Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑azure

Reakcje chemiczne a reakcje jądrowe

Reakcje chemiczne zazwyczaj obejmują tworzenie lub rozkład różnych związków. Utworzenie cząsteczki produktu z cząsteczki substratu przebiega wówczas, gdy rozerwane jest przynajmniej jedno z wiązań chemicznych pomiędzy atomami substratów bądź zostaje utworzone przynajmniej jedno nowe wiązanie.

Podział reakcji chemicznych

RHV8TRbGeTsRa
reakcje proste Przykład:
  • reakcje rozpadu pojedynczych cząsteczek np. pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.
    Cl2 ghνCl·+Cl·
, reakcje złożone w chemii nieorganicznej Przykłady:
  • reakcja syntezy, np.:
    2 Nas+Cl2g2 NaCls
  • reakcja analizy (rozkładu), np.:
    ZnCO3sZnOs+CO2g
  • reakcja wymiany, np.:
    Cs+ZnOsCOg+Zng
  • reakcja wymiany podwójnej, np.:
    NaOHs+HClgNaCls+H2Oc
  • , reakcje złożone w chemii organicznej Przykłady:
    • reakcje addycji (przyłączania)
      Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka etenu dodać jedna cząsteczka chloru strzałka w prawo jedna cząsteczka dichloroetanu
      Schemat addycji chloru do etenu
      Licencja: domena publiczna, źródło: www.en.wikipedia.org/wiki/Addition_reaction
      ,
    • reakcja substytucji (podstawienia)
      Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka metanu dodać jedna cząsteczka chloru strzałka w prawo, nad strzałką promieniowanie hν, jedna cząsteczka chlorometanu dodać jedna cząsteczka chlorowodoru
      Schemat prostej reakcji substytucji metanu chlorem, zachodzącej wg mechanizmu substytucji
      Licencja: CC BY-SA 3.0, źródło: www.wikipedia.org/wiki/Substitution_reaction
      ;
    • reakcja eliminacji (oderwania)
      Na ilustracji jest równanie reakcji: jedna cząsteczka 2-bromopropanu strzałka w prawo jedna cząsteczka propenu. Równanie jest przedstawione za pomocą wzorów strukturalnych: trzy połączone ze sobą atomy węgla tworzą pierścień główny. Atom węgla po lewej i prawej stronie łączy się z trzema atomami wodoru. Środkowy atom węgla łączy się na dole z atomem wodoru, u góry z atomem bromu. Atom bromu zaznaczono na niebiesko. Atom wodoru, znajdujący się na dole atomu węgla, leżącego po prawej stronie, jest zaznaczony na zielono. Do tego atomu wodoru skierowana jest strzałka pod równaniem z zapisem atom tlenu (zaznaczony na czerwono), nad którym jest znak minus. Łączy się on z grupą etylową. Powstaje propen, którego wzór strukturalny składa się z połączonych ze sobą trzech atomów węgla. Pomiędzy środkowym a leżącym po prawej stronie atomem jest wiązanie podwójne. Atom węgla po lewej stronie łączy się z trzema atomami wodoru, środkowy atom węgla na dole z jednym atomem wodoru, a atom węgla po prawej stronie łączy się z dwoma atomami wodoru – na górze i po prawej stronie.
      Reakcja eliminacji cząsteczki HBr2-bromopropanu
      Licencja: CC BY-NC-SA 3.0, źródło: www.chem.libretexts.org
      .
Podział reakcji chemicznych
Źródło: na podstawie: https://pl.wikipedia.org/wiki/Reakcja_chemiczna, dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.org/wiki/Reakcja_chemiczna.

Istnieje również inna klasa reakcji. Obejmują one zmiany zachodzące w jądrze atomowymjądro atomowejądrze atomowym i są nazywane przemianami jądrowymiprzemiana jądrowaprzemianami jądrowymi. Opisuje się je za pomocą równań, z tą różnicą, że rozpady promieniotwórcze są procesami fizycznymi, a nie reakcjami chemicznymi.

Podział przemian jądrowych

Rxinai1Ecu82W
naturalne
  • przemiana α (alfa), np.:
    Am95241Np93237+α
  • przemiana β-, np.:
    Th90234Pa91234+β-+νe-
  • przemiana β+, np.:
    O815N715+β++νe
  • , sztuczne (zwane również reakcjami jądrowymi) Opisywane są za pomocą uproszczonego schematu:
    X+aY+b,
    gdzie:
    X – jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza;
    a – cząstka bombardująca;
    Y – jądro powstałe w czasie reakcji;
    b – cząstka powstała w czasie reakcji.

    Przykłady:
    • rozszczepienie jądrowe (samorzutne)
      U92238 54140Xe+Sr3896+2 n01
      ;
    • rozszczepienie jądrowe (wymuszone)

      U92235+n01Kr3693+Ba56140+3 n01
      ;
    • fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa):
      reakcją termojądrową, będącą źródłem energii, jest reakcja syntezy ciężkich izotopów wodoru: deuteru i trytu:
      H12+H13 24He+n01.
    Źródło: na podstawie: www.pl.wikipedia.org/wiki/Reakcja_j%C4%85drowa#Wymuszone_reakcje_j%C4%85drowe.

