Même les anciens philosophes ont suggéré que la matière est construite à partir d'atomes. Cependant, le fait que les «briques» de l'univers elles-mêmes soient constituées des plus petites particules, les scientifiques n'ont commencé à deviner qu'au tournant des 19e et 20e siècles. Des expériences prouvant cela ont fait une véritable révolution dans la science en son temps. C'est la proportion parties constitutives distingue un élément chimique d'un autre. Chacun d'eux a sa propre place en fonction du numéro de série. Mais il existe des variétés d'atomes qui occupent les mêmes cellules dans le tableau, malgré la différence de masse et de propriétés. Pourquoi il en est ainsi et quels sont les isotopes en chimie seront discutés plus tard.

Atome et ses particules

En explorant la structure de la matière par bombardement de particules alpha, E. Rutherford a prouvé en 1910 que l'espace principal de l'atome est rempli de vide. Et seulement au centre se trouve le noyau. Les électrons négatifs se déplacent en orbite autour de lui, constituant la coquille de ce système. C'est ainsi qu'il a été créé modèle planétaire"briques" de matière.

Que sont les isotopes ? Rappelez-vous du cours de chimie que le noyau a aussi structure complexe. Il est composé de protons positifs et de neutrons non chargés. Le nombre des premiers détermine les caractéristiques qualitatives de l'élément chimique. C'est le nombre de protons qui distingue les substances les unes des autres, conférant à leurs noyaux une certaine charge. Et sur cette base, un numéro de série leur est attribué dans le tableau périodique. Mais le nombre de neutrons dans un même élément chimique les différencie en isotopes. Définition en chimie ce concept donc ce qui suit peut être donné. Ce sont des variétés d'atomes qui diffèrent par la composition du noyau, ont la même charge et les mêmes numéros de série, mais ont des nombres de masse différents en raison des différences dans le nombre de neutrons.

Notation

Étudiant la chimie en 9e année et les isotopes, les élèves apprendront Légende. La lettre Z marque la charge du noyau. Ce chiffre coïncide avec le nombre de protons et est donc leur indicateur. La somme de ces éléments avec des neutrons, marqués du signe N, est A - le nombre de masse. La famille des isotopes d'une substance, en règle générale, est indiquée par l'icône de cet élément chimique, qui dans le tableau périodique est doté d'un numéro de série coïncidant avec le nombre de protons qu'il contient. L'exposant de gauche ajouté à l'icône spécifiée correspond au nombre de masse. Par exemple, 238 U. La charge d'un élément (dans ce cas, l'uranium, marqué du numéro de série 92) est indiquée par un indice similaire ci-dessous.

Connaissant ces données, on peut facilement calculer le nombre de neutrons dans un isotope donné. Il est égal au nombre de masse moins le numéro de série: 238 - 92 \u003d 146. Le nombre de neutrons pourrait être inférieur, à partir de là cet élément chimique ne cesserait pas d'être de l'uranium. Il convient de noter que le plus souvent, dans d'autres substances plus simples, le nombre de protons et de neutrons est approximativement le même. Ces informations aident à comprendre ce qu'est un isotope en chimie.

Nucléons

C'est le nombre de protons qui donne l'individualité à un certain élément, et le nombre de neutrons ne l'affecte en rien. Mais la masse atomique est composée de ces deux éléments indiqués, ayant Nom commun"nucléons", représentant leur somme. Cependant, cet indicateur ne dépend pas de ceux qui forment la coquille chargée négativement de l'atome. Pourquoi? Cela vaut juste la peine de comparer.

La fraction massique d'un proton dans un atome est grande et est d'environ 1 UA. um ou 1.672 621 898 (21) 10 -27 kg. Le neutron est proche des paramètres de cette particule (1.674 927 471(21) 10 -27 kg). Mais la masse d'un électron est des milliers de fois plus petite, elle est considérée comme négligeable et n'est pas prise en compte. C'est pourquoi, connaissant l'exposant d'un élément en chimie, il n'est pas difficile de connaître la composition du noyau des isotopes.

Isotopes de l'hydrogène

Les isotopes de certains éléments sont si bien connus et communs dans la nature qu'ils ont reçu leurs propres noms. L'exemple le plus clair et le plus simple est l'hydrogène. À vivo on le trouve dans sa variété la plus abondante, le protium. Cet élément a un nombre de masse de 1 et son noyau est constitué d'un proton.

Que sont donc les isotopes de l'hydrogène en chimie ? Comme vous le savez, les atomes de cette substance ont le premier numéro du tableau périodique et, par conséquent, sont dotés dans la nature d'un numéro de charge de 1. Mais le nombre de neutrons dans le noyau d'un atome est différent pour eux. Le deutérium, étant de l'hydrogène lourd, en plus du proton, a une particule de plus dans le noyau, c'est-à-dire le neutron. En conséquence, cette substance présente ses propres propriétés physiques, contrairement au protium, ayant son propre poids, son point de fusion et son point d'ébullition.

