Ізотопи

Ізотопи — атоми одного елемента з однаковою кількістю протонів Z, але різною кількістю нейтронів. Тому їхня хімічна ідентичність однакова, а маса та ядерна стабільність можуть відрізнятися. Поняття ізотопів поєднує будову атома з мас-спектрометрією, геохімією, медициною та радіоізотопним датуванням.

Ключове співвідношення: m̄ = Σ mᵢxᵢ · A = Z + N

Наочна модель

¹²C¹³CZ = 6N: 6 → 7Схема є концептуальною моделлю, а не рисунком у реальному масштабі.

Інтерактивна модель

Нуклід та ізотопний запис

Нуклід можна записати як ᴬZX. Z задає число протонів і елемент, а A = Z + N — масове число. У ядрі ³⁷Cl містяться 17 протонів і 20 нейтронів. Оскільки символ Cl уже визначає Z, часто достатньо запису ³⁷Cl або «хлор-37».

Нуклід — конкретний вид ядра. ¹²C і ¹³C — два нукліди й водночас ізотопи один одного, бо належать одному елементу. Нукліди з однаковим A, але різним Z, не є ізотопами один одного.

Хімія подібна, але не цілком однакова

Нейтральні ізотопи одного елемента мають однакове число електронів і зазвичай ту саму основну електронну конфігурацію. Тому їхні хімічні властивості дуже подібні, і в періодичній таблиці для кожного ізотопу не виділяють окрему клітинку.

Різниця мас усе ж впливає на коливальні частоти, дифузію та деякі швидкості реакцій. Для водню й дейтерію відносна різниця мас особливо велика, тому кінетичний ізотопний ефект може бути помітним.

Масове число не дорівнює точній ізотопній масі

A — ціла сума протонів і нейтронів. Реальна маса ізотопу в атомних одиницях маси зазвичай не дорівнює точно A через маси частинок та дефект маси, пов’язаний з енергією зв’язку ядра.

Значення атомної маси в періодичній таблиці зазвичай є зваженим середнім для природних ізотопів. Наприклад, близько 35,45 для хлору не означає існування окремого атома з 35,45 нуклона.

Зважене середнє та мас-спектрометрія

Якщо ізотоп має масу mᵢ і частку xᵢ, середня маса дорівнює m̄ = Σmᵢxᵢ за умови Σxᵢ = 1. Просте арифметичне середнє є неправильним, якщо природні частки ізотопів неоднакові.

Мас-спектрометр йонізує частинки та розділяє їх за відношенням маси до заряду m/z. Положення піків пов’язане з масами ізотопів, а інтенсивності після належного калібрування допомагають визначити відносний вміст.

Стабільність і застосування

Одні нукліди стабільні, інші радіоактивні. Стабільність залежить від співвідношення протонів і нейтронів, оболонкової структури ядра та енергії зв’язку; універсального правила «більше нейтронів — стабільніше» не існує.

Співвідношення стабільних ізотопів можуть змінюватися під час фізичних і хімічних процесів та служити природними мітками. Радіоактивні ізотопи застосовують для датування, медичної діагностики й терапії та як трасери.

Вправи

Хлор-37

Скільки нейтронів у ³⁷Cl при Z = 17?

Розв’язання: N = 37 − 17 = 20.

Суміш ізотопів

75% зразка має масу 10 u, 25% — 11 u. Знайдіть середню масу.

Розв’язання: m̄ = 10·0,75 + 11·0,25 = 10,25 u.

Ізотопи?

Чи є ¹⁴C і ¹⁴N ізотопами один одного?

Розв’язання: Ні. Їхнє A однакове, але Z різне, тому це різні елементи.