Изотопы

По этой причине в периодической таблице химических элементов изотопы данного элемента занимают одинаковое место, и каждый из них характеризуется одинаковой величиной. Их химические и физические свойства также схожи. Однако есть исключения, когда, в частности, физические характеристики более разнообразны, как правило, при рассмотрении изотопов с большими различиями в массе. Это связано с тем, что целый ряд свойств, таких как плотность или скорость диффузии частиц, зависит от массы. Однако такие параметры, как электропроводность и цвет, не зависят от нее. Различия в химических свойствах обычно связаны с неодинаковой скоростью реакции отдельных изотопов.

Нуклиды в сравнении с изотопами

Это понятие, связанное с изотопами, но немного более общее. Нуклиды — это совокупность атомов, структура ядра которых строго определена количеством протонов и нейтронов. Это означает, что изотопами могут быть два нуклида с разным количеством нейтронов. На практике все изотопы являются нуклидами, но не все нуклиды обязательно являются изотопами. Основная идея этих двух понятий связана с химическими свойствами в случае изотопов и ядерными свойствами в случае нуклидов. Например:

1. Нуклиды, которые являются изотопами:
2. Нуклиды, которые не являются одновременно изотопами:

Изотопы в природе

Встречающиеся в природе химические элементы представляют собой смесь изотопов с постоянным процентным составом. В зависимости от ядра в составе может быть один или более изотопов. Некоторые из них стабильны, а некоторые меняются очень быстро. Этот распад может давать изотопы одного и того же элемента или разных элементов. Такие переходы обычно сопровождаются испусканием излучения. При условии использования конкретных значений на Земле существуют элементы с атомными числами меньше или равными 92. Те, у которых максимальное значение составляет до 83, считаются постоянными. Встречающихся в природе элементов, у которых есть стабильные изотопы, — 81. К ним относятся кремний с изотопами ²⁸Si, ²⁹Si и ³⁰Si, железо с изотопами ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe и ⁵⁸Fe и алюминий, имеющих только один стабильный изотоп — ²⁷Al.

Изотопы водорода

В природе встречаются три изотопа водорода, образующие смесь элемента. На практике изотопы ¹H (водород-1) и ²H (водород-2) составляют большую часть, соответственно 99,985 % и 0,015 %, от общего количества водорода. Изотоп ³H (водород-3) нестабилен и представляет собой только следовые количества. Водород-1 является наиболее известным протием, водород-2, также известный как дейтерий, состоит из одного протона и одного нейтрона, а последний изотоп водород-3, то есть тритий, имеет в ядре один протон и два нейтрона. По этой причине разница в массе между ними очень значительна — атом дейтерия имеет вдвое большую массу, чем протий, а тритий, по сравнению с протием, имеет втрое большую массу. Как известно, водород в любой изотопной форме представляет собой двухатомную молекулу. Оказывается, он также может образовывать молекулы, содержащие разные изотопы, т. е. типа HD (протий-дейтерий), HT (протий-тритий) и DT (дейтерий-тритий). Дейтерий — это нерадиоактивный изотоп с высокой стабильностью. Его можно найти под названием тяжелый водород. Замена водорода-1 на дейтерий в молекуле воды (D₂O) изменяет ее свойства — температура плавления повышается примерно на 1,5 °С, а температура замерзания — на 3,81 °С. Его плотность также выше, чем у H₂O, примерно на 0,1 %. А вот тритий — это очень нестабильный изотоп, который является радиоактивным. В его ядре происходят спонтанные радиоактивные распады, в результате которых образуются атомы гелия. Сравнивая физико-химические свойства изотопов, можно обнаружить принципиальные различия, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение основных физико-химических параметров изотопов водорода.

Изотопы углерода

Элемент углерода имеет три известных изотопа: ¹²C, ¹³C и ¹⁴C, и каждый из них обладает одинаковыми химическими свойствами. Наиболее распространенным является углерод-12, на долю которого приходится 98,89 % всех атомов. Изотоп ¹³C встречается на Земле примерно в 1,11 %, а последний, атом ¹⁴С, — примерно в 10¹². Последний имеет предрасположенность к самопроизвольному распаду, приводящему к испусканию бета-излучения. Затем он превращается в атом азота. Стабильным изотопом является углерод-13. Из-за ненулевого спина этот изотоп можно применять в ядерном магнитном резонансе 13 ЯМР.

Применение изотопов

В детекторах дыма применяют нестабильные изотопы ²⁴¹Am или ²³⁸Pu, которые характеризуются медленным распадом в сочетании с излучением. При появлении дыма происходит блокировка излучения, которое перестает достигать детектора, что вызывает тревогу. Благодаря способности излучения распада некоторых элементов к уничтожению микроорганизмов изотопы, в том числе ⁶⁰Co, можно применять для консервирования пищевых продуктов. В медицинской диагностике некоторые ядра используют для обнаружения изменений в обследуемых органах, например в почках или сердце. Такой изотоп соединяется с биологически неактивным веществом известным путем в организме и вводит его в кровоток. Это позволяет отслеживать путь излучения и наблюдать его накопление в тканях и органах. Лучевая терапия, основанная на излучении нестабильных изотопов, таких как ²²⁶Ra и ⁶⁰Co, также применяется при лечении опухолей. Целью такой терапии является уничтожение опухолевых клеток. Один из изотопов углерода, ¹⁴С, применяют для определения возраста материалов органического происхождения. Это нестабильное ядро медленно распадается, и в случае гибели организма, когда прекращается процесс ассимиляции углерода, концентрация в нем углерода-14 с течением лет пропорционально уменьшается. Некоторые изотопы, например ²³⁹Pu и ²³⁵U, применяют на атомных электростанциях. При распаде этих нестабильных ядер вырабатывается энергия, которая, в свою очередь, может быть преобразована в электричество.

Атомная масса и изотопы

Атомная масса элементов, показанная в периодической таблице химических элементов, на самом деле является усредненной массой. При ее расчете учитывают количество (n) и процентный состав (x_n) отдельных изотопов данного элемента по формуле:

Например, расчет средней атомной массы водорода дает следующее уравнение: