Ισότοπα
Τα ισότοπα είναι πυρηνικές μορφές του ίδιου στοιχείου: έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων Z αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων N. Η αλλαγή μεταβάλλει τη μάζα και συχνά τη σταθερότητα του πυρήνα, ενώ η ηλεκτρονιακή χημεία παραμένει σχεδόν ίδια.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Ταυτότητα και συμβολισμός
Ένα νουκλίδιο γράφεται ᴬZX. Το Z είναι ο αριθμός πρωτονίων και καθορίζει το στοιχείο, ενώ A = Z + N είναι ο μαζικός αριθμός. Στο ³⁷₁₇Cl υπάρχουν 17 πρωτόνια και 20 νετρόνια. Η γραφή ³⁷Cl ή «χλώριο-37» αρκεί συχνά επειδή το σύμβολο Cl ήδη καθορίζει Z = 17.
Ο όρος νουκλίδιο δηλώνει ένα συγκεκριμένο πυρηνικό είδος. Οι ¹²C και ¹³C είναι δύο νουκλίδια και τα ονομάζουμε ισότοπα όταν τονίζουμε ότι ανήκουν στο ίδιο στοιχείο. Δύο πυρήνες με ίδιο A αλλά διαφορετικό Z δεν είναι ισότοπα μεταξύ τους.
Χημεία και ισοτοπικό φαινόμενο
Τα ουδέτερα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων και σχεδόν ίδια ηλεκτρονιακή δομή, γι’ αυτό καταλαμβάνουν μία θέση στον περιοδικό πίνακα και συμμετέχουν στις ίδιες βασικές χημικές αντιδράσεις. Η ¹²CO₂ και η ¹³CO₂, για παράδειγμα, είναι χημικά πολύ όμοιες.
Η ομοιότητα δεν είναι απόλυτη. Η διαφορετική πυρηνική μάζα αλλάζει τις συχνότητες δόνησης και μπορεί να μεταβάλει λίγο ταχύτητες ή ισορροπίες αντιδράσεων. Το ισοτοπικό φαινόμενο είναι ιδιαίτερα έντονο για το υδρογόνο, επειδή η αντικατάσταση ¹H από δευτέριο σχεδόν διπλασιάζει την πυρηνική μάζα.
Σταθερότητα και φυσική αφθονία
Η ισχυρή αλληλεπίδραση δεσμεύει τα νουκλεόνια, ενώ τα πρωτόνια απωθούνται ηλεκτροστατικά. Καθώς αυξάνει το Z, η ευνοϊκή αναλογία νετρονίων προς πρωτόνια αλλάζει. Η πυρηνική δομή φλοιών, η σύζευξη και η συνολική ενέργεια δέσμευσης επηρεάζουν επίσης τη σταθερότητα.
Ασταθή νουκλίδια μπορούν να μετασχηματιστούν με βήτα ή άλφα διάσπαση. Η φυσική αφθονία ενός ισοτόπου είναι ποσοστό σε συγκεκριμένο δείγμα και δεν είναι πάντοτε μία παγκόσμια σταθερά. Εξάτμιση, συμπύκνωση, βιολογικές διεργασίες και σχηματισμός ορυκτών μπορούν να προκαλέσουν μικρή ισοτοπική κλασμάτωση.
Μέση ατομική μάζα και φασματομετρία μάζας
Για δύο ισότοπα η μέση μάζα είναι m̄ = m₁x₁ + m₂x₂, με x₁ + x₂ = 1. Είναι σταθμισμένος μέσος όρος πληθυσμού και όχι η μάζα ενός «μέσου» ατόμου. Αν το βαρύτερο ισότοπο εμπλουτιστεί, η μέση μάζα αυξάνεται χωρίς να αλλάζει η ταυτότητα του στοιχείου.
Η φασματομετρία μάζας διαχωρίζει ιόντα ως προς m/z. Οι θέσεις των κορυφών διακρίνουν ισότοπα και, μετά τις αναγκαίες διορθώσεις, οι σχετικές εντάσεις αποκαλύπτουν τις αναλογίες τους. Ισοτοπικά μοτίβα σε μόρια μπορούν επίσης να δείξουν την παρουσία στοιχείων όπως χλώριο ή βρώμιο.
Ισοτοπικοί λόγοι και εφαρμογές
Μικρές μεταβολές σε λόγους όπως ¹³C/¹²C μπορούν να αποθηκεύουν πληροφορία για την προέλευση και την ιστορία ενός δείγματος. Συχνά αναφέρονται ως δ = [(Rδείγματος/Rαναφοράς) − 1] × 1000 ‰, οπότε η επιλογή του προτύπου αναφοράς πρέπει πάντα να δηλώνεται.
Σταθερά ισότοπα χρησιμοποιούνται ως ιχνηθέτες σε αντιδράσεις, βιολογία και περιβάλλον. Ραδιοϊσότοπα χρησιμοποιούνται σε χρονολόγηση, απεικόνιση και θεραπεία όταν ο τρόπος διάσπασης, η ενέργεια, ο χρόνος ημιζωής και η χημική στόχευση είναι κατάλληλα. Μια ισοτοπική μέτρηση γίνεται αξιόπιστη μόνο όταν ελέγχονται οι αρχικές συνθήκες και πιθανή επιμόλυνση.
Ασκήσεις
Άσκηση 1
Για το ⁵⁸₂₆Fe βρείτε πρωτόνια και νετρόνια.
Λύση: Z = 26, άρα 26 πρωτόνια και N = 58 − 26 = 32 νετρόνια.
Άσκηση 2
Ισότοπα 10,0 u (20,0%) και 11,0 u (80,0%). Ποια είναι η μέση μάζα;
Λύση: 0,200×10,0 + 0,800×11,0 = 10,8 u.
Άσκηση 3
Γιατί ¹²C και ¹⁴C παραμένουν και τα δύο άνθρακας;
Λύση: Και τα δύο έχουν Z = 6. Διαφέρει μόνο ο αριθμός νετρονίων και συνεπώς ο μαζικός αριθμός και η πυρηνική σταθερότητα.