Tritium

Le tritium est le plus complexe de tous. C'est de l'hydrogène super lourd. Selon la définition des isotopes en chimie, il a numéro de facturation 1, mais le nombre de masse est 3. On l'appelle souvent un triton, car en plus d'un proton, il a deux neutrons dans le noyau, c'est-à-dire qu'il se compose de trois éléments. Le nom de cet élément, découvert en 1934 par Rutherford, Oliphant et Harteck, a été proposé avant même sa découverte.

C'est une substance instable présentant des propriétés radioactives. Son noyau a la capacité de se scinder avec la libération d'une particule bêta et d'un antineutrino électronique. L'énergie de désintégration de cette substance n'est pas très élevée et s'élève à 18,59 keV. Par conséquent, un tel rayonnement n'est pas trop dangereux pour l'homme. Des vêtements ordinaires et des gants chirurgicaux peuvent en protéger. Et cet élément radioactif obtenu avec de la nourriture est rapidement excrété par le corps.

Isotopes de l'uranium

Beaucoup plus dangereux Divers types l'uranium, dont 26 sont connus de la science aujourd'hui.Par conséquent, lorsque l'on parle de ce que sont les isotopes en chimie, il est impossible de ne pas mentionner cet élément. Malgré la variété des types d'uranium, seuls trois de ses isotopes sont présents dans la nature. Ceux-ci incluent 234 U, 235 U, 238 U. Le premier d'entre eux, ayant propriétés appropriées, est activement utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires. Et ce dernier - pour la production de plutonium-239, qui lui-même, à son tour, est indispensable en tant que combustible le plus précieux.

Chacun des éléments radioactifs est caractérisé par le sien, c'est-à-dire la durée pendant laquelle la substance se dissocie dans un rapport de ½. Autrement dit, à la suite de ce processus, la quantité de la partie conservée de la substance est réduite de moitié. Cette période de temps pour l'uranium est énorme. Par exemple, pour l'isotope 234, il est estimé à 270 millénaires, et pour les deux autres variétés indiquées, il est beaucoup plus important. La demi-vie record est celle de l'uranium 238, qui dure des milliards d'années.

Nuclides

Pas chacun des types d'atomes, caractérisé par son propre et strictement un certain nombre protons et électrons, est si stable qu'il y a au moins une longue période suffisante pour son étude. Ceux qui sont relativement stables sont appelés nucléides. Les formations stables de ce type ne subissent pas de désintégration radioactive. Les instables sont appelés radionucléides et, à leur tour, sont également divisés en vie courte et vie longue. Comme on le sait dans les cours de chimie de 11e année sur la structure des atomes isotopiques, l'osmium et le platine contiennent le plus grand nombre de radionucléides. Le cobalt et l'or ont chacun une écurie, et le plus grand nombre nucléides stables dans l'étain.

Calcul du numéro de série de l'isotope

Essayons maintenant de résumer les informations décrites précédemment. Après avoir compris ce que sont les isotopes en chimie, il est temps de comprendre comment vous pouvez utiliser les connaissances acquises. Considérez-le sur exemple concret. Supposons que l'on sache qu'un certain élément chimique a un nombre de masse de 181. En même temps, la coquille d'un atome de cette substance contient 73 électrons. Comment peut, en utilisant le tableau périodique, trouver le nom élément donné, ainsi que le nombre de protons et de neutrons dans son noyau ?

Commençons à résoudre le problème. Vous pouvez déterminer le nom d'une substance en connaissant son numéro de série, qui correspond au nombre de protons. Puisque le nombre de charges positives et négatives dans un atome est égal, il est de 73. Donc, c'est du tantale. De plus, le nombre total de nucléons au total est de 181, ce qui signifie que les protons de cet élément sont 181 - 73 = 108. Tout simplement.

Isotopes du gallium

L'élément gallium a un numéro atomique de 71. Dans la nature, cette substance a deux isotopes - 69 Ga et 71 Ga. Comment déterminer le pourcentage de variétés de gallium ?

La résolution de problèmes sur les isotopes en chimie est presque toujours associée à des informations pouvant être obtenues à partir du tableau périodique. Cette fois, vous devriez faire la même chose. Déterminons la masse atomique moyenne à partir de la source spécifiée. Il est égal à 69,72. En notant pour x et y le rapport quantitatif du premier et du deuxième isotope, on prend leur somme égale à 1. Donc, sous forme d'équation, cela s'écrira : x + y = 1. Il s'ensuit que 69x + 71y = 69,72. En exprimant y en termes de x et en substituant la première équation à la seconde, nous obtenons que x = 0,64 et y = 0,36. Cela signifie que le 69 Ga est contenu dans la nature à 64 %, et le pourcentage de 71 Ga est de 34 %.

