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.
Наочна модель
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.