Репетитор-онлайн — подготовка к ЦТ

2. Строение ядер и электронных оболочек атомов

2.2. Нуклиды. Изотопы

Нуклид — вид атомов с определенным значением протонного и нуклонного чисел.

К настоящему времени известно более 2500 различных нуклидов. Обозначая нуклид, указывают протонное и массовое число. Например:

${}_{протонное число (атомный номер) Z \to 20}^{массовое число A \to 40}C a$

Иногда используют только массовое число и название элемента (азот-14, углерод-12) или символ и массовое число (³⁹K).

Для нуклида массовое число лишь приблизительно (!) равно относительной атомной массе: различия обусловлены, во-первых, дефектом масс и, во-вторых, тем, что относительные массы протона и нейтрона примерно (не точно) равны единице. Однако в случае нуклида углерод-12: A = A _r = 12 (точно).

Пример 2.1. Укажите число элементарных частиц в атоме нуклида ⁶⁵Cu.

Решение.

$\sum^{} N (p, n, e) = N (p) + N (n) + N (e) = Z + (A - Z) + Z =$

$= 29 + (65 - 29) + 29 = 94$ .

Ответ: 94.

Пример 2.2. Рассчитайте число нейтронов в составе нуклида ⁵⁶Fe.

Решение. Используем формулу (2.2), находим

N(n) = A − Z = 56 − 26 = 30.

Ответ: 30.

Пример 2.3. Суммарное число протонов, нейтронов и электронов в атоме равно 156, при этом число нейтронов на 12 больше, чем протонов. Установите элемент.

Решение.

$\sum^{} N (p + n + e) = N (p + n) + N (e) = A + N (e) = A + Z$ ,

A = N(p) + N(n) = Z + Z + 12.

Имеем

156 = Z + Z + 12 + Z,

откуда

Z = 48.

Это Cd — кадмий.

Ответ: кадмий.

Пример 2.4. Рассчитайте массовую долю нейтронов в нуклиде ⁶³Cu.

Решение. Воспользуемся формулой (2.1) и найдем число нейтронов в нуклиде ⁶³Cu:

N = A − Z, Z(Cu) = 29, N = 63 − 29 = 34.

Суммарная масса нейтронов

$\sum^{} m ({}_{0}^{1}n) = m ({}_{0}^{1}n) \cdot N = 1 u \cdot 34 = 34 u$ .

Масса нуклида ⁶³Cu

$m (^{63} Cu) = A (^{63} Cu) u = 63 u$ .

Находим массовую долю нейтронов:

$w ({}_{0}^{1}n) = \frac{\sum^{} m ({}_{0}^{1}n)}{m (^{63} Cu)} = \frac{34 u}{63 u} = 0,54 (54 %)$ .

Ответ: 54 %.

Большинство элементов в природе представлены несколькими нуклидами, которые в этом случае имеют различные массовые числа (различное число нейтронов в ядре). Совокупность (плеяда) этих нуклидов называется изотопами.

Изотопы — нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер (протонное число), но различные массовые (нуклонные) числа.

Иными словами, изотопы — разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов (одинаковое протонное число) и электронов, но разное число нейтронов в ядре (различное массовое число).

С учетом существования изотопов можно сказать, что химический элемент — это совокупность всех нуклидов с одинаковым протонным числом (зарядом ядра).

Изотопы могут быть природными или же полученными в результате ядерных реакций.

Изотопно-чистыми и изотопно-смешанными называют элементы, представленные в природе соответственно только одним или несколькими различными нуклидами. Примеры изотопно-чистых элементов: алюминий (²⁷Al), натрий (²³Na), фтор (¹⁹F). Изотопно-смешанными элементами являются водород, кислород, олово (природное олово состоит из 12 изотопов). Для изотопно-смешанных элементов значение A _r определяют с учетом мольной доли χ каждого из изотопов:

$A_{r} (Э) = A_{r (1)} χ_{1} + A_{r (2)} χ_{2} + A_{r (3)} χ_{3} + ... + A_{r (n)} χ_{n}$ . (2.3)

Пример 2.5. Для элемента магния изотопный состав и мольные доли нуклидов следующие:

$^{24} Mg (χ_{1} = 78,70 %, A_{r (1)} = 23,98)$ ;

$^{25} Mg (χ_{2} = 10,13 %, A_{r (2)} = 24,99)$ ;

$^{26} Mg (χ_{3} = 11,17 %, A_{r (3)} = 25,98)$ .

Найти A _r(Mg).

Решение. Используем формулу (2.3). Имеем:

$A_{r} (Mg) = A_{r (1)} χ_{1} + A_{r (2)} χ_{2} + A_{r (3)} χ_{3}$ ,

$A_{r} (Mg) = 23,98 \cdot 0,7870 + 24,99 \cdot 0,1013 + 25,98 \cdot 0,1117 = 24,31$ .

Ответ: A _r(Mg) = 24,31.

Значение относительных атомных масс элементов рассчитывается с использованием A _r (но не A!) и мольных (не массовых!) долей отдельных нуклидов

Для кислорода известны нуклиды с массовыми числами 16, 17 и 18, а водород в природе представлен тремя нуклидами (рис. 2.1): протий ( ${}_{1}^{1}H$ ), дейтерий ( ${}_{1}^{2}H$ или D) и тритий ( ${}_{1}^{3}H$ или Т). Каждый из нуклидов водорода состоит из одного протона и одного электрона; в ядре протия нейтронов нет, а в ядрах дейтерия и трития их число равно соответственно один и два. В природе преобладают нуклиды ${}_{1}^{1}H$ , меньше всего нуклидов ${}_{1}^{3}H$ .

Рис. 2.1. Строение нуклидов водорода:

а — протия (

{}_{1}^{1}H

); б — дейтерия (

{}_{1}^{2}H

); в — трития (

{}_{1}^{3}H

)

Изотопы занимают одну клетку в периодической системе, их свойства очень похожи (исключение — сильно различающиеся по массе изотопы водорода).

Химия