Transformations isotopiques

La fission radioactive des isotopes avec leur transformation en d'autres éléments est divisée en trois types principaux. Le premier d'entre eux est la désintégration alpha. Il se produit avec l'émission d'une particule, qui est le noyau d'un atome d'hélium. C'est-à-dire cette formation, constituée d'un ensemble de paires de neutrons et de protons. Étant donné que le numéro de ce dernier détermine le numéro de charge et le numéro d'un atome d'une substance dans le système périodique, à la suite de ce processus, une transformation qualitative d'un élément en un autre se produit, et dans le tableau, il se déplace vers la gauche par deux cellules. Dans ce cas, le nombre de masse de l'élément est réduit de 4 unités. Nous le savons grâce à la structure des atomes d'isotopes.

Lorsque le noyau d'un atome perd une particule bêta, qui est essentiellement un électron, sa composition change. L'un des neutrons se transforme en proton. Cela signifie que les caractéristiques qualitatives de la substance changent à nouveau et que l'élément est déplacé dans le tableau d'une cellule vers la droite, pratiquement sans perdre de masse. Typiquement, une telle transformation est associée à un rayonnement gamma électromagnétique.

Conversion des isotopes du radium

Les informations ci-dessus et les connaissances de la chimie de 11e année sur les isotopes aident à nouveau à résoudre des problèmes pratiques. Par exemple, ce qui suit : 226 Ra lors de la désintégration se transforme en un élément chimique du groupe IV, qui a un nombre de masse de 206. Combien de particules alpha et bêta doit-il perdre dans ce cas ?

Compte tenu des changements de masse et de groupe de l'élément fille, en utilisant le tableau périodique, il est facile de déterminer que l'isotope formé lors de la fission sera du plomb avec une charge de 82 et un nombre de masse de 206. Et étant donné le nombre de charge de cet élément et du radium originel, il faut supposer que son noyau a perdu cinq particules alpha et quatre particules bêta.

Utilisation d'isotopes radioactifs

Tout le monde est bien conscient des dommages que les rayonnements radioactifs peuvent causer aux organismes vivants. Cependant, les propriétés des isotopes radioactifs sont utiles pour les humains. Ils sont utilisés avec succès dans de nombreuses industries. Avec leur aide, il est possible de détecter les fuites dans les structures d'ingénierie et de construction, les conduites souterraines et les oléoducs, réservoirs de stockage, échangeurs de chaleur dans les centrales électriques.

Ces propriétés sont également activement utilisées dans les expériences scientifiques. Par exemple, la mouche tsé-tsé est porteuse de nombreuses maladies graves pour l'homme, le bétail et les animaux domestiques. Afin d'éviter cela, les mâles de ces insectes sont stérilisés au moyen d'un faible rayonnement radioactif. Les isotopes sont également indispensables dans l'étude des mécanismes de certaines réactions chimiques, car les atomes de ces éléments peuvent marquer l'eau et d'autres substances.

Dans la recherche biologique, les isotopes marqués sont souvent également utilisés. Par exemple, c'est ainsi qu'il a été établi comment le phosphore affecte le sol, la croissance et le développement plantes cultivées. Avec succès, les propriétés des isotopes sont également utilisées en médecine, ce qui a permis de traiter tumeurs cancéreuses autre maladie grave, déterminer l'âge des organismes biologiques.

Lors de l'étude des propriétés des éléments radioactifs, il a été constaté que des atomes de masses nucléaires différentes peuvent être trouvés dans le même élément chimique. En même temps, ils ont la même charge nucléaire, c'est-à-dire qu'il ne s'agit pas d'impuretés de substances tierces, mais de la même substance.

Que sont les isotopes et pourquoi existent-ils

Dans le système périodique de Mendeleev, un élément donné et les atomes d'une substance avec une masse différente du noyau occupent une cellule. Sur la base de ce qui précède, ces variétés de la même substance ont reçu le nom "isotopes" (du grec isos - le même et topos - lieu). Alors, isotopes- ce sont des variétés d'un élément chimique donné, différant par la masse des noyaux atomiques.

Selon le neutron accepté modèle roton du noyau Il était possible d'expliquer l'existence des isotopes comme suit : les noyaux de certains atomes d'une substance contiennent un nombre différent de neutrons, mais le même nombre de protons. En fait, la charge nucléaire des isotopes d'un élément est la même, par conséquent, le nombre de protons dans le noyau est le même. Les noyaux diffèrent en masse, respectivement, ils contiennent un nombre différent de neutrons.

Isotopes stables et instables

Les isotopes sont soit stables soit instables. À ce jour, environ 270 isotopes stables et plus de 2000 isotopes instables sont connus. isotopes stables sont des variétés éléments chimiques qui peuvent exister par eux-mêmes pendant longtemps.

La plupart de isotopes instables a été obtenu artificiellement. Les isotopes instables sont radioactifs, leurs noyaux sont soumis au processus de désintégration radioactive, c'est-à-dire à la transformation spontanée en d'autres noyaux, accompagnée de l'émission de particules et/ou de rayonnement. Presque tous les isotopes artificiels radioactifs ont des demi-vies très courtes, mesurées en secondes et même en fractions de secondes.

