Anche i filosofi antichi hanno suggerito che la materia è costruita dagli atomi. Tuttavia, il fatto che i "mattoni" dell'universo stessi siano costituiti dalle particelle più piccole, gli scienziati hanno iniziato a indovinare solo a cavallo tra il XIX e il XX secolo. Gli esperimenti che lo hanno dimostrato hanno fatto una vera rivoluzione nella scienza a suo tempo. È la proporzione parti costitutive distingue un elemento chimico da un altro. Ognuno di loro ha il suo posto in base al numero di serie. Ma ci sono varietà di atomi che occupano le stesse celle nella tabella, nonostante la differenza di massa e proprietà. Perché è così e quali sono gli isotopi in chimica saranno discussi in seguito.

Atomo e sue particelle

Esplorando la struttura della materia attraverso il bombardamento con particelle alfa, E. Rutherford dimostrò nel 1910 che lo spazio principale dell'atomo è pieno di vuoto. E solo al centro c'è il nucleo. Gli elettroni negativi si muovono in orbite attorno ad esso, costituendo il guscio di questo sistema. È così che è stato creato modello planetario"mattoni" di materia.

Cosa sono gli isotopi? Ricorda dal corso di chimica che ha anche il nucleo struttura complessa. È costituito da protoni positivi e neutroni non carichi. Il numero del primo determina le caratteristiche qualitative dell'elemento chimico. È il numero di protoni che distingue le sostanze l'una dall'altra, dotando i loro nuclei di una certa carica. E su questa base, viene loro assegnato un numero di serie nella tavola periodica. Ma il numero di neutroni nello stesso elemento chimico li differenzia in isotopi. Definizione in chimica questo concetto quindi si può dare quanto segue. Si tratta di varietà di atomi che differiscono nella composizione del nucleo, hanno la stessa carica e numeri di serie, ma hanno numeri di massa diversi a causa delle differenze nel numero di neutroni.

Notazione

Studiando chimica in 9a elementare e isotopi, gli studenti impareranno a essere accettati leggenda. La lettera Z segna la carica del nucleo. Questa cifra coincide con il numero di protoni e quindi è il loro indicatore. La somma di questi elementi con neutroni, contrassegnati dal segno N, è A - il numero di massa. La famiglia di isotopi di una sostanza, di regola, è indicata dall'icona di quell'elemento chimico, che nella tavola periodica è dotato di un numero di serie coincidente con il numero di protoni in esso contenuti. L'apice sinistro aggiunto all'icona specificata corrisponde al numero di massa. Ad esempio, 238 U. La carica di un elemento (in questo caso, l'uranio, contrassegnato con il numero di serie 92) è indicata da un indice simile di seguito.

Conoscendo questi dati, si può facilmente calcolare il numero di neutroni in un dato isotopo. È uguale al numero di massa meno il numero di serie: 238 - 92 \u003d 146. Il numero di neutroni potrebbe essere inferiore, da questo questo elemento chimico non cesserebbe di essere uranio. Va notato che il più delle volte in altre sostanze più semplici, il numero di protoni e neutroni è approssimativamente lo stesso. Tali informazioni aiutano a capire cos'è un isotopo in chimica.

nucleoni

È il numero di protoni che dà individualità a un determinato elemento e il numero di neutroni non lo influenza in alcun modo. Ma la massa atomica è costituita da questi due elementi indicati, aventi nome comune"nucleoni", che rappresentano la loro somma. Tuttavia, questo indicatore non dipende da quelli che formano il guscio caricato negativamente dell'atomo. Come mai? Vale la pena solo confrontare.

La frazione di massa di un protone in un atomo è grande ed è di circa 1 UA. um o 1.672 621 898 (21) 10 -27 kg. Il neutrone è vicino ai parametri di questa particella (1.674 927 471(21) 10 -27 kg). Ma la massa di un elettrone è migliaia di volte più piccola, è considerata trascurabile e non viene presa in considerazione. Ecco perché, conoscendo l'apice di un elemento in chimica, non è difficile scoprire la composizione del nucleo degli isotopi.

Isotopi dell'idrogeno

Gli isotopi di alcuni elementi sono così conosciuti e di natura comune che hanno ricevuto i propri nomi. L'esempio più chiaro e semplice di questo è l'idrogeno. A vivo si trova nella sua varietà più abbondante, il protium. Questo elemento ha un numero di massa pari a 1 e il suo nucleo è costituito da un protone.

Quindi cosa sono gli isotopi dell'idrogeno in chimica? Come sapete, gli atomi di questa sostanza hanno il primo numero nella tavola periodica e, di conseguenza, sono dotati in natura di un numero di carica pari a 1. Ma il numero di neutroni nel nucleo di un atomo è diverso per loro. Il deuterio, essendo idrogeno pesante, oltre al protone, ha un'altra particella nel nucleo, cioè il neutrone. Di conseguenza, questa sostanza esibisce la propria Proprietà fisiche, a differenza del protium, avendo un proprio peso, punto di fusione e punto di ebollizione.

