Глава 7. Строение атома

Состав и важнейшие характеристики атома. Изотопы. Химические элементы

В каких единицах обозначены А_r элементов? Каков характер их изменений с увеличением порядкового номера? Какие можно сделать выводы?

Обратимся к таблице «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева».

Вы видите, что числа, выражающие атомные массы элементов, имеют дробные значения, а при закономерном линейном увеличении атомных масс химических элементов имеет место некоторое «нарушение» закономерности.

Проблема. Почему в парах элементов аргон — калий, кобальт — никель, теллур — иод впереди стоящий элемент имеет большую атомную массу, чем последующий, почему атомные массы элементов обозначены дробными числами, если массы протонов и нейтронов приняты за 1, а массой электронов как ничтожной можно пренебречь? Какова причина кажущихся «нарушений»?

Ответы дают экспериментальные и теоретические исследования состава ядер и масс атомов различными методами. Они показали, что в ядрах атомов одного и того же элемента всегда имеется одинаковое число протонов, но может содержаться разное число нейтронов. Такие атомы отличаются друг от друга разным массовым числом (А) и некоторыми свойствами (например, разной скоростью диффузии и др.). Так, например, в составе элемента углерода имеются атомы с числом нейтронов б, 7, 8. Но все они относятся к одному элементу — углероду, поскольку заряд ядра у них одинаков: +6.

Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную атомную массу, называются изотопами (термин происходит от греческого isos — «равный», topos — «место», т. е. занимающие одно и то же место в периодической системе).

В большинстве случаев в природе каждый элемент представляет собой совокупность разных его изотопов. Содержание каждого изотопа в элементе обычно выражают в процентах. Например, природный кислород состоит из трёх изотопов: (изотопное содержание 99,76%), (0,04%) и (0,20%).

Относительная атомная масса химического элемента (А_r) равна среднему значению масс всех его природных изотопов с учётом их распространённости. В качестве стандарта для определения относительной атомной массы принимается 1/12 массы изотопа атома углерода Например, хлор имеет два изотопа: (75,5 %) и (24,5 %).

Его относительная атомная масса:

A_r(Сl) = (35 • 0,7553) + (37 • 0,2447) ≈ 35,454

Эту же величину мы видим в периодической таблице.

Явление изотопии позволяет объяснить причину некоторых «нарушений» в последовательном увеличении значений атомных масс элементов в уже упоминавшихся ранее парах:
К — Аr, Со — Ni, Те — I
Изотопное содержание калия (93%) выше, чем более тяжёлого изотопа а у аргона, наоборот, тяжёлый изотоп составляет 99%. Отсюда у аргона, элемента с порядковым номером 18, относительная атомная масса больше, чем у элемента с порядковым номером 19. Подобным образом объясняются и другие отклонения в изменении масс элементов в периодической системе.
Изотопы известны для всех химических элементов. Наибольшее число изотопов имеют элементы с порядковым номером Z от 40 до 56.

Теория строения ядра и явление изотопии позволяют уточнить понятие об относительной атомной массе элемента, углубить знания об элементе и дать ему более современные определения:

а) химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра;
б) химический элемент — это совокупность его изотопов.

Все изотопы делятся на стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные).
Примерами стабильных изотопов служат изотопы кислорода углерода свинца и др. Неустойчивые изотопы подвержены радиоактивному распаду. Их называют ещё радиоизотопами. Устойчивых изотопов у элемента меньше, чем неустойчивых, или радиоактивных. Так, из 19 изотопов иода лишь изотоп иод-127 является устойчивым, или стабильным. Радиоизотопы бывают естественные и искусственные. Самый мощный источник естественных радиоизотопов на Земле — урановые минералы, а наиболее распространённым изотопом элемента урана является уран-238 Элементы с порядковым номером 93 и более — радиоактивные элементы, синтезированные искусственным путём в ядерных реакциях. Открытию и изучению радиоактивных элементов посвятили свою жизнь супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, Глен Сиборг, Г.Н. Флёров и многие другие учёные.

Мария Склодовская-Кюри

Практическое применение изотопов. Радиоизотопы находят широкое применение в медицине. Для исследования функций печени, почек и других органов широко применяется радиоактивный изотоп иод-127, для лечения раковых заболеваний — радиоизотоп кобальт-60.

Радиоизотопы используют для выявления утечки веществ из накопительных баков и трубопроводов, например в газовой и нефтяной промышленности, для испытания двигателей на износ в авиа- и машиностроении, в химии — для изучения механизмов реакций, в машиностроении — для измерения толщины металлических листов, труб и стержней. Радиоактивный изотоп углерода широко применяется в геологии, археологии, антропологии для датирования биологических образцов, имеющих возраст до 35 тыс. лет.

Основные понятия

Ядро • Протон • Нейтрон • Электрон • Заряд ядра • Изотопы • Порядковый (атомный) номер •Химический элемент

Вопросы и задания

1. Дайте характеристику основных видов внутриатомных частиц.

2. Какие частицы обусловливают массу атома? Определите массовое число элемента № 15 в периодической таблице.

3. Дайте определение изотопам, приведите примеры.

4. Почему заряд ядра атома является главной характеристикой элемента?

5. Выразите графически соотношение изотопов аргона. В чём их сходство и различия?

6. Поясните взаимосвязи между понятиями: «химический элемент», «изотопы», «массовое число».

7. Используя Интернет, подготовьте сообщение о применении радиоизотопов.

8. Установите и докажите зависимость порядкового номера элемента № 12 в периодической таблице от определённых частиц атома и их числа. Результаты работы обсудите с товарищем.

<<< К началу параграфа