Combien d'isotopes un noyau peut-il contenir

Le noyau ne peut pas contenir un nombre arbitraire de neutrons. En conséquence, le nombre d'isotopes est limité. Même en nombre de protonséléments, le nombre d'isotopes stables peut atteindre dix. Par exemple, l'étain a 10 isotopes, le xénon en a 9, le mercure en a 7, etc.

Ces éléments le nombre de protons est impair, ne peut avoir que deux isotopes stables. Certains éléments n'ont qu'un seul isotope stable. Ce sont des substances telles que l'or, l'aluminium, le phosphore, le sodium, le manganèse et autres. De telles variations du nombre d'isotopes stables pour différents éléments sont associées à une dépendance complexe du nombre de protons et de neutrons sur l'énergie de liaison du noyau.

Presque toutes les substances dans la nature existent sous la forme d'un mélange d'isotopes. Le nombre d'isotopes dans la composition d'une substance dépend du type de substance, de la masse atomique et du nombre d'isotopes stables d'un élément chimique donné.

Il a été établi que chaque élément chimique trouvé dans la nature est un mélange d'isotopes (ils ont donc des masses atomiques fractionnaires). Pour comprendre en quoi les isotopes diffèrent les uns des autres, il est nécessaire d'examiner en détail la structure de l'atome. Un atome forme un noyau et un nuage d'électrons. La masse d'un atome est influencée par les électrons se déplaçant à une vitesse vertigineuse en orbite dans le nuage d'électrons, les neutrons et les protons qui composent le noyau.

Que sont les isotopes

isotopes Type d'atome d'un élément chimique. Il y a toujours un nombre égal d'électrons et de protons dans n'importe quel atome. Parce qu'ils ont des charges opposées (les électrons sont négatifs et les protons sont positifs), un atome est toujours neutre (ce particule élémentaire ne porte pas de charge, il est égal à zéro). Lorsqu'un électron est perdu ou capturé, l'atome perd sa neutralité, devenant soit un ion négatif, soit un ion positif.
Les neutrons n'ont pas de charge, mais leur nombre dans le noyau atomique d'un même élément peut être différent. Cela n'affecte pas la neutralité de l'atome, mais cela affecte sa masse et ses propriétés. Par exemple, chaque isotope d'un atome d'hydrogène a un électron et un proton chacun. Et le nombre de neutrons est différent. Le protium a seulement 1 neutron, le deutérium a 2 neutrons et le tritium a 3 neutrons. Ces trois isotopes diffèrent sensiblement les uns des autres par leurs propriétés.

Comparaison des isotopes

En quoi les isotopes sont-ils différents ? Ils ont un nombre différent de neutrons, des masses différentes et des propriétés différentes. Les isotopes ont la même structure coquilles d'électrons. Cela signifie qu'ils sont assez similaires dans les propriétés chimiques. Par conséquent, ils se voient attribuer une place dans le système périodique.
Des isotopes stables et radioactifs (instables) ont été trouvés dans la nature. Les noyaux d'atomes d'isotopes radioactifs sont capables de se transformer spontanément en d'autres noyaux. Au cours du processus de désintégration radioactive, ils émettent diverses particules.
La plupart des éléments ont plus de deux douzaines d'isotopes radioactifs. De plus, les isotopes radioactifs sont synthétisés artificiellement pour absolument tous les éléments. Dans un mélange naturel d'isotopes, leur contenu fluctue légèrement.
L'existence d'isotopes a permis de comprendre pourquoi, dans certains cas, les éléments de masse atomique inférieure ont un numéro de série plus élevé que les éléments de masse atomique supérieure. Par exemple, dans une paire argon-potassium, l'argon comprend des isotopes lourds et le potassium comprend des isotopes légers. Par conséquent, la masse d'argon est supérieure à celle du potassium.

ImGist a déterminé que la différence entre les isotopes les uns des autres est la suivante :

Ils possèdent numéro différent neutrons.
Les isotopes ont masse différente atomes.
La valeur de la masse des atomes d'ions affecte leur énergie totale et leurs propriétés.

Le contenu de l'article

ISOTOPS Variétés du même élément chimique qui sont similaires dans leur proprietes physiques et chimiques mais avec des masses atomiques différentes. Le nom "isotopes" a été proposé en 1912 par le radiochimiste anglais Frederick Soddy, qui l'a formé à partir de deux mots grecs: isos - le même et topos - lieu. Les isotopes occupent la même place dans la cellule système périodiqueéléments de Mendeleïev.

Un atome de n'importe quel élément chimique se compose d'un noyau chargé positivement et d'un nuage d'électrons chargés négativement qui l'entoure. La position d'un élément chimique dans le système périodique de Mendeleev (son numéro de série) est déterminée par la charge du noyau de ses atomes. isotopes s'appellent donc variétés du même élément chimique dont les atomes ont la même charge nucléaire (et donc presque les mêmes couches d'électrons), mais diffèrent par les valeurs de la masse du noyau. Selon l'expression figurative de F. Soddy, les atomes des isotopes sont les mêmes "dehors", mais différents "dedans".