Trizio

Il trizio è il più complesso di tutti. Questo è idrogeno superpesante. Secondo la definizione di isotopi in chimica, ha numero di addebito 1, ma il numero di massa è 3. Viene spesso chiamato tritone, perché oltre a un protone ha due neutroni nel nucleo, cioè è composto da tre elementi. Il nome di questo elemento, scoperto nel 1934 da Rutherford, Oliphant e Harteck, fu proposto ancor prima della sua scoperta.

È una sostanza instabile che mostra proprietà radioattive. Il suo nucleo ha la capacità di scindersi con il rilascio di una particella beta e di un antineutrino elettronico. L'energia di decadimento di questa sostanza non è molto elevata e ammonta a 18,59 keV. Pertanto, tale radiazione non è troppo pericolosa per l'uomo. Gli indumenti ordinari e i guanti chirurgici possono proteggerli. E questo elemento radioattivo ottenuto con il cibo viene rapidamente espulso dal corpo.

Isotopi dell'uranio

Molto più pericoloso Vari tipi uranio, di cui oggi la scienza ne conosce 26. Pertanto, quando si parla di cosa sono gli isotopi in chimica, è impossibile non menzionare questo elemento. Nonostante la varietà di tipi di uranio, solo tre dei suoi isotopi si trovano in natura. Questi includono 234 U, 235 U, 238 U. Il primo di loro, avendo proprietà adatte, è attivamente utilizzato come combustibile nei reattori nucleari. E quest'ultimo - per la produzione di plutonio-239, che a sua volta è indispensabile come combustibile più prezioso.

Ciascun elemento radioattivo è caratterizzato da un proprio, ovvero il periodo di tempo durante il quale la sostanza si scinde nel rapporto di ½. Cioè, come risultato di questo processo, la quantità della parte conservata della sostanza viene dimezzata. Questo periodo di tempo per l'uranio è enorme. Ad esempio, per l'isotopo-234 è stimato in 270 millenni, e per le altre due varietà indicate è molto più significativo. L'emivita record è quella dell'uranio-238, della durata di miliardi di anni.

Nuclidi

Non ciascuno dei tipi di atomo, caratterizzato da un proprio e rigorosamente un certo numero protoni ed elettroni, è così stabile che c'è almeno un lungo periodo sufficiente per il suo studio. Quelli che sono relativamente stabili sono chiamati nuclidi. Formazioni stabili di questo tipo non subiscono decadimento radioattivo. Instabili sono detti radionuclidi e, a loro volta, si dividono anche in di breve durata e di lunga durata. Come è noto dalle lezioni di chimica di grado 11 sulla struttura degli atomi di isotopi, l'osmio e il platino hanno il maggior numero di radionuclidi. Cobalto e oro hanno una stalla ciascuno, e il numero più grande nuclidi stabili in stagno.

Calcolo del numero di serie dell'isotopo

Proviamo ora a riassumere le informazioni descritte in precedenza. Avendo capito cosa sono gli isotopi in chimica, è tempo di capire come utilizzare le conoscenze acquisite. Consideralo esempio specifico. Supponiamo che sia noto che un determinato elemento chimico ha un numero di massa di 181. Allo stesso tempo, il guscio di un atomo di una data sostanza contiene 73 elettroni. Come può, usando la tavola periodica, scoprire il nome dato elemento, così come il numero di protoni e neutroni nel suo nucleo?

Iniziamo a risolvere il problema. Puoi determinare il nome di una sostanza conoscendo il suo numero di serie, che corrisponde al numero di protoni. Poiché il numero di cariche positive e negative in un atomo è uguale, è 73. Quindi, questo è tantalio. Inoltre, il numero totale di nucleoni in totale è 181, il che significa che i protoni di questo elemento sono 181 - 73 = 108. Molto semplicemente.

Isotopi di gallio

L'elemento gallio ha un numero atomico di 71. In natura, questa sostanza ha due isotopi: 69 Ga e 71 Ga. Come determinare la percentuale di varietà di gallio?

La risoluzione dei problemi sugli isotopi in chimica è quasi sempre associata alle informazioni che possono essere ottenute dalla tavola periodica. Questa volta dovresti fare lo stesso. Determiniamo la massa atomica media dalla sorgente specificata. È pari a 69,72. Indicando per xey il rapporto quantitativo del primo e del secondo isotopo, prendiamo la loro somma uguale a 1. Quindi, sotto forma di equazione, si scriverà: x + y = 1. Ne consegue che 69x + 71y = 69.72. Esprimendo y in termini di x e sostituendo la prima equazione nella seconda, otteniamo che x = 0,64 e y = 0,36. Ciò significa che 69 Ga è contenuto in natura per il 64% e la percentuale di 71 Ga è del 34%.

Trasformazioni isotopiche

La fissione radioattiva degli isotopi con la loro trasformazione in altri elementi è suddivisa in tre tipi principali. Il primo di questi è il decadimento alfa. Si verifica con l'emissione di una particella, che è il nucleo di un atomo di elio. Cioè, questa formazione, costituita da un insieme di coppie di neutroni e protoni. Poiché il numero di quest'ultimo determina il numero di carica e il numero di un atomo di una sostanza nel sistema periodico, a seguito di questo processo si verifica una trasformazione qualitativa di un elemento in un altro e nella tabella si sposta a sinistra da due celle. In questo caso, il numero di massa dell'elemento viene ridotto di 4 unità. Lo sappiamo dalla struttura degli atomi degli isotopi.

