§ 37. Ізотопи. Використання ізотопів

Ізотопи. У § 32 ми вже з’ясували, що кожний хімічний елемент має різновиди, які називаються ізотопами.

Ізотопи — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що близькі за своїми фізичними й однакові за хімічними властивостями.

Ізотопи певного хімічного елемента займають одну клітинку періодичної системи елементів Менделєєва. Ізотопи неможливо виявити хімічним способом (вони мають однакові хімічні властивості). Ядра атомів ізотопів містять однакову кількість протонів (Ζ), але різну кількість нейтронів (Ν). Саме тому ізотопи мають різну атомну масу.

Наразі відомі ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, Гідроген має три ізотопи:

Мал. 204. Ізотопи Карбону

Атомна маса природного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва є середньою атомною масою його ізотопів. Так, атомна маса Хлору 35,5 — середня маса двох його ізотопів з атомними масами 35 і 37.

Властивості й використання ізотопів. Ізотопи можуть бути стабільними та нестабільними (радіоактивними). Залежно від періоду піврозпаду, усі радіоактивні ізотопи прийнято поділяти на дві групи: короткотривалі (Т < 10 діб) і довготривалі (Т >10 діб). Як правило, у природних умовах трапляються тільки стабільні ізотопи, проте в природі можна виявити й деякі радіоактивні ізотопи, в основному ті, у яких період напіврозпаду перевищує вік Землі. Ці ізотопи не встигли розпастися за час існування нашої планети (наприклад: К-40, Th-232 або U-238). Нині відомо близько 270 стабільних ізотопів і більш як 2000 радіоактивних ізотопів 107 хімічних елементів.

Радіоактивні ізотопи широко застосовують у різних сферах наукової та практичної діяльності.

Найчастіше використовують так званий метод «мічених атомів». Додаючи в досліджуваний елемент радіоактивний ізотоп й уловлюючи надалі його випромінювання, ми можемо простежити шлях цього елемента в організмі, у хімічній реакції тощо.

У медицині метод «мічених атомів» використовують з метою діагностики та лікування деяких захворювань. Ізотопи вводять в організм людини в кількості, що не здатна заподіяти шкоду. Кров розподіляє ці ізотопи по всьому організму. Випромінювання, що виникають при розпаді ізотопу, реєструються спеціальними приладами, що розташовані поблизу тіла людини. У результаті можна отримати зображення потрібного внутрішнього органа (мал. 205, а). За цим зображенням можна зробити висновки про розміри й форму цього органа, про підвищену або знижену концентрацію ізотопу в різних його частинах. Можна також проаналізувати швидкість накопичення та виведення радіоізотопу певним внутрішнім органом і зробити висновки про його функціонування. Так, стан кровообігу в серці, швидкість крові, порожнини серця досліджують за допомогою речовин, що містять ізотопи Натрію, Йоду або Технецію; для дослідження легеневої вентиляції й виявлення захворювань спинного мозку застосовують ізотопи Технецію або Ксенону (мал. 205, б).

Мал. 205. Використання ізотопів у медицині: а — фіксація випромінювань від «мічених» ізотопів; б — ізотопи, що використовуються для дослідження внутрішніх органів людини

У фізіології й біохімії тварин і людини використання «міченої» їжі сприяло формуванню нових уявлень про швидкість всмоктування й поширення поживних речовин, а також допомогло проаналізувати вплив внутрішніх (різноманітні хвороби) і зовнішніх (голодування, задуха, перевтома і т. д.) чинників на обмін речовин.

Радіоактивні ізотопи використовують і в сільському господарстві. Опромінення насінин деяких рослин (бавовнику, капусти, редису та ін.) невеликими дозами гамма-променів від радіоактивних ізотопів приводить до помітного збільшення врожайності. Таким способом виведені продуктивні сорти пшениці, квасолі й інших культур, а також отримані високопродуктивні мікроорганізми, що використовуються у виробництві антибіотиків. Гамма-випромінювання радіоактивних ізотопів використовується для боротьби зі шкідливими комахами і для консервації харчових продуктів.

Використовуються «мічені атоми» і в агротехніці. Наприклад, щоб з’ясувати, яке з фосфорних добрив краще засвоюється рослинами, до різних сортів добрива додають однакову кількість радіоактивного фосфору, а потім досліджують рослини на радіоактивність.

Використання ізотопів у біології (мал. 206) привело до перегляду уявлень про те, як відбуваються фотосинтез і процеси засвоєння рослинами неорганічних речовин (карбонатів, нітратів, фосфатів та ін.). З’ясовано шляхи постачання рослин мінеральними речовинами, рідинами й газами, а також роль різних хімічних елементів у житті рослин. Показано, зокрема, що вуглець надходить у рослину не лише через листя, а й через кореневу систему. Установлено шляхи і швидкості переміщення деяких речовин з кореневої системи в стебло і листки, а також із листків через стебло до кореня.

За допомогою ізотопів вивчено переміщення популяцій у біосфері, а також окремих особин усередині популяції, отримано дані про чисельність популяцій, досліджені міграції мікробів і переміщення окремих речовин в організмі.

Мал. 206. Використання ізотопів у біології та археології

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Що таке ізотоп? Наведіть приклади ізотопів.
• 2. Назвіть властивості ізотопів. Які ізотопи називають стабільними, а які — радіоактивними?
• 3. Які наукові й практичні проблеми вдалося вирішити, застосувавши ізотопи?

Що таке ізотопи

При вивченні властивостей радіоактивних елементів було виявлено, що у одного і того ж хімічного елемента можна зустріти атоми з різною масою ядра. Заряд ядра при цьому вони мають однаковий, тобто це не домішки сторонніх речовин, а те ж саме речовина.

Що таке і чому існують ізотопи
У періодичній системі Менделєєва і даний елемент, і атоми речовини з відрізняється масою ядра займають одну клітку. Виходячи з вищезгаданого таких різновидів одного і того ж речовини було дано назву « ізотопи » (від грецького isos – однаковий і topos – місце). Отже, ізотопи – це різновиди даного хімічного елемента, що розрізняються за масою атомних ядер.

За прийнятою нейтронно- протонної моделі ядра пояснити існування ізотопів вдалося таким чином: ядра деяких атомів речовини містять різну кількість нейтронів, але однакову кількість протонів. Справді, заряд ядра ізотопів одного елемента однаковий, отже, кількість протонів в ядрі однаково. Ядра розрізняються за масою, відповідно, вони містять різну кількість нейтронів.

Стабільні і нестабільні ізотопи
Ізотопи бувають стабільними і нестабільними. На сьогоднішній день відомо близько 270 стабільних ізотопів і більше 2000 нестабільних. Стабільні ізотопи – це різновиди хімічних елементів, які можуть самостійно існувати тривалий час.

Велика частина нестабільних ізотопів була отримана штучним шляхом. Нестабільні ізотопи радіоактивні, їх ядра схильні до процесу радіоактивного розпаду, тобто мимовільного перетворенню в інші ядра, що супроводжується випусканням частинок і/або випромінювань. Практично всі радіоактивні штучні ізотопи мають дуже маленькі періоди напіврозпаду, вимірювані секундами і навіть частками секунд.

Скільки ізотопів може містити ядро
Ядро не може містити довільну кількість нейтронів. Відповідно, кількість ізотопів обмежено. У парних за кількістю протонів елементів кількість стабільних ізотопів може досягати десяти. Наприклад, олово має 10 ізотопів, ксенон – 9, ртуть – 7 і так далі.

Ті елементи, кількість протонів яких непарній, можуть мати лише по два стабільні ізотопи. У ряду елементів є тільки один стабільний ізотоп. Це такі речовини як золото, алюміній, фосфор, натрій, марганець та інші. Такі варіації за кількістю стабільних ізотопів у різних елементів пов’язано зі складною залежністю числа протонів і нейтронів від енергії зв’язку ядра.

Практично всі речовини в природі існують у вигляді суміші ізотопів. Кількість ізотопів у складі речовини залежить від виду речовини, атомної маси і кількості стабільних ізотопів даного хімічного елемента.

Визначення ізотопів і приклади в хімії

Йод 131 (I-131) – це радіоактивний ізотоп, який використовується для лікування гіпертиреозу та зберігається в свинцевому ящику.

pangoasis / Getty Images

• Хімія
  • Хімічні закони
  • основи
  • Молекули
  • Періодична таблиця
  • Проекти та експерименти
  • Науковий метод
  • Біохімія
  • Фізична хімія
  • Медична хімія
  • Хімія в повсякденному житті
  • Відомі хіміки
  • Діяльність для дітей
  • Скорочення та акроніми

  Ізотопи [ ahy -s uh -tohps] — це атоми з однаковою кількістю протонів , але різною кількістю нейтронів . Іншими словами, ізотопи мають різну атомну масу. Ізотопи — це різні форми одного елемента .

