Ізотопи і нукліди

Кожен атом має ядро, яке складається з протонів і нейтронів. Число протонів у ядрі називають протонним числом (Z), а суму протонів і нейтронів — нуклонним числом (A). Саме ці два числа однозначно визначають конкретний різновид атомів, який називають нуклідом.

Нуклід — це будь-який атом із заданими значеннями Z і A. Записують нуклід так: ліворуч угорі ставлять нуклонне число A, ліворуч унизу — протонне число Z, а праворуч — символ елемента. Наприклад, ¹²C означає атом Карбону з 6 протонами та 6 нейтронами (12 − 6 = 6).

Що таке ізотопи?

Ізотопи — це нукліди одного й того самого хімічного елемента, які мають однакове число протонів (Z), але різне число нейтронів (N), а отже, й різне нуклонне число (A). Назва походить від грецьких слів «і́сос» (однаковий) і «то́пос» (місце) — ізотопи займають те саме місце в періодичній системі.

Оскільки Z не змінюється, а A = Z + N, то зміна числа нейтронів N веде до зміни A. Наприклад, у Карбону є три природні ізотопи:

Усі три нукліди мають Z = 6, тому вони належать Карбону. Різниця лише в числі нейтронів: 6, 7 або 8.

Інший яскравий приклад — ізотопи Гідрогену:

Зверни увагу: навіть найлегший ізотоп Гідрогену — протій — має ядро з одного протона й жодного нейтрона. Дейтерій містить один нейтрон, тритій — два.

Властивості ізотопів

Хімічні властивості ізотопів одного елемента дуже близькі, адже вони визначаються будовою електронної оболонки нейтрального атома, а вона залежить від Z, а не від N. Тому ¹²C, ¹³C і ¹⁴C утворюють ті самі хімічні сполуки й реагують подібно.

Однак маси атомів і ядерні властивості (наприклад, радіоактивність) відрізняються. ¹⁴C є радіоактивним і використовується для датування, тоді як ¹²C і ¹³C стабільні. Тому не варто стверджувати, що всі властивості ізотопів абсолютно тотожні.

У завданнях на тему «Будова атомів і простих йонів» можуть запропонувати вибрати пару ізотопів серед кількох варіантів. Щоб не помилитися, важливо чітко розуміти, які нукліди не є ізотопами, хоч і мають зовнішню схожість.

Однакове нуклонне число — це не ізотопи

Розглянь пару ⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca. Обидва нукліди мають нуклонне число A = 40, але:

• ⁴⁰Ar: Z = 18 (Аргон)

• ⁴⁰Ca: Z = 20 (Кальцій)

Число протонів різне, тому це нукліди різних хімічних елементів. Вони не можуть бути ізотопами, адже ізотопи обов'язково належать одному елементу. Запам'ятай: однакового масового числа недостатньо для того, щоб уважати нукліди ізотопами. Такі нукліди з однаковим A, але різним Z називають ізобарами.

Заряд йона — це не новий ізотоп

Ще одна поширена пастка — плутанина між ізотопами та йонами. Розглянь ²³Na (нейтральний атом Натрію) і ²³Na⁺ (катіон Натрію). У них:

• однакове ядро: Z = 11, A = 23, отже, N = 12

• різне число електронів: у ²³Na — 11 e⁻, у ²³Na⁺ — 10 e⁻

Оскільки ядро не змінилося, це той самий нуклід. Йонізація — втрата або приєднання електронів — не перетворює атом на інший ізотоп. Ізотопія стосується лише складу ядра.

Різні елементи — ніяк не ізотопи

Пара ¹⁴C і ¹⁴N: обидва мають A = 14, але ¹⁴C має Z = 6, а ¹⁴N має Z = 7. Це різні хімічні елементи, тому вони не можуть утворювати пару ізотопів.

Алгоритм перевірки

Щоб упевнитися, чи є два нукліди ізотопами, дотримуйся такого алгоритму:

1. Порівняй протонні числа (Z). Якщо Z різні — це різні елементи, не ізотопи.

2. Якщо Z однакові, порівняй нуклонні числа (A). Якщо A різні — це ізотопи.

3. Якщо й Z, і A однакові — це той самий нуклід, а не два різні ізотопи.

За цією логікою, різниця чисел нейтронів дорівнює різниці нуклонних чисел тільки за однакового Z. Якщо Z різне, то різницю чисел нейтронів обчислюють окремо для кожного нукліда, але для ізотопів це зводиться до ΔN = ΔA.

