Изотопы
Изотопы — атомы одного элемента с одинаковым числом протонов Z, но разным числом нейтронов. Поэтому их химическая идентичность одинакова, а масса и ядерная устойчивость могут различаться. Понятие изотопов связывает строение атома с масс-спектрометрией, геохимией, медициной и радиоизотопным датированием.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Нуклид и изотопная запись
Нуклид можно записать как ᴬZX. Z задаёт число протонов и элемент, а A = Z + N — массовое число. В ядре ³⁷Cl находятся 17 протонов и 20 нейтронов. Поскольку символ Cl уже определяет Z, часто достаточно записи ³⁷Cl или «хлор-37».
Нуклид — конкретный вид ядра. ¹²C и ¹³C — два нуклида и одновременно изотопы друг друга, потому что принадлежат одному элементу. Нуклиды с одинаковым A, но разным Z, изотопами друг друга не являются.
Химия похожа, но не полностью одинакова
Нейтральные изотопы одного элемента имеют одинаковое число электронов и обычно одну и ту же основную электронную конфигурацию. Поэтому их химические свойства очень близки, и в периодической таблице им не выделяют отдельные клетки.
Различие масс всё же влияет на колебательные частоты, диффузию и некоторые скорости реакций. Для водорода и дейтерия относительная разница масс особенно велика, поэтому кинетический изотопный эффект может быть заметным.
Массовое число не равно точной изотопной массе
A — целое число протонов и нейтронов. Реальная масса изотопа в атомных единицах массы обычно не равна точно A из-за масс частиц и дефекта массы, связанного с энергией связи ядра.
Значение атомной массы в периодической таблице обычно является взвешенным средним по природным изотопам. Например, около 35,45 для хлора не означает существование отдельного атома с 35,45 нуклона.
Взвешенное среднее и масс-спектрометрия
Если изотоп имеет массу mᵢ и долю xᵢ, средняя масса равна m̄ = Σmᵢxᵢ при Σxᵢ = 1. Простое арифметическое среднее неверно, если природные доли изотопов неодинаковы.
Масс-спектрометр ионизирует частицы и разделяет их по отношению массы к заряду m/z. Положение пиков связано с массами изотопов, а интенсивности после корректной калибровки помогают определить относительные содержания.
Устойчивость и применения
Одни нуклиды стабильны, другие радиоактивны. Устойчивость зависит от отношения протонов и нейтронов, оболочечной структуры ядра и энергии связи; простого универсального правила «больше нейтронов — устойчивее» не существует.
Соотношения стабильных изотопов могут изменяться при физических и химических процессах и служить природными метками. Радиоактивные изотопы применяют для датирования, медицинской диагностики и терапии, а также как трассеры.
Задачи
Хлор-37
Сколько нейтронов в ³⁷Cl при Z = 17?
Решение: N = 37 − 17 = 20.
Смесь изотопов
75% образца имеет массу 10 u, 25% — 11 u. Найдите среднюю массу.
Решение: m̄ = 10·0,75 + 11·0,25 = 10,25 u.
Изотопы?
Являются ли ¹⁴C и ¹⁴N изотопами друг друга?
Решение: Нет. Их A одинаково, но Z различно, поэтому это разные элементы.