Quando il nucleo di un atomo perde una particella beta, che è essenzialmente un elettrone, la sua composizione cambia. Uno dei neutroni si trasforma in un protone. Ciò significa che le caratteristiche qualitative della sostanza cambiano nuovamente e l'elemento viene spostato nella tabella di una cella a destra, praticamente senza perdere massa. Tipicamente, tale trasformazione è associata alla radiazione gamma elettromagnetica.

Conversione dell'isotopo del radio

Le informazioni e le conoscenze di cui sopra dalla chimica di grado 11 sugli isotopi aiutano ancora a risolvere problemi pratici. Ad esempio, il seguente: 226 Ra durante il decadimento si trasforma in un elemento chimico del gruppo IV, che ha un numero di massa di 206. Quante particelle alfa e beta dovrebbe perdere in questo caso?

Dati i cambiamenti nella massa e nel gruppo dell'elemento figlio, usando la tavola periodica, è facile determinare che l'isotopo formato durante la fissione sarà piombo con una carica di 82 e un numero di massa di 206. E dato il numero di carica di questo elemento e del radio originale, si dovrebbe presumere che il suo nucleo abbia perso cinque particelle alfa e quattro particelle beta.

Uso di isotopi radioattivi

Tutti sono ben consapevoli del danno che le radiazioni radioattive possono causare agli organismi viventi. Tuttavia, le proprietà degli isotopi radioattivi sono utili per l'uomo. Sono utilizzati con successo in molti settori. Con il loro aiuto, è possibile rilevare perdite in strutture ingegneristiche ed edili, condotte sotterranee e oleodotti, serbatoi di stoccaggio, scambiatori di calore nelle centrali elettriche.

Queste proprietà sono anche utilizzate attivamente negli esperimenti scientifici. Ad esempio, la mosca tse-tse è portatrice di molte gravi malattie per l'uomo, il bestiame e gli animali domestici. Per prevenire ciò, i maschi di questi insetti vengono sterilizzati per mezzo di deboli radiazioni radioattive. Gli isotopi sono indispensabili anche nello studio dei meccanismi di alcune reazioni chimiche, perché gli atomi di questi elementi possono etichettare l'acqua e altre sostanze.

Nella ricerca biologica vengono spesso utilizzati anche isotopi etichettati. Ad esempio, è stato così che è stato stabilito come il fosforo influenzi il suolo, la crescita e lo sviluppo piante coltivate. Con successo, le proprietà degli isotopi vengono utilizzate anche in medicina, il che ha reso possibile il trattamento tumori cancerosi Altro malattia grave, determinare l'età degli organismi biologici.

Studiando le proprietà degli elementi radioattivi, si è scoperto che nello stesso elemento chimico si possono trovare atomi con diverse masse nucleari. Allo stesso tempo, hanno la stessa carica nucleare, cioè non si tratta di impurità di sostanze di terze parti, ma della stessa sostanza.

Cosa sono gli isotopi e perché esistono

Nel sistema periodico di Mendeleev, sia un dato elemento che gli atomi di una sostanza con una massa diversa del nucleo occupano una cellula. Sulla base di quanto sopra, a tali varietà della stessa sostanza è stato dato il nome di "isotopi" (dal greco isos - lo stesso e topos - luogo). Così, isotopi- si tratta di varietà di un dato elemento chimico, che differiscono per la massa dei nuclei atomici.

Secondo il neutrone accettato modello roton del nucleo spiegare l'esistenza degli isotopi come segue: i nuclei di alcuni atomi di materia contengono un numero diverso di neutroni, ma lo stesso numero di protoni. Infatti la carica nucleare degli isotopi di un elemento è la stessa, quindi il numero di protoni nel nucleo è lo stesso. I nuclei differiscono in massa, rispettivamente contengono un diverso numero di neutroni.

Isotopi stabili e instabili

Gli isotopi sono stabili o instabili. Ad oggi sono noti circa 270 isotopi stabili e più di 2000 instabili. isotopi stabili sono varietà elementi chimici che possono esistere da soli per molto tempo.

La maggior parte isotopi instabiliè stato ottenuto artificialmente. Gli isotopi instabili sono radioattivi, i loro nuclei sono soggetti al processo di decadimento radioattivo, cioè alla trasformazione spontanea in altri nuclei, accompagnata dall'emissione di particelle e/o radiazioni. Quasi tutti gli isotopi artificiali radioattivi hanno un'emivita molto breve, misurata in secondi e persino frazioni di secondo.

Quanti isotopi può contenere un nucleo

Il nucleo non può contenere un numero arbitrario di neutroni. Di conseguenza, il numero di isotopi è limitato. Anche nel numero di protoni elementi, il numero di isotopi stabili può raggiungere dieci. Ad esempio, lo stagno ha 10 isotopi, lo xeno ne ha 9, il mercurio ne ha 7 e così via.