Якщо ти подивишся на Періодичну систему, то помітиш, що відносні атомні маси (Ar) більшості елементів є дробовими числами. Чому так, якщо кожен окремий атом має ціле число нуклонів?

Відносна атомна маса — це середнє значення

Ar елемента, наведена в Періодичній системі, — це не маса якогось одного атома, а середня зважена відносна маса всіх його природних ізотопів з урахуванням їхньої поширеності в природі. Жоден атом Хлору не має 18,5 нейтрона (35,5 − 17) — дробовим є саме середнє, а не склад ядра.

Приклад: Хлор

Хлор існує в природі як суміш двох стабільних ізотопів:

• ³⁵Cl — відносна маса приблизно 35, поширеність близько 75 %

• ³⁷Cl — відносна маса приблизно 37, поширеність близько 25 %

Тоді середню відносну атомну масу обчислюють за формулою:

Ar(Cl) ≈ 0,75 · 35 + 0,25 · 37 = 26,25 + 9,25 = 35,5

Отримане число 35,5 і є відносною атомною масою Хлору, яку ти бачиш у Періодичній системі. Зверни увагу: це навчальна спрощена модель — реальні частки й точні маси ізотопів трохи інші, але принцип той самий.

Де лежить Ar?

Відносна атомна маса елемента завжди лежить між найменшою й найбільшою відносними масами його ізотопів. У моделі з двома ізотопами Ar ближче до маси того ізотопу, який поширеніший. У випадку Хлору Ar = 35,5 ближче до 35, ніж до 37, тому що ³⁵Cl трапляється втричі частіше.

Важливо для НМТ

У розрахункових задачах НМТ тобі можуть дати значення Ar з Періодичної системи. Використовуй його як звичайне число — округлюй відповідно до інструкції завдання. Але ніколи не підмінюй Ar замість A (нуклонного числа) конкретного нукліда. Наприклад, у ³⁵Cl нуклонне число дорівнює 35, а не 35,5. Плутати Ar (середнє для елемента) і A (число нуклонів конкретного нукліда) — груба помилка.

Приклад 1. Визначення пари ізотопів

Завдання. Яка пара нуклідів є ізотопами?

• А: ⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca

• Б: ²³Na і ²³Na⁺

• В: ²⁴Mg і ²⁶Mg

• Г: ¹⁴C і ¹⁴N

Розв'язання. За алгоритмом спочатку порівнюємо протонні числа Z:

• А: ⁴⁰Ar (Z = 18) і ⁴⁰Ca (Z = 20) — Z різні, це різні елементи, не ізотопи.

• Б: ²³Na (Z = 11) і ²³Na⁺ (Z = 11) — Z однакові, але це той самий нуклід, заряд йона не змінює ядра.

• В: ²⁴Mg (Z = 12) і ²⁶Mg (Z = 12) — Z однакові, A різні (24 і 26), отже, це ізотопи Магнію.

• Г: ¹⁴C (Z = 6) і ¹⁴N (Z = 7) — Z різні, це різні елементи.

Відповідь: В (²⁴Mg і ²⁶Mg).

Чому інші варіанти неправильні?

• Варіант А (⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca) — спокусливий, бо A однакове. Але ізотопи мають однакове Z, а тут Z різне. Це ізобари, не ізотопи.

• Варіант Б (²³Na і ²³Na⁺) — багато хто плутає йон з ізотопом. Але зміна числа електронів не впливає на ядро, тому це один і той самий нуклід.

• Варіант Г (¹⁴C і ¹⁴N) — знову однакове A, але різні Z: C (6 протонів) і N (7 протонів).

Приклад 2. Різниця числа нейтронів

Завдання. На скільки відрізняється число нейтронів у нуклідах ²⁹Si та ³⁰Si?

• А: 1

• Б: 14

• В: 15

• Г: 29

Розв'язання. Обидва нукліди належать Силіцію (Z = 14). Обчислимо число нейтронів у кожному:

• ²⁹Si: N = A − Z = 29 − 14 = 15 нейтронів.

• ³⁰Si: N = A − Z = 30 − 14 = 16 нейтронів.

Різниця: 16 − 15 = 1. Оскільки Z однаковий, різниця нейтронів дорівнює різниці нуклонних чисел: 30 − 29 = 1.

Відповідь: А (1).

Чому інші варіанти неправильні?

• Варіант Б (14) — це значення Z (протонне число Силіцію), а не різниця нейтронів.

• Варіант В (15) — це число нейтронів лише в ²⁹Si, а не різниця.

• Варіант Г (29) — одне з нуклонних чисел, узяте без розрахунку.

