Przeczytaj

Atomy tego samego pierwiastka mogą mieć różną liczbę neutronów w swoim jądrze. Na przykład istnieją stabilne atomy helu, które zawierają jeden lub dwa neutrony, ale oba atomy mają po dwa protony. Te różne typy atomów helu mają różne masy (trzy lub cztery jednostki masy atomowej) i nazywane są izotopamiizotopyizotopami. Dla każdego danego izotopu suma liczb protonów i neutronów w jądrze nazywana jest liczbą masową.

RN0AIKn5gmW49

bg‑red

Izotop

Słowo „izotop” pochodzi od greckiego isos (co oznacza ‘takie samo’) i topes (co oznacza ‘miejsce’), ponieważ elementy mogą zajmować to samo miejsce w układzie okresowym, a jednocześnie różnić się budową. Izotopy mają identyczną liczbę atomową, dlatego pozostają odmianami jednego pierwiastka. W niewielkim stopniu różnią się od siebie właściwościami fizykochemicznymi. Im większa jest różnica między masami atomowymi izotopów, tym bardziej mogą się one różnić właściwościami. Izotopy jednego pierwiastka mogą mieć odmienną temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji, a także inną gęstość. Izotopy naturalnie występujące w przyrodzie są w większości trwałe, rzadko kiedy biorą udział w przemianach promieniotwórczych. Występują one w postaci mieszaniny izotopów o stałym składzie izotopowym.

Ważne!

Masa atomowa pierwiastka jest średnią masą atomową, która wynika z procentowej zawartości izotopów tworzących dany pierwiastek. Możemy ją obliczyć według wzoru:

m_{a} = \frac{% m_{1} \cdot A_{1} + % m_{2} \cdot A_{2} + \dots}{100 %}

Gdzie:

$m_{a}$ – masa atomowa pierwiastka;
$A_{1}$ , $A_{2}$ , $\dots$ – masy atomowe poszczególnych izotopów;
$% m_{1}$ , $% m_{2}$ , $\dots$ – procentowe zawartości poszczególnych izotopów.

Obliczanie masy atomowej pierwiastka na podstawie jego składu izotopowego

Polecenie 1

Oblicz masę atomową bromu naturalnego, wiedząc, że zawiera on $50,6 %$ izotopu ${}^{79}{Br}$ o masie atomowej $78,9183 u$ i $49,4 %$ izotopu ${}^{81}{Br}$ o masie atomowej $80,9163 u$ .

RKDAOlTvocxv2

ROkTGwlsCppmn

W przypadku bromu, będącego mieszaniną dwóch izotopów, masę atomową obliczamy w postaci średniej ważonej. Uwzględniamy więc procentowy udział poszczególnych izotopów:

m_{a} = \frac{% m_{1} \cdot A_{1} + % m_{2} \cdot A_{2} + \dots}{100 %}

m_{a} = \frac{78,9183 u \cdot 50,6 % + 80,9163 u \cdot 49,4 %}{100 %}

m_{a} = 79,9053 u

Masa atomowa bromu naturalnego wynosi $79,9053 u$ .

bg‑red

Izotopy wodoru

RcfGTdr0tPa2J1

${}^{1}H$ (protprotprot) to ponad $99,98 %$ wszystkich atomów wodoru. Jądro tego izotopu zawiera jedynie proton. ${}^{2}H$ (deuterdeuterdeuter) to drugi stabilny izotop tego pierwiastka, który zawiera w jądrze proton i neutron. Na Ziemi jest go około $0,0026$ – $0,0184 %$ . Izotop ten nie jest radioaktywny ani toksyczny. ${}^{3}H$ (tryttryttryt) ma w jądrze proton i dwa neutrony. Jest to radioaktywny izotop, który rozpada się na jądro helu– $3$ , elektron oraz antyneutrino, przez przemianę beta minus. Na Ziemi występują niewielkie ilości trytu z powodu oddziaływania promieniowania kosmicznego z gazami atmosferycznymi. ${}^{3}H$ jest również produktem reakcji nuklearnych.