Quegli elementi il numero di protoni è dispari, può avere solo due isotopi stabili. Alcuni elementi hanno un solo isotopo stabile. Si tratta di sostanze come oro, alluminio, fosforo, sodio, manganese e altre. Tali variazioni nel numero di isotopi stabili per diversi elementi sono associate a una complessa dipendenza del numero di protoni e neutroni dall'energia di legame del nucleo.

Quasi tutte le sostanze in natura esistono come una miscela di isotopi. Il numero di isotopi nella composizione di una sostanza dipende dal tipo di sostanza, dalla massa atomica e dal numero di isotopi stabili di un dato elemento chimico.

È stato stabilito che ogni elemento chimico presente in natura è una miscela di isotopi (quindi hanno masse atomiche frazionarie). Per capire come gli isotopi differiscono tra loro, è necessario considerare in dettaglio la struttura dell'atomo. Un atomo forma un nucleo e una nuvola di elettroni. La massa di un atomo è influenzata dagli elettroni che si muovono a una velocità impressionante in orbite nella nuvola di elettroni, dai neutroni e dai protoni che compongono il nucleo.

Cosa sono gli isotopi

isotopi Un tipo di atomo di un elemento chimico. Ci sono sempre numeri uguali di elettroni e protoni in ogni atomo. Poiché hanno cariche opposte (gli elettroni sono negativi e i protoni sono positivi), un atomo è sempre neutro (questo particella elementare non comporta una carica, è uguale a zero). Quando un elettrone viene perso o catturato, l'atomo perde la sua neutralità, diventando uno ione negativo o positivo.
I neutroni non hanno carica, ma il loro numero nel nucleo atomico dello stesso elemento può essere diverso. Ciò non influisce sulla neutralità dell'atomo, ma influisce sulla sua massa e sulle sue proprietà. Ad esempio, ogni isotopo di un atomo di idrogeno ha un elettrone e un protone ciascuno. E il numero di neutroni è diverso. Il prozio ha solo 1 neutrone, il deuterio ha 2 neutroni e il trizio ha 3 neutroni. Questi tre isotopi differiscono notevolmente l'uno dall'altro nelle proprietà.

Confronto di isotopi

In che modo gli isotopi sono diversi? Hanno un diverso numero di neutroni, diverse masse e diverse proprietà. Gli isotopi hanno la stessa struttura gusci di elettroni. Ciò significa che sono abbastanza simili nelle proprietà chimiche. Pertanto, viene assegnato loro un posto nel sistema periodico.
In natura sono stati trovati isotopi stabili e radioattivi (instabili). I nuclei degli atomi degli isotopi radioattivi sono in grado di trasformarsi spontaneamente in altri nuclei. Nel processo di decadimento radioattivo, emettono varie particelle.
La maggior parte degli elementi ha oltre due dozzine di isotopi radioattivi. Inoltre, gli isotopi radioattivi sono sintetizzati artificialmente per assolutamente tutti gli elementi. In una miscela naturale di isotopi, il loro contenuto oscilla leggermente.
L'esistenza degli isotopi ha permesso di capire perché, in alcuni casi, gli elementi con massa atomica inferiore hanno un numero di serie maggiore rispetto agli elementi con massa atomica maggiore. Ad esempio, in una coppia argon-potassio, l'argon include isotopi pesanti e il potassio include isotopi leggeri. Pertanto, la massa dell'argon è maggiore di quella del potassio.

ImGist ha determinato che la differenza tra gli isotopi l'uno dall'altro è la seguente:

Possiedono numero diverso neutroni.
Gli isotopi hanno massa diversa atomi.
Il valore della massa degli atomi degli ioni influisce sulla loro energia e proprietà totali.

Il contenuto dell'articolo

ISOTOPI Varietà dello stesso elemento chimico che sono simili nella loro proprietà fisiche e chimiche ma con diverse masse atomiche. Il nome "isotopi" fu proposto nel 1912 dal radiochimico inglese Frederick Soddy, che lo formò da due Parole greche: isos - lo stesso e topos - luogo. Gli isotopi occupano lo stesso posto nella cellula sistema periodico elementi di Mendeleev.

Un atomo di qualsiasi elemento chimico è costituito da un nucleo caricato positivamente e da una nuvola di elettroni carichi negativamente che lo circondano. La posizione di un elemento chimico nel sistema periodico di Mendeleev (il suo numero di serie) è determinata dalla carica del nucleo dei suoi atomi. isotopi sono chiamati quindi varietà dello stesso elemento chimico i cui atomi hanno la stessa carica nucleare (e, quindi, quasi gli stessi gusci di elettroni), ma differiscono nei valori della massa del nucleo. Secondo l'espressione figurativa di F. Soddy, gli atomi degli isotopi sono gli stessi "fuori", ma diversi "dentro".

