Ответы к §8. Изменения в составе ядер атомов химических элементов. Изотопы
i. Работа в информационной среде
1. Найдите в Интернете электронные адреса, раскрывающие содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа для создания классного банка данных.
Ответ:
1. http://www.hemi.nsu.ru/ucheb123.htm
2. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1219102
3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e064.htm
4. https://www.krugosvet.ru/enc/naukaitehnika/himiya/IZOTOPI.html
5. http://www.lomonosov−fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0131048
2. Используя ресурсы Интернета, подготовьте информационный продукт (по выбору): презентацию по теме урока или сообщение по одному из ключевых слов (словосочетаний) параграфа
Ответ:
Изотопы
Изотопы – разновидности одного и того же химического элемента, близкие по своим физико−химическим свойствам, но имеющие разную атомную массу. Название «изотопы» было предложено в 1912 английским радиохимиком Фредериком Содди, который образовал его из двух греческих слов: isos – одинаковый и topos – место. Изотопы занимают одно и то же место в клетке периодической системы элементов Менделеева.
Атом любого химического элемента состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Положение химического элемента в периодической системе Менделеева (его порядковый номер) определяется зарядом ядра его атомов. Изотопами называются поэтому разновидности одного и того же химического элемента, атомы которых имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, практически одинаковые электронные оболочки), но отличаются значениями массы ядра. По образному выражению Ф.Содди, атомы изотопов одинаковы «снаружи», но различны «внутри».
В 1932 был открыт нейтрон – частица, не имеющая заряда, с массой, близкой к массе ядра атома водорода – протона, и создана протонно−нейтронная модель ядра. В результате в науке установилось окончательное современное определение понятия изотопов: изотопы – это вещества, ядра атомов которых состоят из одинакового числа протонов и отличаются лишь числом нейтронов в ядре. Каждый изотоп принято обозначать набором символов $^{А}_{Z}Х$ , где X – символ химического элемента, Z – заряд ядра атома (число протонов), А – массовое число изотопа (общее число нуклонов – протонов и нейтронов в ядре, A = Z + N). Поскольку заряд ядра оказывается однозначно связанным с символом химического элемента, часто для сокращения используется просто обозначение $^{А}Х$.
Из всех известных нам изотопов только изотопы водорода имеют собственные названия. Так, изотопы 2H и 3H носят названия дейтерия и трития и получили обозначения соответственно D и T (изотоп 1H называют иногда протием).
Применение изотопов
Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях.
В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем, для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.
В научных исследованиях стабильные и радиоактивные изотопы широко применяются в качестве изотопных индикаторов (меток) при изучении самых различных процессов, происходящих в природе.
В сельском хозяйстве изотопы («меченые» атомы) применяются, например, для изучения процессов фотосинтеза, усвояемости удобрений и для определения эффективности использования растениями азота, фосфора, калия, микроэлементов и др. веществ.
Изотопные технологии находят широкое применение в медицине.
?. Вопросы и задания
1. Как вы думаете, почему изотопы калия $^{40}_{19}K$ и аргона $^{40}_{18}Ar$, имеющие одинаковые массы, проявляют разные свойства?
Ответ:
Химические свойства изотопов определяются зарядом ядра, а не его массой.
Изотопы калия $^{40}_{19}K$ и аргона $^{40}_{18}Ar$ имеют одинаковую массу, но разный разряд ядра (+19 у калия, +18 у аргона). Поэтому калий и аргон проявляют разные свойства.
2. Почему в таблице Д.И. Менделеева относительная атомная масса аргона близка к 40, а калия — к 39?
Ответ:
Относительные атомные массы химических элементов — это средние значения атомных масс изотопов элемента с учетом их долей содержания в природе. Содержание в природе изотопа $^{39}K$ значительно больше, чем изотопа $^{40}K$, поэтому среднее значение относительной атомной массы калия приближается к 39.
Содержание в природе изотопа $^{40}Ar$ значительно больше, чем изотопа $^{39}Ar$ , поэтому среднее значение относительной атомной массы аргона приближается к 40.
3. Пользуясь названиями элементарных частиц, из которых состоят атомные ядра, дайте другое определение изотопов.
Ответ:
Изотопы − разновидности атомов одного элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов (то есть заряжены одинаково, но весят по−разному).
4. Почему изотопы хлора одинаковы между собой по свойствам, тогда как свойства изотопов водорода различны?
Ответ:
Относительная атомная масса хлора − 35,5, следовательно, изменение числа нейтронов его ядра на 1−3 не повлияет значительно на его массу. Заряд ядра при этом остаётся +17.
У изотопов водорода, не смотря на постоянство заряда ядра (+1), при добавлении одного и двух нейтронов масса ядра изменяется в 2 или 3 раза, поэтому свойства изотопов водорода будут разные.
5. Почему дейтериевую воду $D_{2}O$ называют тяжёлой водой? Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.
Ответ:
Хотя у тяжеловодородной воды та же химическая формула, что и у обычной, вместо атомов лёгкого изотопа водорода протия она содержит атомы тяжёлого изотопа водорода дейтерия. Поэтому ее называют тяжелой водой.
Таблица. Сравнение характеристик лёгкой и тяжёлой воды.
Параметр D2O H2O
Температура плавления, °C 3,82 0,00
Температура кипения, °C 101,4 100,0
Плотность при 20 °C, г/см³ 1,1056 0,9982
Температура максимальной
плотности, °C 11,6 4,0
Вязкость при 20 °C,
сантипуаз 1,2467 1,0016
Поверхностное натяжение
при 25 °C, дин·см 71,87 71,98
Молярное уменьшение
объёма при плавлении,
см³/моль 1,567 1,634
Молярная теплота
плавления, ккал/моль 1,515 1,436
Молярная теплота
парообразования, ккал/моль 10,864 10,515
pH при 25 °C 7,41 7,00
6. Найдите в таблице Д. И. Менделеева три пары элементов, у которых, подобно паре Ar − K, вначале расположен элемент с бо́льшим значением относительной атомной массы.
Ответ:
Элементы в таблице Д. И. Менделеева , у которых, подобно паре Ar − K, вначале расположен элемент с бо́льшим значением относительной атомной массы:
$^{128}_{52}Тe - ^{127}_{53}I$ (теллур − йод).
$^{232}_{90}Тh - ^{231}_{91}Pa$ (торий −протактиний).
$^{238}_{92}U - ^{237}_{93}Np$ (уран − нептуний)