Le neutron a été découvert en 1932 – une particule qui n'a pas de charge, avec une masse proche de la masse du noyau d'un atome d'hydrogène - un proton , et créé modèle proton-neutron du noyau. Par conséquent en sciences, la finale définition moderne isotopes : les isotopes sont des substances dont les noyaux atomiques sont constitués du même nombre de protons et ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau . Chaque isotope est généralement désigné par un ensemble de symboles , où X est le symbole d'un élément chimique, Z est la charge du noyau atomique (le nombre de protons), A est le nombre de masse de l'isotope ( nombre total nucléons - protons et neutrons dans le noyau, A = Z + N). Puisque la charge du noyau est associée sans ambiguïté au symbole de l'élément chimique, souvent la notation A X est simplement utilisée pour l'abréviation.

De tous les isotopes que nous connaissons, seuls les isotopes de l'hydrogène ont leur propre nom. Ainsi, les isotopes 2 H et 3 H sont appelés deutérium et tritium et sont respectivement désignés D et T (l'isotope 1 H est parfois appelé protium).

Ils se produisent naturellement sous forme d'isotopes stables. , et instable - radioactif, dont les noyaux d'atomes sont sujets à une transformation spontanée en d'autres noyaux avec l'émission de diverses particules (ou les processus de la soi-disant désintégration radioactive). Aujourd'hui, environ 270 isotopes stables sont connus et les isotopes stables ne se trouvent que dans les éléments de numéro atomique Z Ј 83. Le nombre d'isotopes instables dépasse 2000, la grande majorité d'entre eux ont été obtenus artificiellement à la suite de divers réactions nucléaires. Le nombre d'isotopes radioactifs dans de nombreux éléments est très important et peut dépasser deux douzaines. Le nombre d'isotopes stables est beaucoup plus faible Certains éléments chimiques sont constitués d'un seul isotope stable (béryllium, fluor, sodium, aluminium, phosphore, manganèse, or et plusieurs autres éléments). Le plus grand nombre d'isotopes stables - 10 - a été trouvé dans l'étain, dans le fer, par exemple, il y en a 4 et dans le mercure - 7.

Découverte des isotopes, contexte historique.

En 1808, le naturaliste anglais John Dalton a introduit pour la première fois la définition d'un élément chimique comme une substance constituée d'atomes d'un même type. En 1869, le chimiste DIMendeleev découvrit la loi périodique des éléments chimiques. L'une des difficultés à étayer le concept d'un élément en tant que substance occupant une certaine place dans la cellule du système périodique était les poids atomiques non entiers observés expérimentalement des éléments. En 1866, le physicien et chimiste anglais, Sir William Crookes, a émis l'hypothèse que chaque élément chimique naturel est un mélange de substances qui sont identiques dans leurs propriétés, mais ont des masses atomiques différentes, mais à cette époque une telle hypothèse n'avait pas encore été confirmée expérimentalement et donc peu remarquée.

Une étape importante vers la découverte des isotopes a été la découverte du phénomène de la radioactivité et l'hypothèse de la désintégration radioactive formulée par Ernst Rutherford et Frederick Soddy : la radioactivité n'est rien de plus que la désintégration d'un atome en une particule chargée et un atome d'un autre élément , qui diffère par ses propriétés chimiques de l'original. En conséquence, le concept de séries radioactives ou de familles radioactives est apparu. , au début duquel se trouve le premier élément parent, qui est radioactif, et à la fin - le dernier élément stable. L'analyse des chaînes de transformations a montré qu'au cours de leur parcours un seul et même élément radioactif, ne différant que par les masses atomiques, peut apparaître dans une cellule du système périodique. En fait, cela signifiait l'introduction du concept d'isotopes.

Une confirmation indépendante de l'existence d'isotopes stables d'éléments chimiques a ensuite été obtenue dans les expériences de J. J. Thomson et Aston en 1912-1920 avec des faisceaux de particules chargées positivement (ou rayons dits canaux). ) sortant du tube à décharge.

En 1919, Aston a conçu un instrument appelé le spectrographe de masse. (ou alors spectromètre de masse) . Le tube à décharge était toujours utilisé comme source d'ions, mais Aston a trouvé un moyen par lequel la déviation successive du faisceau de particules dans les circuits électriques et champs magnétiques conduit à la focalisation des particules avec la même valeur rapport charge/masse (quelle que soit leur vitesse) au même point de l'écran. Parallèlement à Aston, un spectromètre de masse de conception légèrement différente a été créé dans les mêmes années par l'américain Dempster. À la suite de l'utilisation et de l'amélioration ultérieures des spectromètres de masse grâce aux efforts de nombreux chercheurs, en 1935, un tableau presque complet des compositions isotopiques de tous les éléments chimiques connus à cette époque a été compilé.

Méthodes de séparation isotopique.