Il neutrone è stato scoperto nel 1932 – una particella che non ha carica, con una massa vicina alla massa del nucleo di un atomo di idrogeno - un protone , e creato modello protone-neutrone del nucleo. Di conseguenza in scienze, il finale definizione moderna concetti di isotopi: gli isotopi sono sostanze i cui nuclei atomici sono costituiti dallo stesso numero di protoni e differiscono solo per il numero di neutroni nel nucleo . Ogni isotopo è solitamente indicato da un insieme di simboli, dove X è il simbolo di un elemento chimico, Z è la carica del nucleo atomico (il numero di protoni), A è il numero di massa dell'isotopo ( numero totale nucleoni - protoni e neutroni nel nucleo, A = Z + N). Poiché la carica del nucleo è inequivocabilmente associata al simbolo dell'elemento chimico, spesso la notazione A X è usata semplicemente per l'abbreviazione.

Di tutti gli isotopi a noi noti, solo gli isotopi dell'idrogeno hanno i loro nomi. Pertanto, gli isotopi 2 H e 3 H sono chiamati deuterio e trizio e sono designati rispettivamente D e T (l'isotopo 1 H è talvolta chiamato protio).

Si presentano naturalmente come isotopi stabili. , e instabile - radioattivo, i cui nuclei di atomi sono soggetti a trasformazione spontanea in altri nuclei con l'emissione di varie particelle (o i processi del cosiddetto decadimento radioattivo). Ora sono noti circa 270 isotopi stabili e gli isotopi stabili si trovano solo in elementi con numero atomico Z Ј 83. Il numero di isotopi instabili supera 2000, la stragrande maggioranza di essi è stata ottenuta artificialmente a seguito di vari reazioni nucleari. Il numero di isotopi radioattivi in ​​molti elementi è molto grande e può superare le due dozzine. Il numero di isotopi stabili è molto inferiore Alcuni elementi chimici sono costituiti da un solo isotopo stabile (berillio, fluoro, sodio, alluminio, fosforo, manganese, oro e numerosi altri elementi). Il maggior numero di isotopi stabili - 10 - è stato trovato nello stagno, nel ferro, ad esempio, ce ne sono 4 e nel mercurio - 7.

Scoperta degli isotopi, cenni storici.

Nel 1808, il naturalista inglese John Dalton introdusse per la prima volta la definizione di elemento chimico come sostanza costituita da atomi di un tipo. Nel 1869, il chimico DIMendeleev scoprì la legge periodica degli elementi chimici. Una delle difficoltà nel sostanziare il concetto di elemento come sostanza che occupa un certo posto nella cella del sistema periodico era il peso atomico non intero degli elementi osservato sperimentalmente. Nel 1866, il fisico e chimico inglese, Sir William Crookes, avanzò l'ipotesi che ogni elemento chimico naturale sia una miscela di sostanze identiche nelle loro proprietà, ma aventi diverse masse atomiche, ma a quel tempo tale ipotesi non era ancora stato sperimentalmente confermato e quindi poco visto.

Un passo importante verso la scoperta degli isotopi è stata la scoperta del fenomeno della radioattività e dell'ipotesi del decadimento radioattivo formulata da Ernst Rutherford e Frederick Soddy: la radioattività non è altro che il decadimento di un atomo in una particella carica e un atomo di un altro elemento , che differisce per le sue proprietà chimiche da quella originale. Di conseguenza, è nato il concetto di serie radioattive o famiglie radioattive. , all'inizio del quale c'è il primo elemento genitore, che è radioattivo, e alla fine - l'ultimo elemento stabile. Un'analisi delle catene di trasformazioni ha mostrato che nel loro corso uno stesso elemento radioattivo, che differisce solo per le masse atomiche, può apparire in una cella del sistema periodico. In effetti, ciò significava l'introduzione del concetto di isotopi.

Una conferma indipendente dell'esistenza di isotopi stabili di elementi chimici è stata poi ottenuta negli esperimenti di J. J. Thomson e Aston nel 1912-1920 con fasci di particelle caricate positivamente (o cosiddetti raggi di canale ) fuoriuscendo dal tubo di scarico.

Nel 1919 Aston progettò uno strumento chiamato spettrografo di massa. (o spettrometro di massa) . Il tubo di scarica era ancora utilizzato come sorgente di ioni, ma Aston trovò un modo in cui la successiva deflessione del fascio di particelle nell'impianto elettrico e campi magnetici ha portato alla focalizzazione delle particelle con lo stesso valore rapporto carica-massa (indipendentemente dalla loro velocità) nello stesso punto dello schermo. Insieme all'Aston, negli stessi anni l'americano Dempster ha creato uno spettrometro di massa di un design leggermente diverso. Come risultato del successivo utilizzo e miglioramento degli spettrometri di massa da parte degli sforzi di molti ricercatori, nel 1935 fu compilata una tabella quasi completa delle composizioni isotopiche di tutti gli elementi chimici conosciuti a quel tempo.

Metodi di separazione degli isotopi.

