Ізотопи і нукліди
~15 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Ізотопи — нукліди одного елемента з різною кількістю нейтронів. Саме через ізотопний склад відносна атомна маса елемента є дробовою.
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:
Нуклід | Z | N (нейтронів) | A |
|---|---|---|---|
¹²C | 6 | 6 | 12 |
¹³C | 6 | 7 | 13 |
¹⁴C | 6 | 8 | 14 |
Усі три нукліди мають Z = 6, тому вони належать Карбону. Різниця лише в числі нейтронів: 6, 7 або 8.
Інший яскравий приклад — ізотопи Гідрогену:
Нуклід | Z | N (нейтронів) | A |
|---|---|---|---|
¹H (протій) | 1 | 0 | 1 |
²H (дейтерій) | 1 | 1 | 2 |
³H (тритій) | 1 | 2 | 3 |
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:
Порівняй протонні числа (Z). Якщо Z різні — це різні елементи, не ізотопи.
Якщо Z однакові, порівняй нуклонні числа (A). Якщо A різні — це ізотопи.
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
У парі нуклідів спочатку порівняй протонні числа (Z). Для цього скористайся Періодичною системою або знанням порядкового номера елемента.
Якщо Z однакові, порівняй нуклонні числа (A). Різні A за однакового Z означають, що це ізотопи.
Якщо в завданні питають про відносну атомну масу, перевір, чи лежить отримане число між найменшою й найбільшою масами ізотопів. Якщо ні — у розрахунку помилка.
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.
Чи є ⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca ізотопами?
Ні, ⁴⁰Ar і ⁴⁰Ca не є ізотопами. Вони мають однакове нуклонне число A = 40, але різні протонні числа: в Аргону Z = 18, а в Кальцію Z = 20. Ізотопи обов'язково належать одному хімічному елементу, тобто мають однакове Z. Нукліди з однаковим A, але різним Z називають ізобарами.
Чому Ar Хлору близьке до 35,5?
Відносна атомна маса Хлору дорівнює приблизно 35,5, тому що природний Хлор складається з суміші двох ізотопів: ³⁵Cl (поширеність близько 75 %) і ³⁷Cl (поширеність близько 25 %). Середнє зважене значення обчислюють як 0,75 · 35 + 0,25 · 37 = 35,5. Оскільки легшого ізотопу ³⁵Cl утричі більше, середнє значення ближче до 35, ніж до 37.
Чи означає дробове Ar половину нейтрона?
Ні, дробове Ar не означає, що в атомі є половина нейтрона. Кількість нейтронів у ядрі будь-якого атома завжди є цілим числом. Дробовим є середнє зважене значення відносних мас усіх природних ізотопів елемента, а не склад ядра конкретного атома. Наприклад, Ar(Cl) = 35,5 — це середнє для суміші ³⁵Cl і ³⁷Cl, а не маса окремого атома.
Чи перетворюється атом на інший ізотоп після втрати електрона?
Ні, втрата або приєднання електрона не змінює ізотоп. Ізотопія визначається складом ядра — числом протонів і нейтронів. Коли атом втрачає електрон, він перетворюється на йон (позитивно заряджену частинку), але ядро залишається незмінним. Наприклад, ²³Na і ²³Na⁺ — це один і той самий нуклід Натрію, просто в різному зарядженому стані.
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.