  Ключові висновки: ізотопи

  • Ізотопи — це зразки елемента з різною кількістю нейтронів в атомах.
  • Число протонів для різних ізотопів елемента не змінюється.
  • Не всі ізотопи радіоактивні. Стабільні ізотопи або ніколи не розпадаються, або розпадаються дуже повільно. Радіоактивні ізотопи піддаються розпаду.
  • Коли ізотоп розпадається, вихідним матеріалом є вихідний ізотоп. Отриманий матеріал є дочірнім ізотопом.

  Існує 250 ізотопів 90 елементів, що зустрічаються в природі, і більше 3200 радіоактивних ізотопів, деякі з яких є природними, а деякі синтетичними.   Кожен елемент у періодичній таблиці має кілька ізотопних форм. Хімічні властивості ізотопів одного елемента, як правило, майже ідентичні; винятком є ​​ізотопи водню, оскільки кількість нейтронів має такий значний вплив на розмір ядра водню.

  Фізичні властивості ізотопів відрізняються один від одного, оскільки ці властивості часто залежать від маси. Ця різниця може бути використана для відділення ізотопів елемента один від одного за допомогою фракційної дистиляції та дифузії.

  За винятком водню, найпоширеніші ізотопи природних елементів мають однакову кількість протонів і нейтронів. Найпоширенішим ізотопом водню є протий, який має один протон і не містить нейтронів.

  Ізотопне позначення

  Існує кілька поширених способів позначення ізотопів:

  • Укажіть масове число елемента після його назви або символу елемента. Наприклад, ізотоп із 6 протонами та 6 нейтронами — це вуглець-12 або С-12. Ізотоп з 6 протонами і 7 нейтронами – це вуглець-13 або С-16. Зверніть увагу, що масове число двох ізотопів може бути однаковим, навіть якщо це різні елементи. Наприклад, ви можете мати вуглець-14 і азот-14.
  • Масове число може бути вказане у верхній лівій частині символу елемента. (Технічно масове число й атомний номер мають бути розташовані в одній лінії, але на комп’ютері вони не завжди збігаються.) Наприклад, ізотопи водню можна записати так: 1 ₁ H, 2 ₁ H, 3 ₁ ч.

  Приклади ізотопів

  Вуглець 12 і вуглець 14 є ізотопами вуглецю , один з 6 нейтронами, а інший з 8 нейтронами (обидва з 6 протонами). Вуглець-12 — стабільний ізотоп, а вуглець-14 — радіоактивний ізотоп (радіоізотоп).

  Уран-235 і уран-238 зустрічаються в земній корі природним шляхом. Обидва мають тривалий період напіврозпаду. Уран-234 утворюється як продукт розпаду.

  Походження та історія ізотопного слова

  Термін «ізотоп» був введений британським хіміком Фредеріком Содді в 1913 році за рекомендацією Маргарет Тодд. Слово означає «має те саме місце» від грецьких слів isos «рівний» (iso-) + topos «місце». Ізотопи займають однакове місце в періодичній таблиці, навіть якщо ізотопи елемента мають різну атомну вагу.

  Споріднені слова

  Ізотоп (іменник), Ізотоп (прикметник), Ізотопно (прислівник), Ізотоп (іменник)

  Батьківські та дочірні ізотопи

  Коли радіоізотопи піддаються радіоактивному розпаду, початковий ізотоп може відрізнятися від отриманого ізотопу. Початковий ізотоп називається вихідним ізотопом, тоді як атоми, що утворюються в результаті реакції, називаються дочірніми ізотопами. У результаті може утворитися більше ніж один тип дочірнього ізотопу.

  Наприклад, коли U-238 розпадається на Th-234, атом урану є вихідним ізотопом, тоді як атом торію є дочірнім ізотопом.

  Примітка про стабільні радіоактивні ізотопи

  Більшість стабільних ізотопів не піддаються радіоактивному розпаду, але деякі піддаються. Якщо ізотоп піддається радіоактивному розпаду дуже і дуже повільно, його можна назвати стабільним. Прикладом є вісмут-209. Вісмут-209 — це стабільний радіоактивний ізотоп, який піддається альфа-розпаду, але має період напіврозпаду 1,9 x 10 19 років (що більш ніж у мільярд разів перевищує розрахунковий вік Всесвіту). Телур-128 піддається бета-розпаду з періодом напіврозпаду, який оцінюється в 7,7 x 10 24 роки.