Izotopy
Sonia Radosz Każdy pierwiastek chemiczny ma przypisaną dla siebie niezmienną liczbę atomową (Z). Informuje nas ona o dokładnej liczbie protonów w jądrze atomu oraz determinuje jego położeniu w układzie okresowym. Drugim kluczowym parametrem jest liczba masowa (A), czyli łączna suma nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze. W przeciwieństwie do liczby atomowej liczba masowa może się zmieniać. W naturze mogą występować atomy tego samego pierwiastka (mające identyczną liczbę protonów), które w swoich jądrach mają różną liczbę neutronów. Takie odmiany pierwiastka zbudowane z atomów o tej samej liczbie atomowej, a różniące się liczbą masową to izotopy.
Izotopy oznacza się przez dodanie odpowiedniej liczby masowej dla danego pierwiastka, np. izotopy węgla: 12C, 13C, 14C, izotopy uranu: 235U, 238U, izotopy tlenu 16O, 17O, 18O.
Izotopy wodoru
Izotopy wodoru ze względu na swoje unikalne właściwości mają swoje nazwy:
Prot (1H): Najpowszechniejszy izotop wodoru. Jego jądro składa się wyłącznie z jednego protonu; nie posiada ani jednego neutronu.
Deuter (2H lub D): Posiada 1 proton i 1 neutron. W połączeniu z tlenem tworzy tzw. ciężką wodę (D2O).
Tryt (3H lub T): Posiada 1 proton i 2 neutrony. Jest izotopem niestabilnym i promieniotwórczym, powstaje w górnych warstwach atmosfery.
Izotopy tego samego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, ponieważ za te właściwości odpowiedzialne są elektrony, a w szczególności elektrony walencyjne. Natomiast ich właściwości fizyczne różnią się, ponieważ za te właściwości odpowiedzialne jest jądro. Zmianie ulegają takie właściwości jak gęstość, temperatura topnienia i wrzenia czy szybkość dyfuzji.
Średnia masa atomowa pierwiastka
Zawartość procentową izotopów można obliczyć stosując wzór na średnią masę atomową pierwiastka (średnią ważoną), która uwzględnia masy atomowe izotopów (A) oraz zawartości procentowe izotopów (p). Poniżej wzór na średnią masę atomową pierwiastka:
Zastosowanie izotopów
Izotopy mają wiele zastosowań m.in. izotopy 42K są stosowane w badaniach serca, 47Ca do wykrywania nowotworów kości, 51Fe w badaniach krwi, 125I w diagnostyce i leczeniu chorób tarczycy, 14C datowanie izotopowe oraz wykrywanie życia. Izotop 14C rozpada się w stałym tempie po śmierci organizmu. Mierząc jego zawartość np. w starych kościach czy drewnianych sarkofagach, naukowcy potrafią określić ich wiek z dokładnością do kilkudziesięciu lat. Niestety niektóre zastosowania izotopów mają negatywne skutki m.in. zastosowanie izotopów w broni (odpady promieniotwórcze, choroba popromienna).
Zadania w stylu maturalnym
Zadanie 1.
Izotop lutetu o liczbie atomowej 71 – 177Lu jest stosowany w leczeniu nowotworów prostaty oraz guzów neuroendokrynnych. Przyłącza się go do cząsteczek, które łączą się bezpośrednio z komórkami nowotworowymi, oszczędzając zdrowe tkanki.
Odpowiedz na poniższe pytania charakteryzujące opisany izotop lutetu.
- Ile elektronów posiada ten izotop i na ilu powłokach elektronowych są one rozmieszczone?
- Ile nukleonów posiada ten izotop?
- Ile neutronów znajduje się w jądrze tego izotopu?
Rozwiązanie:
a. 71 elektronów rozmieszczonych na 6 powłokach elektronowych
b. 177 nukleonów
c. 106 neutronów
Zadanie 2.
Oblicz średnią masę atomową chloru, jeśli 35Cl stanowi około 75,77% wszystkich atomów chloru na Ziemi, natomiast izotop 37Cl stanowi pozostałą część.
Rozwiązanie:
Średnia masa atomowa chloru wynosi 35,48 u.
Zadanie 3.
Która para nuklidów stanowi izotopy?
Rozwiązanie:
c.