Pour étudier les propriétés des isotopes, et surtout pour les utiliser à des fins scientifiques et appliquées, il est nécessaire de les obtenir en quantités plus ou moins notables. Dans les spectromètres de masse conventionnels, une séparation presque complète des isotopes est obtenue, mais leur nombre est négligeable. Par conséquent, les efforts des scientifiques et des ingénieurs ont été dirigés vers la recherche d'autres méthodes possibles séparation isotopique. Tout d'abord, les méthodes de séparation physiques et chimiques ont été maîtrisées, basées sur les différences de propriétés des isotopes d'un même élément telles que les taux d'évaporation, les constantes d'équilibre, les taux de réactions chimiques, etc. Les plus efficaces d'entre elles étaient les méthodes de rectification et d'échange isotopique, largement utilisées dans la production industrielle d'isotopes d'éléments légers : hydrogène, lithium, bore, carbone, oxygène et azote.

Un autre groupe de méthodes est formé par les méthodes dites de cinétique moléculaire : diffusion gazeuse, diffusion thermique, diffusion massique (diffusion dans un courant de vapeur) et centrifugation. Des méthodes de diffusion de gaz basées sur différents taux de diffusion de composants isotopiques dans des milieux poreux très dispersés ont été utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale pour organiser production industrielle séparation des isotopes de l'uranium aux États-Unis dans le cadre du projet dit Manhattan pour créer bombe atomique. Recevoir quantités requises uranium, enrichi jusqu'à 90% avec l'isotope léger 235 U - le principal composant "combustible" de la bombe atomique, des usines ont été construites, occupant une superficie d'environ quatre mille hectares. Plus de 2 milliards de dollars ont été alloués à la création d'un centre atomique avec des usines de production d'uranium enrichi Après la guerre, des usines de production d'uranium enrichi à des fins militaires, également basées sur la méthode de séparation par diffusion, ont été développées et construit en URSS. À dernières années cette méthode a cédé la place à une méthode de centrifugation plus efficace et moins coûteuse. Dans cette méthode, l'effet de séparation du mélange d'isotopes est obtenu grâce à l'action différente des forces centrifuges sur les composants du mélange d'isotopes qui remplit le rotor de la centrifugeuse, qui est un cylindre à paroi mince limité par le haut et par le bas, tournant avec un très grande vitesse dans chambre à vide. Des centaines de milliers de centrifugeuses connectées en cascades, dont le rotor fait plus de mille tours par seconde, sont actuellement utilisées dans des usines de séparation modernes en Russie et dans d'autres pays développés du monde. Les centrifugeuses ne servent pas seulement à obtenir l'uranium enrichi nécessaire au fonctionnement réacteurs nucléaires centrales nucléaires, mais aussi pour la production d'isotopes d'une trentaine d'éléments chimiques de la partie médiane du tableau périodique. Pour la séparation de divers isotopes, des installations de séparation électromagnétique avec de puissantes sources d'ions sont également utilisées ; ces dernières années, méthodes laser séparation.

L'utilisation des isotopes.

Une variété d'isotopes d'éléments chimiques sont largement utilisés dans recherche scientifique, dans divers domaines de l'industrie et de l'agriculture, en Pouvoir nucléaire, biologie et médecine modernes, en recherche environnement et d'autres domaines. Dans la recherche scientifique (par exemple, dans l'analyse chimique), en règle générale, de petites quantités d'isotopes rares de divers éléments sont nécessaires, calculées en grammes et même en milligrammes par an. Dans le même temps, pour un certain nombre d'isotopes largement utilisés dans l'ingénierie nucléaire, la médecine et d'autres industries, le besoin de leur production peut être de plusieurs kilogrammes, voire de tonnes. Ainsi, dans le cadre de l'utilisation d'eau lourde D 2 O dans les réacteurs nucléaires, sa production mondiale au début des années 1990 du siècle dernier était d'environ 5 000 tonnes par an. L'isotope de l'hydrogène deutérium, qui fait partie de l'eau lourde, dont la concentration dans le mélange naturel d'hydrogène n'est que de 0,015%, avec le tritium, à l'avenir, selon les scientifiques, deviendra le principal composant combustible des réacteurs thermonucléaires de puissance fonctionnant sur la base des réactions de fusion nucléaire. Dans ce cas, le besoin de production d'isotopes d'hydrogène sera énorme.

Dans la recherche scientifique, les isotopes stables et radioactifs sont largement utilisés comme indicateurs isotopiques (marqueurs) dans l'étude de divers processus se produisant dans la nature.

À agriculture les isotopes (atomes "marqués") sont utilisés, par exemple, pour étudier les processus de photosynthèse, la digestibilité des engrais et pour déterminer l'efficacité de l'utilisation de l'azote, du phosphore, du potassium, des oligo-éléments et d'autres substances par les plantes.