Per studiare le proprietà degli isotopi, e soprattutto per utilizzarli a fini scientifici e applicati, è necessario ottenerli in quantità più o meno evidenti. Negli spettrometri di massa convenzionali si ottiene una separazione quasi completa degli isotopi, ma il loro numero è trascurabile. Pertanto, gli sforzi di scienziati e ingegneri sono stati diretti alla ricerca dell'altro metodi possibili separazione isotopica. Prima di tutto, sono stati padroneggiati i metodi di separazione fisica e chimica, basati sulle differenze in tali proprietà degli isotopi dello stesso elemento come velocità di evaporazione, costanti di equilibrio, velocità di reazioni chimiche, ecc. I più efficaci tra questi erano i metodi di rettifica e scambio isotopico, ampiamente utilizzati nella produzione industriale di isotopi di elementi leggeri: idrogeno, litio, boro, carbonio, ossigeno e azoto.

Un altro gruppo di metodi è formato dai cosiddetti metodi cinetici molecolari: diffusione gassosa, diffusione termica, diffusione di massa (diffusione in un flusso di vapore) e centrifugazione. Durante la seconda guerra mondiale sono stati utilizzati metodi di diffusione del gas basati su diverse velocità di diffusione di componenti isotopici in mezzi porosi altamente dispersi produzione industriale separazione degli isotopi dell'uranio negli Stati Uniti nell'ambito del cosiddetto progetto Manhattan da creare bomba atomica. Ricevere quantità richieste uranio, arricchito fino al 90% con l'isotopo leggero 235 U, il principale componente "combustibile" della bomba atomica, furono costruiti impianti che occupavano un'area di circa quattromila ettari. Sono stati stanziati oltre 2 miliardi di dollari per la realizzazione di un centro atomico con impianti per la produzione di uranio arricchito.Nel dopoguerra sono stati sviluppati impianti per la produzione di uranio arricchito per scopi militari, basati anche sul metodo della separazione per diffusione e costruito in URSS. A l'anno scorso questo metodo ha lasciato il posto a un metodo di centrifugazione più efficiente e meno costoso. In questo metodo si ottiene l'effetto di separazione della miscela isotopica a causa della diversa azione delle forze centrifughe sui componenti della miscela isotopica che riempie il rotore della centrifuga, che è un cilindro a parete sottile limitato dall'alto e dal basso, rotante con un molto alta velocità in Camera sottovuoto. Centinaia di migliaia di centrifughe collegate in cascata, il cui rotore compie più di mille giri al secondo, sono attualmente utilizzate nei moderni impianti di separazione sia in Russia che in altri paesi sviluppati del mondo. Le centrifughe sono utilizzate per qualcosa di più del semplice ottenere l'uranio arricchito necessario per funzionare reattori nucleari centrali nucleari, ma anche per la produzione di isotopi di una trentina di elementi chimici della parte mediana della tavola periodica. Per la separazione di vari isotopi vengono utilizzati anche impianti di separazione elettromagnetica con potenti sorgenti ioniche; negli ultimi anni, metodi laser separazione.

L'uso degli isotopi.

Una varietà di isotopi di elementi chimici è ampiamente utilizzata ricerca scientifica, in vari settori dell'industria e dell'agricoltura, in energia nucleare, moderna biologia e medicina, nella ricerca ambiente e altre aree. Nella ricerca scientifica (ad esempio nell'analisi chimica), di norma, sono necessarie piccole quantità di isotopi rari di vari elementi, calcolati in grammi e persino milligrammi all'anno. Allo stesso tempo, per un certo numero di isotopi ampiamente utilizzati nell'ingegneria dell'energia nucleare, nella medicina e in altri settori, la necessità per la loro produzione può essere di molti chilogrammi e persino tonnellate. Pertanto, in connessione con l'uso di acqua pesante D 2 O nei reattori nucleari, la sua produzione globale all'inizio degli anni '90 del secolo scorso era di circa 5000 tonnellate all'anno. L'isotopo dell'idrogeno deuterio, che fa parte dell'acqua pesante, la cui concentrazione nella miscela naturale di idrogeno è solo dello 0,015%, insieme al trizio, in futuro, secondo gli scienziati, diventerà il principale componente di combustibile dei reattori termonucleari di potenza in funzione sulla base delle reazioni di fusione nucleare. In questo caso, la necessità di produrre isotopi di idrogeno sarà enorme.

Nella ricerca scientifica, gli isotopi stabili e radioattivi sono ampiamente utilizzati come indicatori isotopici (etichette) nello studio di vari processi che si verificano in natura.

A agricoltura gli isotopi (atomi "etichettati") vengono utilizzati, ad esempio, per studiare i processi di fotosintesi, la digeribilità dei fertilizzanti e per determinare l'efficienza dell'uso di azoto, fosforo, potassio, oligoelementi e altre sostanze da parte delle piante.