Приклад 3. Обчислення відносної атомної маси

Завдання. Уявний елемент X існує у вигляді суміші двох ізотопів: 60 % атомів мають відносну масу 10, а 40 % — відносну масу 11. Визнач відносну атомну масу елемента X.

• А: 10,5

• Б: 10,4

• В: 10,6

• Г: 21

Розв'язання. Відносна атомна маса — це середнє зважене значення. Частки подано у відсотках: 60 % = 0,6; 40 % = 0,4.

Ar(X) = 0,6 · 10 + 0,4 · 11 = 6,0 + 4,4 = 10,4

Відповідь: Б (10,4).

Чому інші варіанти неправильні?

• Варіант А (10,5) — це просте середнє арифметичне (10 + 11) : 2 = 10,5, без урахування різної поширеності ізотопів.

• Варіант В (10,6) — помилка в розрахунку: можливо, переплутано частки (0,4 · 10 + 0,6 · 11 = 10,6).

• Варіант Г (21) — це сума мас обох ізотопів (10 + 11), що не має фізичного змісту для середнього.

Розгляньмо поширені помилки в завданнях на тему ізотопів і нуклідів.

• Вважати ізотопами будь-які нукліди з однаковим A. Типова пастка — пари на кшталт ⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca або ¹⁴C і ¹⁴N. Однакове нуклонне число A не робить нукліди ізотопами. Ізотопи обов'язково мають однакове протонне число Z. Якщо Z різне — це різні елементи. Правильно: спочатку завжди порівнюй Z, а потім A.

• Приписувати одному атому дробове число нейтронів. Побачивши Ar(Cl) = 35,5, дехто думає, що існує атом Хлору з 18,5 нейтрона (35,5 − 17). Це неможливо: нейтрони бувають лише цілою кількістю. Дробовим є середнє зважене значення для суміші ізотопів, а не склад ядра конкретного атома.

• Усереднювати маси без урахування поширеності. Якщо просто взяти (10 + 11) : 2 = 10,5 — це помилка. Потрібно множити масу кожного ізотопу на його частку (у частках одиниці) і додавати результати. Частки у відсотках спочатку перетворюють на десяткові дроби (60 % = 0,6).

• Вважати йон іншим ізотопом через заряд. ²³Na і ²³Na⁺ — це один і той самий нуклід, бо ядро не змінилося. Йонізація змінює лише число електронів, а ізотопія стосується виключно складу ядра. Завжди перевіряй, чи змінилося число протонів або нейтронів.

Тема «Ізотопи і нукліди» належить до теми 1.3 програми НМТ з хімії («Будова атомів і простих йонів»). Вона також пов'язана з темою 1.1, де вводять поняття відносної атомної маси (Ar). Періодична система допомагає знайти протонне число Z елемента, що необхідно для визначення ізотопів.

Формат завдань

Цю тему можуть перевіряти завдання з вибором однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18). Кожне таке завдання оцінюють у 0 або 1 бал.

Стратегія виконання

1. У парі нуклідів спочатку порівняй протонні числа (Z). Для цього скористайся Періодичною системою або знанням порядкового номера елемента.

2. Якщо Z однакові, порівняй нуклонні числа (A). Різні A за однакового Z означають, що це ізотопи.

3. Якщо в завданні питають про відносну атомну масу, перевір, чи лежить отримане число між найменшою й найбільшою масами ізотопів. Якщо ні — у розрахунку помилка.

4. Пам'ятай: Ar — це середнє зважене, а не маса конкретного нукліда. Не плутай Ar з A.

Що перевіряють

У завданнях можуть перевіряти:

• уміння розрізняти нукліди й ізотопи за Z та A;

• здатність обчислювати число нейтронів за формулою N = A − Z;

• розуміння, чому Ar є дробовим.

Обчислення Ar за ізотопним складом і поняття «ізобари» програма НМТ прямо не називає: це тренувальні вміння, які допомагають глибше зрозуміти тему.

• Нуклід визначають два числа: протонне число Z (число протонів) і нуклонне число A (сума протонів і нейтронів).

• Ізотопи — це нукліди одного хімічного елемента з однаковим Z, але різним числом нейтронів N, а отже, й різним A.

• Йонізація (втрата або приєднання електронів) змінює лише електронну оболонку, а не ядро, тому не створює нового ізотопу.

• Відносна атомна маса Ar — це середнє зважене значення відносних мас усіх природних ізотопів елемента з урахуванням їхньої поширеності. Саме тому Ar часто є дробовим.

• Не плутай Ar (середнє для елемента) з A (нуклонне число конкретного нукліда) — це різні величини.