    Równania reakcji jądrowych zapisujemy następująco: po lewej stronie równania znajdują się jądra pierwiastków i cząstki, które biorą udział w reakcji jako substraty, natomiast po stronie lewej produkty.

    Przykład:

    W tabeli poniżej zestawiono podstawowe cząstki oraz ich symbole, pojawiające się w sztucznych i naturalnych przemianach jądrowych.

    Nazwa
    cząsteczki

    Symbol

    Liczba
    masowa

    Ładunek
    elektryczny

    alfa, helion

    , He

    beta, beta minus,
    elektron, negaton

    , ,
    ,

    -1

    beta plus, pozyton

    betaIndeks górny +

    deuteron

    ,

    gamma

    neutron

    proton

    , ,

    tryton

    ,

    Ciekawostka

    Kiedy reakcja chemiczna dopiero się zaczyna - można ją zazwyczaj jeszcze przerwać. W przypadku reakcji spalania – pożaru – ogień zatrzymuje się gaśnicą. Jednak procesów rozpadu jądrowego nie da się zatrzymać. Takim przykładem jest rozszczepienie jądrowe, które występuje wtedy, gdy bardzo niestabilny izotopizotopyizotop rozpada się na mniejsze cząstki. Rozszczepienie jądra zwykle musi być wywołane w akceleratorze cząstek. Tutaj atom pochłania strumień wysokoenergetycznych cząstek takich jak neutrony, co powoduje podział atomu na mniejsze fragmenty.

    R6v5pxbFbplZS
    60-calowy cyklotron Lawrence'a z biegunami magnetycznymi o średnicy 60 cali (5 stóp lub 1,5 metra) na Uniwersytecie Kalifornijskim Lawrence Radiation LaboratoryBerkeley, w sierpniu 1939 r., najpotężniejszy akcelerator na świecie w tamtym czasie. Glenn T. SeaborgEdwin M. McMillan (po prawej) użyli go do odkrycia plutonu, neptunu i wielu innych transuranowych pierwiastków i izotopów, za które otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1951 r. Ogromny magnes cyklotronu znajduje się po lewej stronie, z płaską komorą przyspieszającą między biegunami w środku. Linia promienia, która analizuje cząsteczki, znajduje się po prawej stronie.
    Źródło: dostępny w internecie: www.en.wikipedia.org/wiki/Cyclotron, domena publiczna.
    bg‑azure

    Zasady uzgadniania i zapisu równań

    Ważne!

    W reakcjach jądrowych obowiązują tzw. reguły wyborureguły wyborureguły wyboru, zgodnie z którymi:

    1. Suma liczb masowych (zapisanych jako indeks górny) po lewej i prawej stronie równania musi być jednakowa. Jest to tzw. zasada zachowania liczby nukleonów.

    2. Suma liczb atomowych (zapisanych w indeksach dolnych) po lewej i prawej stronie równania musi być jednakowa.

    3. Pęd (energia) przed reakcją jest równa pędowi (energii) po reakcji. Jest to tzw. zasada zachowania pędu.

    4. Ładunek reakcji przed i po reakcji zostaje zachowany. Jest to tzw. zasada zachowania ładunku elektrycznego.

    1
    Polecenie 1

    Gdy U235 absorbuje neutron o wysokiej energii, to jądro ulega rozszczepieniu w następujący sposób:

    Jak rozpoznać brakującą cząstkę/jądro pierwiastka w powyższym równaniu? Uzupełnij zapis.

    RjMnn33JCDtGn
    Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
    RuAh86edYdd0G
    (Uzupełnij).
    Polecenie 2

    Jakiego zapisu można się spodziewać w przemianach przedstawionych poniżej? Jakie cząstki są emitowane w reakcji? Spróbuj prześledzić kolejne karty.

    Jakiego zapisu można się spodziewać w przemianach przedstawionych poniżej? Jakie cząstki są emitowane w reakcji?

    R1TIcIp9VZWHU
    REAKCJA JĄDROWA Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H ROZPAD β- Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H ROZPAD β+ Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H FUZJA JĄDROWA Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H
    ROZSZCZEPIENIE JĄDROWE
    (wymuszone)
    Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H
    ROZSZCZEPIENIE JĄDROWE
    (samorzutne)
    Możliwe odpowiedzi: 1. N714+H11O815+γ, 2. Pu94239+n014195Nb+I53142+3 n01, 3. 83212Bi84212Po+e-10, 4. F918O818+e10, 5. Pu94239Mo4299+Te52139+n01, 6. 23He+12H24He+11H

    W powyższych przykładach zapisano reakcje jądrowe w formie pełnego zapisu. Czy można ten zapis uprościć? Jak w zapisie uproszczonym uwzględnić wszystkie jądra i cząstki?

    bg‑azure

    Hel z gwiazdy

    Ciekawym przykładem reakcji jądrowych są te zachodzące w gwiazdach. Ich energia pochodzi z procesów syntezy jądrowej. W przypadku gwiazd takich jak Słońce, dominującym procesem fuzji jest fuzja proton‑proton. W przypadku gwiazd bardziej masywnych, które mogą osiągnąć wyższe temperatury, fuzja cyklu węglowego staje się mechanizmem dominującym. W przypadku starszych gwiazd, zapadających się w środku, temperatura może przekroczyć sto milionów Kelwinów i zainicjować proces fuzji helu.