Le tecnologie degli isotopi sono ampiamente utilizzate in medicina. Quindi negli Stati Uniti, secondo le statistiche, vengono eseguite più di 36mila procedure mediche al giorno e circa 100 milioni di test di laboratorio che utilizzano isotopi. Le procedure più comuni associate alla tomografia computerizzata. L'isotopo di carbonio C 13 arricchito fino al 99% (contenuto naturale circa 1%) è attivamente utilizzato nel cosiddetto "controllo diagnostico della respirazione". L'essenza del test è molto semplice. L'isotopo arricchito viene introdotto nel cibo del paziente e, dopo aver partecipato al processo metabolico in vari organi del corpo, viene rilasciato come anidride carbonica CO 2 esalata dal paziente, che viene raccolta e analizzata mediante uno spettrometro. La differenza nelle velocità dei processi associati al rilascio di varie quantità di anidride carbonica etichettata con l'isotopo C 13 consente di giudicare lo stato dei vari organi del paziente. Negli Stati Uniti, il numero di pazienti che verranno sottoposti a questo test è stimato in 5 milioni di persone all'anno. I metodi di separazione laser sono ora utilizzati per produrre l'isotopo C 13 altamente arricchito su scala industriale.

Vladimir Zdanov

Studiando il fenomeno della radioattività, gli scienziati nella prima decade del XX secolo. scoperto un gran numero di sostanze radioattive - circa 40. Ce n'erano significativamente di più rispetto ai posti liberi nella tavola periodica degli elementi nell'intervallo tra bismuto e uranio. La natura di queste sostanze è stata controversa. Alcuni ricercatori li consideravano elementi chimici indipendenti, ma in questo caso la questione della loro collocazione nella tavola periodica si è rivelata insolubile. Altri generalmente negavano loro il diritto di essere chiamati elementi in senso classico. Nel 1902, il fisico inglese D. Martin chiamò tali sostanze radioelementi. Mentre venivano studiati, si è scoperto che alcuni elementi radio hanno esattamente lo stesso Proprietà chimiche, ma differiscono per grandezza masse atomiche. Questa circostanza era contraria ai principi fondamentali legge periodica. Lo scienziato inglese F. Soddy ha risolto la contraddizione. Nel 1913 chiamò radioelementi chimicamente simili isotopi (dalle parole greche che significano "stesso" e "posto"), cioè che occupano lo stesso posto nel sistema periodico. I radioelementi si sono rivelati isotopi di elementi radioattivi naturali. Tutti loro sono combinati in tre famiglie radioattive, i cui antenati sono gli isotopi del torio e dell'uranio.

Isotopi dell'ossigeno. Isobare di potassio e argon (le isobare sono atomi di elementi diversi con lo stesso numero di massa).

Numero di isotopi stabili per elementi pari e dispari.

Ben presto divenne chiaro che anche altri elementi chimici stabili hanno isotopi. Il merito principale della loro scoperta appartiene al fisico inglese F. Aston. Ha scoperto isotopi stabili in molti elementi.

Insieme a punto moderno Gli isotopi sono varietà di atomi di un elemento chimico: hanno diverse masse atomiche, ma la stessa carica nucleare.

I loro nuclei quindi contengono lo stesso numero protoni, ma numero diverso neutroni. Ad esempio, gli isotopi dell'ossigeno naturale con Z = 8 contengono rispettivamente 8, 9 e 10 neutroni nei loro nuclei. La somma dei numeri di protoni e neutroni nel nucleo di un isotopo è chiamata numero di massa A. Pertanto, i numeri di massa degli isotopi dell'ossigeno indicati sono 16, 17 e 18. La seguente designazione di isotopi è ora accettata: Z il valore è dato in basso a sinistra del simbolo dell'elemento, il valore A è dato in alto a sinistra. Ad esempio: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O.

Dopo la scoperta del fenomeno della radioattività artificiale, sono stati ottenuti circa 1800 isotopi radioattivi artificiali utilizzando reazioni nucleari per elementi con Z da 1 a 110. La stragrande maggioranza dei radioisotopi artificiali ha emivite molto brevi, misurate in secondi e frazioni di secondo; solo pochi hanno relativamente maggiore durata vita (ad esempio, 10 Be - 2,7 10 6 anni, 26 Al - 8 10 5 anni, ecc.).

Gli elementi stabili sono presenti in natura con circa 280 isotopi. Tuttavia, alcuni di essi si sono rivelati leggermente radioattivi, con enormi emivite (ad esempio, 40 K, 87 Rb, 138 La, l47 Sm, 176 Lu, 187 Re). La vita di questi isotopi è così lunga che possono essere considerati stabili.

Ci sono ancora molti problemi nel mondo degli isotopi stabili. Quindi, non è chiaro il motivo per cui il loro numero in diversi elementi varia così tanto. Circa il 25% degli elementi stabili (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pt, Tb, Ho, Tu, Ta, Au) sono presenti in natura un solo tipo di atomo. Questi sono i cosiddetti elementi singoli. È interessante notare che tutti (tranne Be) hanno valori Z dispari. In generale, per gli elementi dispari, il numero di isotopi stabili non supera due. Al contrario, alcuni elementi con Z pari sono costituiti da un largo numero isotopi (ad esempio, Xe ha 9, Sn - 10 isotopi stabili).

L'insieme degli isotopi stabili di un dato elemento è chiamato galassia. Il loro contenuto nella galassia spesso oscilla notevolmente. È interessante notare che l'abbondanza di isotopi con numeri di massa multipli di quattro (12 C, 16 O, 20 Ca, ecc.) è la più alta, sebbene vi siano delle eccezioni a questa regola.