Les technologies isotopiques sont largement utilisées en médecine. Ainsi, aux États-Unis, selon les statistiques, plus de 36 000 procédures médicales sont effectuées par jour et environ 100 millions de tests de laboratoire utilisant des isotopes. Les procédures les plus courantes associées à la tomodensitométrie. L'isotope de carbone C 13 enrichi jusqu'à 99% (teneur naturelle d'environ 1%) est activement utilisé dans le soi-disant "contrôle diagnostique de la respiration". L'essence du test est très simple. L'isotope enrichi est introduit dans l'alimentation du patient et, après avoir participé au processus métabolique dans divers organes du corps, est libéré sous forme de dioxyde de carbone CO 2 expiré par le patient, qui est collecté et analysé à l'aide d'un spectromètre. La différence des taux de processus associés à la libération de diverses quantités de dioxyde de carbone marqué avec l'isotope C 13 permet de juger de l'état de divers organes du patient. Aux États-Unis, le nombre de patients qui subiront ce test est estimé à 5 millions de personnes par an. Les méthodes de séparation laser sont maintenant utilisées pour produire l'isotope C 13 hautement enrichi à l'échelle industrielle.

Vladimir Jdanov

Étudiant le phénomène de la radioactivité, les scientifiques de la première décennie du XXe siècle. découvert un grand nombre de substances radioactives - environ 40. Il y en avait beaucoup plus que de places libres dans le tableau périodique des éléments dans l'intervalle entre le bismuth et l'uranium. La nature de ces substances a été controversée. Certains chercheurs les considéraient comme des éléments chimiques indépendants, mais dans ce cas, la question de leur placement dans le tableau périodique s'est avérée insoluble. D'autres leur ont généralement refusé le droit d'être appelés éléments au sens classique. En 1902, le physicien anglais D. Martin a qualifié ces substances de radioéléments. Au fur et à mesure de leur étude, il s'est avéré que certains éléments radio ont exactement les mêmes Propriétés chimiques, mais de grandeur différente masses atomiques. Cette circonstance était contraire aux principes fondamentaux loi périodique. Le scientifique anglais F. Soddy a résolu la contradiction. En 1913, il nomma radioéléments chimiquement similaires isotopes (du grec signifiant « même » et « lieu »), c'est-à-dire occupant la même place dans le système périodique. Les radioéléments se sont avérés être des isotopes d'éléments radioactifs naturels. Tous sont regroupés en trois familles radioactives dont les ancêtres sont les isotopes du thorium et de l'uranium.

Isotopes de l'oxygène. Isobares de potassium et d'argon (les isobares sont des atomes d'éléments différents avec le même nombre de masse).

Nombre d'isotopes stables pour les éléments pairs et impairs.

Il est vite devenu clair que d'autres éléments chimiques stables ont aussi des isotopes. Le principal mérite de leur découverte appartient au physicien anglais F. Aston. Il a découvert des isotopes stables dans de nombreux éléments.

Avec pointe moderne Les isotopes sont des variétés d'atomes d'un élément chimique : ils ont des masses atomiques différentes, mais la même charge nucléaire.

Leurs noyaux contiennent donc le même numéro protons, mais numéro différent neutrons. Par exemple, les isotopes naturels de l'oxygène avec Z = 8 contiennent respectivement 8, 9 et 10 neutrons dans leurs noyaux. La somme des nombres de protons et de neutrons dans le noyau d'un isotope est appelée le nombre de masse A. Par conséquent, les nombres de masse des isotopes d'oxygène indiqués sont 16, 17 et 18. La désignation suivante des isotopes est maintenant acceptée : le Z est donnée en bas à gauche du symbole de l'élément, la valeur A est donnée en haut à gauche. Par exemple : 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Après la découverte du phénomène de radioactivité artificielle, environ 1800 isotopes radioactifs artificiels ont été obtenus en utilisant des réactions nucléaires pour des éléments avec Z de 1 à 110. La grande majorité des radio-isotopes artificiels ont des demi-vies très courtes, mesurées en secondes et fractions de secondes ; seuls quelques-uns ont relativement durée plus longue vie (par exemple, 10 Be - 2,7 10 6 ans, 26 Al - 8 10 5 ans, etc.).

Les éléments stables sont présents dans la nature avec environ 280 isotopes. Cependant, certains d'entre eux se sont révélés légèrement radioactifs, avec des demi-vies énormes (par exemple, 40 K, 87 Rb, 138 La, 147 Sm, 176 Lu, 187 Re). La durée de vie de ces isotopes est si longue qu'ils peuvent être considérés comme stables.

Il existe encore de nombreux problèmes dans le monde des isotopes stables. Ainsi, on ne sait pas pourquoi leur nombre dans différents éléments varie autant. Environ 25% des éléments stables (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) sont présents dans nature un seul type d'atome. Ce sont les soi-disant éléments uniques. Fait intéressant, tous (à l'exception de Be) ont des valeurs impaires de Z. En général, pour les éléments impairs, le nombre d'isotopes stables ne dépasse pas deux. Au contraire, certains éléments avec même Z consistent en un grand nombre isotopes (par exemple, Xe a 9, Sn - 10 isotopes stables).

L'ensemble des isotopes stables d'un élément donné s'appelle une galaxie. Leur contenu dans la galaxie fluctue souvent considérablement. Il est intéressant de noter que l'abondance des isotopes avec des nombres de masse multiples de quatre (12 C, 16 O, 20 Ca, etc.) est la plus élevée, bien qu'il y ait des exceptions à cette règle.

