Як обчислюють середню відносну атомну масу елемента з урахуванням ізотопного складу?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. З ядра атома Плюмбуму видалили три протони. Ядро атома якого елемента утворилося?

2. Скільки протонів потрібно додати в ядро атома Родію, щоб добути ядро Технецію?

3. Запишіть символами й цифрами нукліди: Цезій-135, Стронцій-90, Йод-127, Сульфур-32.

4. Укажіть правильну відповідь у таких завданнях:

• а) вид атомів різних хімічних елементів, які мають різні нуклонні числа й заряд ядра атома;
• б) вид атомів одного й того самого хімічного елемента, які мають різні нуклонні числа, але однаковий заряд ядра атома;
• в) вид атомів одного й того самого елемента, які мають однакові нуклонні числа, але різні заряди ядер атомів;
• г) вид атомів різних елементів, які мають однакові нуклонні числа, але різні заряди ядер атомів.

Яке із цих чисел дорівнює кількості протонів у атомі 52 Cr?

Яке із цих чисел дорівнює кількості нейтронів у атомі 52 Cr?

Яке із цих чисел дорівнює масовому числу 52 Cr?

• Чим відрізняються за своїм складом ядра ізотопів 39 K і 40 K?

• а) Порядковим номером;
• б) кількістю електронів;
• в) кількістю протонів;
• г) кількістю нейтронів.

• Обчисліть відсотковий уміст ізотопів 35 Cl і 37 Cl, якщо відносна атомна маса Хлору становить 35,48:

• Кількість протонів, нейтронів і електронів у нукліді 39 K дорівнює:

5. Скільки варіантів молекул CO₂ можна отримати з таких нуклідів: Карбон-12, Оксиген-16, Оксиген-17?

6. Природний Магній складається з ізотопів: 24 Mg, 25 Mg, 26 Mg. Обчисліть середню відносну атомну масу природного Магнію, якщо вміст цих ізотопів (в атомних %) становить 78,6; 10,1; 11,3 відповідно.

7. Бор має два ізотопи, атомна маса яких 10 і 11. Відносна атомна маса Бору становить 10,82. Обчисліть відносний уміст кожного з ізотопів у природному Борі (в атомних відсотках).

Підказка. Прийміть уміст (у відсотках) одного ізотопу за х, тоді вміст другого — (100 – х).

§ 10. Нуклід. Ізотопи. Сучасне формулювання 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:

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).

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 ( 1 ₁H ) — Протій, D ( 2 ₁H) — Дейтерій, Т ( 3 ₁H) — 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:

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

Приклад 1. Обчисліть, скільки нейтронів має кожний з нуклідів Гідрогену: Протій Н ( 1 ₁H), Дейтерій D ( 2 ₁H), Тритій Т ( 3 ₁H).

Застосовуємо формулу N = А – Z.

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 — 35 ₁₇Cl і 37 ₁₇Cl (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 13 С, нуклід Алюмінію 27 Al.

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 Ar_ср.(Cl). Для цього частку атомів кожного нукліду помножимо на його нуклонне число та знайдемо суму двох добутків:

Ar_ср.(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: 39 К, 40 К, 41 К.

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: 24 Mg (78,6 %), 25 Mg (10,11 %), 26 Mg (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) 40 ₁₈Ar, б) 40 ₁₉K, в) 40 ₂₀Ca ізотопи відсутні.

Твердження 2. У рядку: а) 64 ₃₀Zn, б) 66 ₃₀Zn, в) 67 ₃₀Zn записано ізотопи.

Застосовуємо

33. Обчисліть, скільки нейтронів має кожний з нуклідів Оксигену: 16 ₈О, 17 ₈О, 18 ₈O.

34. Прокоментуйте запис якомога більшою кількістю наукової інформації:

130 Ва, 132 Ва, 134 Ва, 138 Ва.

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.