La scoperta di isotopi stabili ha permesso di risolvere il mistero a lungo termine delle masse atomiche: la loro deviazione dagli interi, a causa delle diverse percentuali di isotopi stabili degli elementi nella galassia.

A fisica Nucleare il concetto di "isobare" è noto. Le isobare sono chiamate isotopi di vari elementi (cioè con valori diversi Z) aventi gli stessi numeri di massa. Lo studio delle isobare ha contribuito a stabilire molte importanti regolarità nel comportamento e nelle proprietà dei nuclei atomici. Una di queste regolarità è espressa dalla regola formulata dal chimico sovietico S. A. Shchukarev e dal fisico yemenita I. Mattauch. Dice: se le due isobare differiscono di 1 nei valori Z, allora una di esse sarà necessariamente radioattiva. Un classico esempio di una coppia di isobare è 40 18 Ar - 40 19 K. In esso, l'isotopo di potassio è radioattivo. La regola di Shchukarev-Mattauch ha permesso di spiegare perché gli elementi tecnezio (Z = 43) e promezio (Z = 61) non hanno isotopi stabili. Poiché hanno valori Z dispari, non ci si può aspettare più di due isotopi stabili per loro. Ma si è scoperto che le isobare di tecnezio e promezio, rispettivamente, gli isotopi di molibdeno (Z = 42) e rutenio (Z = 44), neodimio (Z = 60) e samario (Z = 62), sono rappresentati in natura da varietà stabili di atomi in un'ampia gamma di numeri di massa. Pertanto, le leggi fisiche impongono il divieto dell'esistenza di isotopi stabili di tecnezio e promezio. Ecco perché questi elementi in realtà non esistono in natura e hanno dovuto essere sintetizzati artificialmente.

Gli scienziati hanno cercato a lungo di sviluppare un sistema periodico di isotopi. Naturalmente, si basa su principi diversi dalla base del sistema periodico di elementi. Ma questi tentativi non hanno ancora portato a risultati soddisfacenti. È vero, i fisici hanno dimostrato che la sequenza di riempimento dei gusci di protoni e neutroni nuclei atomici in linea di principio è simile alla costruzione di gusci di elettroni e subshell negli atomi (vedi Atom).

I gusci di elettroni degli isotopi di un dato elemento sono costruiti esattamente allo stesso modo. Pertanto, le loro proprietà chimiche e fisiche sono quasi identiche. Solo gli isotopi dell'idrogeno (protio e deuterio) e i loro composti mostrano notevoli differenze nelle proprietà. Ad esempio, l'acqua pesante (D 2 O) si congela a +3,8, bolle a 101,4 ° C, ha una densità di 1,1059 g / cm 3, non supporta la vita di organismi animali e vegetali. Durante l'elettrolisi dell'acqua in idrogeno e ossigeno, le molecole di H 2 0 vengono prevalentemente decomposte, mentre le molecole di acqua pesante rimangono nell'elettrolizzatore.

La separazione degli isotopi di altri elementi è un compito estremamente difficile. Tuttavia, in molti casi, sono necessari gli isotopi singoli elementi con una variazione significativa rispetto al contenuto naturale. Ad esempio, quando si è risolto il problema dell'energia atomica, è diventato necessario separare gli isotopi 235 U e 238 U. A tale scopo è stato applicato per la prima volta il metodo della spettrometria di massa, con l'aiuto del quale sono stati ottenuti i primi chilogrammi di uranio-235 nel 1944 negli Stati Uniti. Tuttavia, questo metodo si è rivelato troppo costoso ed è stato sostituito dal metodo di diffusione gassosa, che utilizzava UF 6 . Ora ci sono diversi metodi per separare gli isotopi, ma sono tutti piuttosto complessi e costosi. Tuttavia, il problema della “separazione dell'inseparabile” viene risolto con successo.

Apparve una nuova disciplina scientifica: la chimica degli isotopi. Studia il comportamento di vari isotopi di elementi chimici in reazioni chimiche e processi di scambio isotopico. Come risultato di questi processi, gli isotopi di un dato elemento vengono ridistribuiti tra le sostanze reagenti. Qui l'esempio più semplice: H 2 0 + HD = HD0 + H 2 (una molecola d'acqua scambia un atomo di protio con un atomo di deuterio). Anche la geochimica degli isotopi si sta sviluppando. Indaga le fluttuazioni nella composizione isotopica di vari elementi nella crosta terrestre.

I più utilizzati sono i cosiddetti atomi etichettati: isotopi radioattivi artificiali di elementi stabili o isotopi stabili. Con l'aiuto di indicatori isotopici - atomi etichettati - studiano le modalità di movimento degli elementi nella natura inanimata e vivente, la natura della distribuzione di sostanze ed elementi in vari oggetti. Gli isotopi sono usati nella tecnologia nucleare: come materiali per la costruzione di reattori nucleari; come combustibile nucleare (isotopi di torio, uranio, plutonio); in fusione termonucleare (deuterio, 6 Li, 3 He). Gli isotopi radioattivi sono anche ampiamente utilizzati come sorgenti di radiazioni.