La découverte d'isotopes stables a permis de résoudre le mystère de longue date des masses atomiques - leur écart par rapport aux nombres entiers, en raison des différents pourcentages d'isotopes stables des éléments de la galaxie.

À Physique nucléaire la notion d'« isobare » est connue. Les isobares sont appelés isotopes de divers éléments (c'est-à-dire avec différentes valeurs Z) ayant les mêmes nombres de masse. L'étude des isobares a contribué à l'établissement de nombreuses régularités importantes dans le comportement et les propriétés des noyaux atomiques. L'une de ces régularités est exprimée par la règle formulée par le chimiste soviétique S. A. Shchukarev et le physicien yéménite I. Mattauch. Il dit: si les deux isobares diffèrent en valeurs Z de 1, alors l'une d'elles sera nécessairement radioactive. Un exemple classique d'une paire d'isobares est 40 18 Ar - 40 19 K. Dans celui-ci, l'isotope du potassium est radioactif. La règle de Shchukarev-Mattauch a permis d'expliquer pourquoi les éléments technétium (Z = 43) et prométhium (Z = 61) n'ont pas d'isotopes stables. Puisqu'ils ont des valeurs Z impaires, on ne peut pas s'attendre à plus de deux isotopes stables pour eux. Mais il s'est avéré que les isobares du technétium et du prométhium, respectivement, les isotopes du molybdène (Z = 42) et du ruthénium (Z = 44), du néodyme (Z = 60) et du samarium (Z = 62), sont représentés dans la nature par variétés stables d'atomes dans une large gamme de nombres de masse. Ainsi, les lois physiques interdisent l'existence d'isotopes stables du technétium et du prométhium. C'est pourquoi ces éléments n'existent pas réellement dans la nature et ils ont dû être synthétisés artificiellement.

Les scientifiques essaient depuis longtemps de développer un système périodique d'isotopes. Bien sûr, il repose sur d'autres principes que la base du système périodique des éléments. Mais ces tentatives n'ont pas encore abouti à des résultats satisfaisants. Certes, les physiciens ont prouvé que la séquence de remplissage des enveloppes de protons et de neutrons dans noyaux atomiques en principe, cela ressemble à la construction de couches et de sous-couches d'électrons dans les atomes (voir Atom).

Les couches électroniques des isotopes d'un élément donné sont construites exactement de la même manière. Par conséquent, leurs propriétés chimiques et physiques sont presque identiques. Seuls les isotopes de l'hydrogène (protium et deutérium) et leurs composés présentent des différences notables de propriétés. Par exemple, l'eau lourde (D 2 O) gèle à +3,8, bout à 101,4 ° C, a une densité de 1,1059 g / cm 3, ne supporte pas la vie des organismes animaux et végétaux. Lors de l'électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène, les molécules de H 2 0 sont majoritairement décomposées, tandis que les molécules d'eau lourde restent dans l'électrolyseur.

La séparation des isotopes d'autres éléments est une tâche extrêmement difficile. Cependant, dans de nombreux cas, des isotopes sont nécessaires éléments individuels avec un changement significatif par rapport au contenu naturel. Par exemple, lors de la résolution du problème de l'énergie atomique, il est devenu nécessaire de séparer les isotopes 235 U et 238 U. À cette fin, la méthode de spectrométrie de masse a été utilisée pour la première fois, à l'aide de laquelle les premiers kilogrammes d'uranium 235 ont été obtenus. en 1944 aux États-Unis. Cependant, cette méthode s'est avérée trop coûteuse et a été remplacée par la méthode de diffusion gazeuse, qui utilisait l'UF 6 . Il existe maintenant plusieurs méthodes pour séparer les isotopes, mais toutes sont assez complexes et coûteuses. Néanmoins, le problème de la «séparation des inséparables» est en train d'être résolu avec succès.

Une nouvelle discipline scientifique est apparue - la chimie des isotopes. Il étudie le comportement de divers isotopes d'éléments chimiques dans réactions chimiques et les processus d'échange d'isotopes. À la suite de ces processus, les isotopes d'un élément donné sont redistribués entre les substances en réaction. Ici l'exemple le plus simple: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (une molécule d'eau échange un atome de protium contre un atome de deutérium). La géochimie des isotopes se développe également. Il étudie les fluctuations de la composition isotopique de divers éléments de la croûte terrestre.

Les atomes dits marqués, isotopes radioactifs artificiels d'éléments stables ou isotopes stables, trouvent l'application la plus large. À l'aide d'indicateurs isotopiques - atomes étiquetés - ils étudient les modes de déplacement des éléments dans la nature inanimée et vivante, la nature de la distribution des substances et des éléments dans divers objets. Les isotopes sont utilisés dans la technologie nucléaire : comme matériaux pour la construction de réacteurs nucléaires ; comme combustible nucléaire (isotopes du thorium, de l'uranium, du plutonium) ; en fusion thermonucléaire (deutérium, 6 Li, 3 He). Les isotopes radioactifs sont également largement utilisés comme sources de rayonnement.