    Główne źródło energii gwiazdy Syriusza A to reakcje jądrowe oparte na zamianie wodoru w hel. Przykłady równań zapisano poniżej.

    Spróbujmy zatem przedstawić równania przemian jądrowych, zachodzących na Syriuszu A w formie uproszczonej.

    Równanie można zapisać w postaci pełnego zapisu:

    X+aY+b

    oraz w formie uproszczonej

    Xa, bY,

    gdzie:

    • X – jądro „bombardowane” (ulega przemianie spontanicznej lub wymuszonej);

    • a – cząstka bombardująca (wywołe reakcję wymuszoną);

    • Y – jądro (lub kilka jąder) powstałe po przemianie lub reakcji;

    • b – cząstka (cząstki) emitowane w czasie przemiany lub reakcji.

    Przed nawiasem umieszcza się jądro, które ulega przemianie spontanicznej lub jest bombardowane innymi cząstkami. Następnie wewnątrz nawiasu, na pierwszym miejscu umieszcza się cząstkę bombardującą, a w przypadku przemian samorzutnych, zamiast niej umieszcza się kreskę. Na drugim miejscu, wewnątrz nawiasu umieszcza się cząstkę emitowaną podczas przemiany lub reakcji jądrowej. Poza nawiasem znajdują się jądra emitowane.

    Pełny zapis reakcji jądrowej upraszcza się zatem do formy:

    .
    1
    Polecenie 3

    Zapisz równanie w formie uproszczonej.

    RVcRvgtC3Qvsn
    Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
    R1MEQKBq1kwyG
    (Uzupełnij).
    Ciekawostka

    Dlaczego z jądra emitowane są cztery nukleonynukleonynukleony?

    We wnętrzu jąder atomowych nukleony nie występują pojedynczo, ale grupują się w podukłady. Im bardziej masywne jądro, tym grupowanie zachodzi chętniej. Przykładem podukładu w jądrze jest cząstka , której powstanie jest korzystne energetycznie, co wynika z dużej energii wiązania pojedynczego (około na nukleon). W masywnym jądrze atomowym mamy do czynienia z wyodrębnionymi cząstkami . Każda z nich oddziałuje z pozostałymi nukleonami, z których jakaś część też jest pogrupowana w czwórki. Przemiana zachodzi bez ingerencji z zewnątrz i podlegają jej głównie jądra atomowe o dużej liczbie masowej  (czyli o dużej liczbie nukleonów), zdecydowanie przekraczającej .

    Słownik

    przemiana jądrowa
    przemiana jądrowa

    proces, w którym następuje zmiana składu lub stanu jądra atomowego

    jądro atomowe
    jądro atomowe

    centralna część atomu, o rozmiarach ok. razy mniejszych od rozmiarów atomu, skupiająca prawie całą jego masę

    nukleony
    nukleony

    wspólna nazwa protonów i neutronów

    reguły wyboru
    reguły wyboru

    zbiór warunków określających, które z energetycznie możliwych przejść między stanami układu kwantowego (np. jądra, atomu, cząsteczki) mogą być zrealizowane

    wychwyt K
    wychwyt K

    wychwyt elektronu; przemiana jądrowa, która polega na absorpcji przez jądro atomu elektronu z powłoki elektronowej (najczęściej K) tego atomu i jednoczesnej emisji neutrina

    izotopy
    izotopy

    (gr. ísos „równy”, tópos „miejsce”) nuklidy o tej samej liczbie atomowej  i różnych liczbach masowych  (tj. o tej samej liczbie protonów i różnych liczbach neutronów)

    zapadanie grawitacyjne
    zapadanie grawitacyjne

    inaczej kolaps grawitacyjny; zjawisko kurczenia się ciał (w praktyce obiektów astronomicznych) pod wpływem własnego ciążenia przy znikomym udziale innych oddziaływań

    cyklotron
    cyklotron

    pierwszy cykliczny akcelerator cząstek (protonów, jonów); akcelerator cząstek naładowanych (akceleratory cykliczne)

    Bibliografia

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

    Encyklopedia PWN

    Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t.1‑2, PWN, Warszawa 2010.

    Pazdro K.M, Rola‑Noworyta A., Akademicki zbiór zadań z chemii ogólnej, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 2013.