bg‑red

Ciężka woda

R1WYxr1TEA4SQ1

Schemat przedstawia wzór strukturalny ciężkiej wody. Pomiędzy atomem tlenu oraz dwoma atomami oznaczonymi literą D, zlokalizowanymi symetrycznie po lewej i prawej stronie na dole, są wiązania pojedyncze. — Wzór strukturalny ciężkiej wody
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W przeciwieństwie do zwykłej „lekkiej” wody, zawierającej w swej cząsteczce dwa atomy protu, cząsteczka ciężkiej wody zawiera dwa atomy deuteru. Masa $D_{2} O$ wynosi $20 \frac{g}{mol}$ , a $H_{2} O$ $18 \frac{g}{mol}$ . Różnica w masie nie jest bardzo duża, ponieważ około $89 %$ masy cząsteczkowej wody pochodzi z pojedynczego atomu tlenu, a nie z dwóch atomów wodoru. Ciężka woda ( $D_{2} O$ ) nie jest radioaktywna. W swojej czystej postaci ma gęstość o około $11 %$ większą niż „lekka” woda, ale poza tym ma podobne właściwości fizycznie i chemicznie. Niemniej jednak różnice między deuterem (zwłaszcza wpływające na właściwości biologiczne) a protem są większe, niż w jakichkolwiek innych powszechnie występujących izotopach. Deuter jest wyjątkowy wśród stabilnych izotopów, ponieważ jest dwukrotnie cięższy niż najlżejszy izotop. Ta różnica zwiększa siłę wiązań $H—O$ wody, a to z kolei prowadzi do wystąpienia różnic ważnych dla niektórych reakcji biochemicznych. Ludzkie ciało naturalnie zawiera deuter w ilości odpowiadającej około pięciu gramom ciężkiej wody, która jest nieszkodliwa. Gdy duża część wody ( $> 50 %$ ) w organizmach zostaje zastąpiona przez ciężką wodę, wynikiem jest dysfunkcja komórek i śmierć.

Obliczenia składu izotopowego pierwiastka

Polecenie 2

Korzystając z powyższego wzoru, obliczymy zawartość procentową dwóch izotopów chloru. Wiemy, że chlor ma dwa izotopy: ${}^{35}{Cl}$ i ${}^{37}{Cl}$ . Znamy również masę atomową chloru, która wynosi $35,5 u$ . Masa ta bliższa jest wartości masy izotopu ${}^{35}{Cl}$ . Przyczyną jest znacznie większy udział tego izotopu w naturalnym chlorze, wynoszący ok. $75 %$ . Masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną mas atomowych jego izotopów oraz uwzględnia rozpowszechnienie izotopów pierwiastka. Załóż, że masa atomowa izotopów jest równa ich liczbie masowej. Czy wiesz, jak zapisać to równanie?

R1KH6AnKJEAHc

RnCq0NyB18FbI

Łączna zawartość procentowa obu izotopów wynosi $100 %$ . Jeśli zawartość izotopu $35$ oznaczymy jako $x$ , zawartość izotopu $37$ będzie wynosić ( $100 % - x$ ). Masa atomowa izotopu ${}^{35}{Cl}$ wynosi $35 u$ , natomiast izotopu ${}^{37}{Cl}$ wynosi $37 u$ .

35,5 u = \frac{35 u \cdot x + 37 u \cdot (100 % - x)}{100 %}

3550 % = 35 x + 3700 % - 37 x

- 2 x = 3550 % - 3700 %

x = 75 %

100 - x = 25 %

Zawartość procentowa izotopu ${}^{35}{Cl}$ wynosi $75 %$ , a izotopu ${}^{37}{Cl}$ wynosi $25 %$ .

bg‑red

Izotopy promieniotwórcze

Izotopy promieniotwórcze są nietrwałe oraz ulegają samorzutnej przemianie w inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka. Znalazły one szerokie zastosowanie w nauce, technice oraz medycynie.

Słownik

izotopy

nuklidy o tej samej liczbie atomowej $Z$ i różnych liczbach masowych $A$ (tj. o tej samej liczbie protonów i różnych liczbach neutronów)

defektoskopia

zespół metod nieniszczącego wykrywania wad materiałów (głównie metali i stopów), które dzięki temu mogą być stosowane w kontroli jakości półwyrobów lub wyrobów gotowych

nuklid

atom, którego jądro ma określony stan fizyczny i określony skład, tj. określoną liczbę protonów i neutronów

prot

najlżejszy izotop wodoru

deuter

wodór ciężki, $D$ , ${}^{2}H$ , trwały izotop wodoru o liczbie masowej $2$

tryt

$T$ lub ${}^{3}H$ , izotop wodoru o liczbie masowej $3$

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Encyklopedia PWN

Kushner D. J., Baker A., Dunstall T. G., Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds, „Can. J. Physiol. Pharmacol” 1999, t. 77, s. 79–88.

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy ósmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej; Mac edukacja 2020.

Miessler G. L., Tarr D. A., Inorganic Chemistry, Third Edition, New Jersey 2004.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Izotop

Obliczanie masy atomowej pierwiastka na podstawie jego składu izotopowego

Izotopy wodoru

Ciężka woda

Obliczenia składu izotopowego pierwiastka

Izotopy promieniotwórcze

Słownik

Bibliografia