Изотопы: массовое число и состав атома

В таблице у хлора указана относительная атомная масса 35,45. Но ни одного атома с «35,45 нейтрона» в природе нет. Дробь появилась потому, что природный хлор состоит из атомов с разным числом нейтронов. Такие варианты одного и того же элемента называют изотопами.

Ключевое слово здесь «одного элемента». У всех изотопов углерода шесть протонов. Если протонов семь, перед нами уже азот, даже если остальные характеристики похожи. Нейтроны меняют массу ядра и его устойчивость, но не меняют место элемента в периодической системе.

Что такое изотопы

Самый известный пример: углерод-12, углерод-13 и углерод-14. У каждого из них в ядре шесть протонов. Углерод-12 содержит шесть нейтронов, углерод-13 содержит семь, углерод-14 содержит восемь. Массовое число, которое стоит после названия, равно сумме протонов и нейтронов.

Химические свойства изотопов близки. У них одинаковое число электронов и одинаковое строение внешней оболочки, если атомы нейтральны. Поэтому изотопы углерода образуют одни и те же типы связей. Разница заметнее в физических и ядерных свойствах: масса различается, а ядро может быть стабильным или радиоактивным.

Изотопы встречаются у большинства элементов. Водород особенно нагляден: обычный водород ¹H состоит из одного протона, дейтерий ²H имеет ещё один нейтрон, тритий ³H содержит два нейтрона. Дейтерий входит в состав тяжёлой воды, а тритий радиоактивен.

Массовое число и запись атома

Полная запись атома выглядит так: ^A_ZX. X обозначает символ элемента, Z - порядковый номер, A - массовое число. Для углерода-14 пишут ¹⁴₆C. Нижний индекс 6 говорит о шести протонах, верхний 14 сообщает суммарное число протонов и нейтронов.

Число нейтронов находят вычитанием: N = A - Z. У ¹⁴₆C получаем 14 - 6 = 8 нейтронов. У нейтрального атома электронов столько же, сколько протонов, то есть шесть. Если частица заряжена, электронов будет больше или меньше, но число протонов и нейтронов останется прежним.

Массовое число всегда целое. Его нельзя заменить относительной атомной массой из таблицы без оговорки. В задачах массовое число обычно дано явно: «изотоп кислорода-18» или ¹⁸₈O. Тогда никаких округлений не требуется.

Почему атомная масса бывает дробной

Относительная атомная масса в периодической таблице - среднее значение для природной смеси изотопов. Оно зависит от того, каких изотопов больше. У хлора преобладает хлор-35, но заметная доля приходится на хлор-37. Среднее значение оказывается между 35 и 37, поэтому в таблице стоит 35,45.

У некоторых элементов цифра почти целая. У фтора один устойчивый природный изотоп, фтор-19, поэтому в школьной таблице его масса близка к 19. У меди природная смесь двух стабильных изотопов, и масса равна примерно 63,55. Эта величина нужна при расчёте молярных масс, а не для подсчёта нейтронов отдельного атома.

Хорошая привычка: сначала посмотрите, что именно спрашивают. Для молярной массы берите относительную атомную массу из таблицы. Для состава конкретного ядра берите массовое число. Это два разных инструмента, хотя названия похожи.

Стабильные и радиоактивные изотопы

Одни ядра сохраняются сколько угодно долго в наблюдаемом масштабе времени, другие самопроизвольно превращаются в другие ядра и испускают излучение. Вторые называют радиоактивными изотопами, или радионуклидами. Радиоактивность зависит от соотношения протонов и нейтронов и от размера ядра.

Радиоактивный углерод-14 используют для датирования органических материалов. Пока организм живёт, он обменивается углеродом с окружающей средой. После гибели поступление прекращается, а количество углерода-14 постепенно уменьшается. Период его полураспада составляет примерно 5730 лет, поэтому метод подходит для объектов возрастом в тысячи лет, но не для определения возраста динозавров.

Радионуклиды применяют и в медицине, и в промышленности, и в науке. Здесь важен контекст: излучение может быть полезным при контролируемом использовании, но требует защиты и строгих правил. В учебных задачах чаще спрашивают не о дозах, а о составе ядра и типе распада.

Как решать задачи

Задание: определите состав атома изотопа калия ³⁹₁₉K. Нижний индекс сразу даёт число протонов: 19. Массовое число равно 39. Нейтронов: 39 - 19 = 20. Поскольку в условии сказано «атом», а не «ион», электронов тоже 19. Заряд ядра равен +19.

Задание посложнее: у иона ³⁵₁₇Cl^- число протонов остаётся 17, нейтронов 35 - 17 = 18. Электронов уже 18, потому что заряд -1 означает один принятый электрон. Массовое число не реагирует на изменение электронной оболочки.

• Выпишите A и Z отдельно.
• Число протонов возьмите из Z.
• Вычтите Z из A, чтобы получить нейтроны.
• Определите число электронов с учётом заряда частицы.
• Проверьте: протоны плюс нейтроны должны дать A.

Ошибки и короткая памятка

Нельзя говорить, что изотопы отличаются числом электронов. Тогда это были бы ионы или разные электронные состояния, а не изотопы. Изотопы различаются только нейтронами. Ещё одна ловушка: считать, что разные изотопы занимают разные клетки в таблице. Нет, положение задаёт число протонов, и оно у них общее.

• Изотопы: одинаковые протоны, разные нейтроны.
• Массовое число A: всегда целое, равно p + n.
• Порядковый номер Z: число протонов и электронов у нейтрального атома.
• Дробная атомная масса в таблице: среднее для природной смеси изотопов.
• Ионизация меняет электроны, но не ядро.

Если держать в голове эту разницу между A, Z и относительной атомной массой, задачи на изотопы решаются за пару строк. А ещё становится понятно, почему химическая таблица показывает одну клетку для хлора, хотя в природе существуют атомы хлора разной массы.